电子束物理气相沉积热障涂层技术研究进展.pdf

2 0 0 9 年全国热喷涂技术经验交流会论文集电子束物理气相沉积热障涂层技术研究进展郭洪波，彭立全，宫声凯，徐惠彬1北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京市学院路3 7 号，邮编1 0 0 1 9 1擒要：热障涂层技术( T B C s ) 是先进航空发动机叶片技术的三大关键技术之一．电子束物理气相沉积( I 强P V D ) 和等离子喷涂是制各热障涂层的两种主要方法．本文简单介绍了电子束物理气相沉积设备的原理、结构及其工艺特点，在此基础上综述了E B - P V D 热障涂层近年来的研究进展．关键词：电子柬物理气相沉积，熟障涂层．粘结层，二氧化锆P r o g r e s si nE B —P V DT h e r m a lB a r r i e rC o a t i n g sG u oH o n g b o ，P e n gL i q u a n ，G o n gS h c n g k a i ，X uH u i b i ni 城T m a gU n i v e a s i t y , S c h o o lo f M a t e r i a l sS c i e n c ea n dF 坶n = m g ，N o ．3 7 , X u e y u a nR o a d , B c i j 吨，1 0 0 1 9 1 ，C h i n aA b s t r a c t ：T h e r m a lb a r r i e rc o a t i n g ∞C ) t e c h n i q u ei so n eo ft h et h r e em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e sf o rt u r b i n eb l a d e si na d v a n c e de n g i n e s ．E l e c t r o nb e a mp h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o na n dp l a s m as p r a ya r et w om a j o rm e t h o d sf o rm a n u f a c t u r i n go f T B C s ．I nt h i sp a p e r , t h ep h y s i c a lp r i n c i p l e s ，c o m p o n e n t ss t r u c t u r e sa n dt e c h n o l o g i c a lf e a t u r e so fE B - P V DW e r eb r i e f l yd e m o n s t r a t e d ．B a s e dO nt h i s ，a no v e r l o o ko nr e c e n tr e s e a r c hp r o g r e s s e si nE B - P V DT B C s缸弓p r e s e n n ：( i ．K e y w o r d s ：E l e c t r o nb e a mp h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( E B —P V D ) ；T h e r m a lb a r r i e rc o a t i n g sf r B C s ) ；E n g i n e s ．引言电子柬物理气相沉积( E B - P V D ) 技术是电子束技术与物理气相技术相结合的产物。

2 0 世纪中叶，电 子束与物理气相沉积技术结合并被成功的应用于材料焊接及涂层的制各2 0 世纪8 0 年代初，美国A i r c o T e m e s c a l 公司首先在实验室采用E B ．P V D 技术制得了具有良好重复性的高质量热障涂层I l l 2 0 世纪9 0 年 代初，P & W 、G E 等公司在航空涡轮发动机的转子叶片上开始采用E B - P V D 工艺制备热障涂层1 2 - 3 1 , 乌克 兰P a t o n 焊接研究所于2 0 世纪5 0 年代开始从事E B ．P V D 技术及设备的研究，在乌克兰科学院院士莫夫臣 教授( P r o f ．B ．A ．M o v c h a n ) 的领导下，成功地将电子束熔炼工艺应用于物理气相沉积过程获得了每小时 可蒸发1 0 - 1 5 k g 金属材料的蒸发速率及每分钟可达5 ¨1 0 叽m 的沉积速率，而成本与西方国家同类设备相 比却大大降低‘4 1 目前E B ．P V D 热障涂层技术已经在世界各国得到大力推广，并已经广泛应用在发动机叶 片上，成为航空发动机工作叶片热障涂层制各不可或缺的一项关键技术． 北京航空航天大学自上个世纪九十年代中期从乌克兰引进第一台大功率的E B ．P V D 设备，在我国率先开展了E B ．P V D 热障涂层的研究工作。

本文将综述E B ，P V D 的工作原理、E B P V D 热障涂层的结构及性能 特点以及近十年来北京航空航天大学在熟障涂层方面的研究进展1 徐惠彬( 1 9 5 9 ) ，男( 汉族) ，吉林大安人，教授，博士，0 1 0 - 8 2 3 1 7 1 1 7 ，X u h b @ b u a a ．e d u ．c n ．一k2 0 0 9 年全田热喷涂技术经验交流会论文集IE B —P V D 的工作原理筒介电子束物理气相沉积( E B - P V D ) 技术是在真空环境下，利用高能量密度的电子束加热放入水冷坩埚中的待蒸发材料，使其达到熔融气化状态，并在偏转磁场作用下蒸发至基扳上凝结成涂层的技术．利用E B ．P V D 方法制备涂层要经过三个步骤：( I ) 用电子柬蒸发气化游层材料；( 2 ) 通过稀薄气氛把蒸气从靶源输送到基体上；( 3 ) 涂层材料蒸气在基材上冷凝，形成涂层在E B ．P V D 设备中，电子枪用来产生高能电子束流，是E B —P V D 设备最为关键的技术和部件用电流加热电子枪的砜极灯丝产生电子，带负电荷的电子柬高速飞向商电崔正极的过程中，经过加速极加速，R通过电磁透镜聚焦．电子束的功率加大，再经二次聚焦后．其能量密度可远1 0 9 w 『m 。

以上高能量密度电子使被蒸发的靶材在几分之一微秒内温度升高至上万摄氏度，在这么短的时间内熟量来不及扩散，靶材瞬间被熔化和气化图11 2 0 K W 大功率电子束物理气相沉积设备F i g ．1Ap h o t o g r a p ho f l 2 0I O NE B - P V I ) f a c i l i t yF i g ．2图2E B - P V D 设备工作原理示意围T h e w o r k i n g p r i n c i p l es c h e m a t i c so f E B - P V D西方各国最早用于E B - P V D 的电子枪的设计原理与结构基本上属于同一模式这种电子枪在聚焦、扫 描、偏转及束流等方面的精度棍高，缺点是由于束斑直径较小．不适应大面积蒸发，往往必须进行散焦处 理乌克兰l ’a l o n 焊接研究所莫夫臣教授对用于熔练的电子枪进行了改进．克服了以上缺点”1 图1 和图 2 分别为北京航空航无大学薄膜实验室从乌克兰P a t o n 焊接研究所购进的U E 2 0 5 实验室型E B ．P V D 设备的 外形及工作原理示意囤该设备主真空室尺寸为7 0 m n m ×7 0 0 m mx 7 0 0 m m ，配备4 把电子枪．可进行双源 同时蒸发，三个水冷铜坩埚直径分别是0 6 5 皿m ．@ 5 0 r a m ，@ 5 0 r a m 。

蒸发材料通过连续送料机构进行补给， 在可绕水平轴旋转的支架上安装基扳用于蒸发沉积的电子枪为直型枪．每个枪的最大功率均为4 0 K W ． 采用P i l l e s 系统阴极灯丝为细条状钨片，灯丝电流为8 0 - - 1 2 0 A ．聚焦加速电压为2 0 K V ．电子束流可运 2 A 该设备采用计算机控制．电子束的束流柬斑大小和束斑的移动均由计算机操作完I 茈，2E B ．P V D 热障潦层热障诛屡( T h e r m a lb a r T i 日c o a t i n g s ，简称T B C s ) 是为满足航空发动机发展篙要于2 0 世纪6 0 年代开发 出的一种表面防护技术．它由隔热性能优良的陶瓷层和起粘结作用的金属底层组成“1 陶瓷层具有很好的 踊热效果．且硬度高、耐冲蚀、化学稳定性好，而金属牯结层可咀大大降低陶瓷层和基体台金之间的热不 匹配，同时还能起到抗高温氧化的作用．通过电子束物理气相沉积技术将陶瓷层和金属粘结层沉积在热端 部件表面，能太大提高热端部件例如航空发动机叶片等的耐高温和抗氧化性能美国宇航局( N A S A ) 研 究表明．通过采用T B C s 技术．可蛆显著提高发动机推力( 工作温度提高1 4 4 1 5 K ，总推力增加I ～2 ％) ：同时可以有效降低热端部件的工作温度，大幅度提高发动机寿命( 表面温度每降低1 4 K ，相当于提高工件 寿命一倍) ：此外采用T B C s 还可以降低耗油量．节省燃料以及提高涂层耐冲刷和氧化腐蚀能力。

T B C s在航空、航天、兵器、船舶以及民用等多领域具有广泛的应用前景．美国近十年内T B C 年增长率达到了 2 5 ％以上．E B - P V D 技术是一种新辩技术，虽然工艺设备昂贵．加工成本较高，但由于它具有沉积速率高、；! 舞层 琅密且为柱状晶结构、几乎所有金属和陶瓷掾层都可以在相对较低的温度下沉积等诸多优点．现已经成为2 0 0 9 年全目热畸滁拄车经验交流会论文集了热障涂层的最重要的制备拄术之一21E B ．P V D 热障j 崇层的结构E B - P V D 热障涂层结构有多种，包括双层结构、梯度结构和多层结构，其中应用最为广疰的是双层结 构热障涂层双层结构热障涂层由陶瓷顶层和金属粘结层构成陶瓷层主要起隔热作用，金属粘结层主要 作用是缓解基体与陶瓷层之间的热膨胀不匹配，以及提高基体的抗高温氧化腐蚀性能．在实际工作环境中， 牯结层一陶瓷层界面将形成一层氧化层( T a e r m a n yG r o w dO x i d e s ，T G O ) ，其主要成分为a - A I 舯O进而抑 制氧元素进一步向涂层内部扩散”哪研究表明，电子束物理气相T B C s 与等离子喷涂T B C s 相比具有以下 优势：( 1 ) 柱状晶结构使E B ．P V D 涂层具有更高的应变容限，热循环寿命比等离子T B Q 提高近8 倍： ( 2 ) 涂层更致密，抗氧化和热腐蚀性能更好：( 3 ) 淙层的界面以化学结合为主，结合力显著增强：( 4 ) 表面光洁度更高，有利于保持叶片的空气动力学性能；( 5 ) 需要控制的涂层制备工艺参数较少，而且通 过改变工艺参数还可以控制脂瓷层的结构。

图3E B ．P V D 双层结构热障涂层戤面形貌F i g ．3C r o s s - s e c t i o no f t r a d i t i o n a lt w o - l a y e r e dT B Cp r o d u c e d 畸E B - P V D图4E B —p V D 锑度热障涂层蕺面形貌¨2 1F i f r 4C r e s s - s e c t i o no f g r a d i e n t t h e r m a l b a r r i e rc o a t i n g s f a b r i c l t e db y E B - P V D双层结构热障溶层结构相对简单，制备工艺稳定成熟，目前已经广泛应用于航空发动机高压涡轮导向 叶片和工作叶片．图3 所示为典型的电子束物理气相沉积双层结构热障涂层的截面形貌外层为陶瓷。