超音速等离子射流中陶瓷粉末的细化及对涂层微观结构的影响

Study on the fine and controllable coating structure has important scientific significance and practical value for depositing the high-performance ceramic coatings. One domestic newly-developed technology, high efficiency supersonic atmospheric plasma spraying, shows a great potential for depositing fine-structured coatings. Great attention is being given to this new technology by academic circles.This project will be based on a unique experimental phenomenon "refinement of ceramic particles in the plasma jet", which was found in our previous works. Taking the heating and melting behavior of the spherical particles in the plasma jet as the research object, the melting interface moving process and phase transition will be studied by the moving heat source method in order to solve a series of scientific problems such as the heat transfer, mass transfer and deformation of agglomerated nano-crystalline particles in the supersonic plasma jet. In addition, the time-of-flight and two-color pyrometry principles will be applied to on-line diagnose the change of velocity, temperature and size distribution of in-flight particles. Meanwhile, the volume of fluid method will be used to study the effects of in-flight properties and substrate state on the flattening behavior of molten particles in order to explore the formation process and accurate control of fine-structured coating. The research results have important theoretical significance for mastering the refinement mechanism of agglomerated nano-crystalline powder in the supersonic plasma jet and application value for the accurate control of coating structure during spraying.

研究涂层结构的细密化及可控性对于沉积高性能陶瓷涂层具有重要的科学意义和实用价值。国内最新开发的高效能超音速大气等离子喷涂技术在制备精细结构涂层方面展现出了巨大的应用潜力，正引起业界的关注。本项目将在课题组前期研究中发现陶瓷颗粒在超音速等离子体射流中发生独特"细化"现象的基础上，以球形粒子在等离子体射流中的加热熔化行为为研究对象，采用移动热源法研究粒子在飞行过程中熔化界面的推移及相变过程，求解球形纳米团聚粒子在超音速等离子体流场中的传热、传质及形变等问题。此外，利用高速摄影及双波长辐射强度比值法等手段检测粒子在射流中的状态变化，并结合流体体积分数法定量研究熔融粒子撞击基体的瞬间状态对粒子扁平化堆垛行为的影响，探索超音速等离子喷涂涂层组织细密化的机理与精确控制问题。研究结果对掌握纳米团聚粒子在超音速等离子体射流中的细化机理具有重要的理论意义，对实现涂层沉积过程中的结构精确控制具有重要应用价值。

开发高稳定性、长寿命的热障涂层（TBCs）一直是学术界及工程界研究的前沿与热门领域，但有关涂层结构精确控制及涂层质量一致性、稳定性的研究工作相对滞后，已严重制约我国高性能热障涂层的开发与工程应用。本项目以国产超音速等离子喷涂系统为平台，结合先进的粒子在线监测系统，开展了超音速飞行粒子在等离子体射流中的细化过程、细化的粒子撞击基体后的扁平化行为及扁平粒子形貌对涂层组织结构影响规律的三个方面的研究工作。首先，通过水中收集飞行粒子、狭缝法收集单个扁平粒子确定了不同飞行速度及温度下的原始粒子粒径分布规律，采用移动热源法分析粒子加热熔化过程，并通过临界拖拽力理论计算出飞行粒子在等离子射流中细化的临界拖拽力，提出以“熔融飞行粒子（熔滴）单位表面积拖拽力和表面张力引起的附加压强的相对大小作为氧化钇部分稳定二氧化锆（YSZ）陶瓷熔滴细化判据”的学术新观点，明确了超音速飞行YSZ熔滴的变形细化机理。其次，采用扫描电子显微镜和三维激光显微镜观察扁平粒子形貌，采用Fluent流体力学软件模拟不同工艺下熔滴的铺展和凝固过程。通过实验和数值模拟，研究了超音速及亚音速飞行粒子的扁平化行为，获得了粒子飞行速度及温度对YSZ熔滴扁平化行为的影响规律，并以定量表征熔滴飞行状态的雷诺数为研究对象，建立表征熔滴扁平率和飞溅形貌的定量模型。再次，通过高分辨透射电子显微分析粒子的超音速流动对涂层成分及结构的作用机制，结果表明由亚音速飞行粒子扁平化后形成的柱状晶平均高度为2.1 μm，平均宽度为476 nm；而超音速条件下柱状晶平均高度为711 nm（约为亚音速的1/3）；平均宽度为315 nm（约为亚音速的2/3），证实了细化后的超音速飞行粒子可以明显细化涂层的组织结构，从而使涂层的断裂韧性提高了约40 %。最后，明确了粒子飞行性质与涂层结构之间的定量关系，发现当粒子飞行速度及温度接近时，涂层中总缺陷含量接近，表明该工艺方法具有良好的可重复性，为精确控制涂层结构奠定了实验基础。本项目以实验为基础、结合数值模拟，深入研究了超音速飞行粒子在等离子体流场中的流动特点及加热熔化过程，从理论与实验的有机结合上探明了熔融粒子在超音速等离子体射流中独特的细化过程及其对熔融粒子扁平堆垛形成层状组织结构的影响规律，为最终实现我国超音速等离子喷涂制备高性能陶瓷热障涂层的结构精确控制和质量批次稳定性提供了理论模型及实验依据。