等离子喷涂陶瓷中粒子/基体的晶体结构遗传现象及其机制

粒子层间结合与粒子本身的晶体结构是决定呈层状结构热喷涂陶瓷涂层性能的两个重要因素，其有效调控是根据服役要求设计并充分发挥涂层潜能的基础。粒子晶体结构因主要依赖于沉积过程中所固有的快速冷却特性而认为难以调控。本项目在已成功实现界面结合控制的基础上，着眼于熔融粒子的快速冷却凝固从与基体表面接触的液体开始这一特征，基于近期发现的沉积粒子晶体结构在一定基体表面温度下受基体晶体结构控制的基体模板效应，提出了基于这一"基体/粒子晶体结构遗传性"控制等离子喷涂陶瓷涂层晶体结构的新思路。通过在不同温度的单晶与多晶陶瓷基体表面分别等离子喷涂沉积同种材料粒子与涂层，研究基体表面温度和晶体结构，与粒子的晶体结构及粒子晶体取向特征、与粒子/基体结合之间的关系；揭示界面附近晶体结构遗传的控制因素与机制，以为深入理解等离子喷涂中扁平粒子快速冷却中的结晶凝固机制提供依据，为控制等离子喷涂涂层晶体结构提供新的思路与方法。

确立有效控制等离子喷涂陶瓷涂层粒子间结合与晶体结构的方法是基于服役要求制备高性能涂层的基础。本项目采用Al2O3,YSZ,TiO2等不同材料，分别在不同温度的单晶与多晶同类基体表面沉积粒子，在研究确立界面结合完全可控的基础上，通过FIB制样并结合HR-TEM表征，揭示了沉积温度和基体晶体结构与粒子晶体结构及晶体取向的关系，探讨了涂层粒子遗传基体表面附近晶体结构的规律。取得了以下主要成果。.阐明了沉积温度对粒子界面结合的影响规律，提出了高温熔滴碰撞固体表面时与其形成结合的临界沉积温度概念，揭示了临界结合温度与陶瓷材料熔点间的良好线性关系，为控制涂层粒子间结合提供了方法；阐明了液态陶瓷粒子/固态陶瓷界面在喷涂条件下形成结合的最低温度与陶瓷的玻璃化温度一致的现象（该温度定义为本征结合温度），为理解界面结合形成提供了思路；基于本征结合温度概念，提出了基于扁平粒子参量分布预测陶瓷涂层结合率的合理模型。.揭示了沉积温度对Al2O3、YSZ和TiO2扁平粒子晶体结构和微观组织结构的影响规律，阐明了基体晶体结构对扁平粒子晶体结构形成呈现模板效应即外延结晶凝固的条件。发现Al2O3粒子的晶体结构随沉积温度升高经历从非晶、准稳态立方结构到稳态六方的变化，900oC时呈稳态结构且发生外延结晶凝固；结合该结果并通过HR-TEM首次揭示了喷涂Al2O3涂层中粒子界面由非晶相连接的特征。基于形核理论与结构形成规律，提出了提高沉积温度是通过对液固相接触角而影响结晶相形成的观点与采用LAD模型对结晶凝固热焓修正的方法，为理解Al2O3液态粒子快速凝固时相形成的关键控制因素提供了理论依据。.发现基体结构对YSZ粒子结构影响显著。对于平衡态下立方8YSZ，在激冷下形成准稳态四方结构，而在立方YSZ表面900oC下发生同质外延，但在四方YSZ表面温度达到1200oC时发生异质外延结晶；TiO2粒子的临界结合温度为150oC，在500oC时即发生外延生长。发现在粒子外延凝固时形成强结合界面，而高水平淬火应力使得粒子/基体体系发生复杂开裂现象，发现了基体晶粒对界面开裂的诱导效应，提出了基于晶粒尺寸抑制开裂导致粒子剥落的方法。.本项目成果为深入理解等离子喷涂陶瓷扁平粒子快速冷却中界面结合的成形、晶体结构形成规律提供了依据，为控制等离子陶瓷喷涂涂层结构、基于服役要求设计高性能涂层提供了新的思路与方法。