[发明专利]一种等离子物理气相沉积用热障涂层粉末及其制备方法

说明书

本发明公开了一种等离子物理气相沉积用热障涂层粉末及其制备方法。该粉末具有双相结构和高开孔率，粉末使用纳米级粉末A和微米级粉末B团聚造粒获得，粉末B和粉末A的质量比为1:1～3:1，其中粉末A球磨分散后，加入粉末B，使用离心喷雾干燥或二流体喷雾干燥方式进行团聚造粒，最终粉末经过烘干、筛分、检验后获得喷涂粉末。喷涂粉末的松装密度为1.0～1.3g/cm³，振实密度为1.1～1.5g/cm³，粒度范围为5～25μm，粉末具有粗细颗粒搭配的高开孔率结构。本发明在PS‑PVD工艺中可稳定输送，同时由于高开孔率，粉末在喷枪出口位置，快速实现粘结剂挥发和团聚粉末分散，使得小颗粒粉末在等离子体中心位置获得良好的加速、熔融和气化效果，保证高性能PS‑PVD涂层的制备。

技术领域

本发明涉及一种制备热喷涂陶瓷层粉末及其制备的方法，更特别的是，利用粗、细颗粒搭配，形成双相结构和高开孔率的细团聚粉末，满足新型等离子物理气相沉积制备特殊结构热障涂层的需求。

背景技术

热障涂层(Thermal Barrier Coating，TBC)被广泛应用于燃气涡轮发动机热端部件表面，其具有良好的隔热、抗高温氧化和腐蚀性能，会显著提高热端部件服役温度和服役寿命。现代燃气涡轮发动机由于追求更高热效率或推重比，涡轮前温度不断提高，目前先进燃气涡轮发动机涡轮前温度已经高达1400℃，即使使用先进的冷却结构设计技术，高压涡轮叶片表面温度也超过了合金使用温度，必须使用热障涂层技术对叶片进行防护延寿。

目前获得批量应用的热障涂层制备技术主要有大气等离子喷涂(Atmosphericplasma spraying，APS)和电子束物理气相沉积(Electron-beam physical vapourdeposition，EB-PVD)，其中大气等离子喷涂原料通常为D₅₀在几十微米的球形或近球形粉末，具有一定的流动性和松装密度，可以获得层状结构的涂层；电子束物理气相沉积工艺主要使用陶瓷靶材，稳定蒸发靶材获得蒸汽沉积形成柱状晶结构涂层。等离子物理气相沉积技术(Plasma spraying-physical vapour deposition，PS-PVD)是在大气等离子喷涂技术基础上发展而来的可控气氛超低压环境下的喷涂/沉积技术，其利用等离子体在超低压(～100Pa)条件下具有大直径、高速度和长焰流等特点，结合了等离子喷涂熔融/软化沉积和物理气相沉积气化气相沉积工艺的优点，可通过工艺调节实现典型的固-液-气三相复合沉积技术，以实现致密结构(液相为主)、柱状晶结构(气相为主)、层柱状结构(气相为主一定液相，枝晶发达)的特殊结构涂层制备。其中层柱状复合也称为枝晶发达的准柱状晶结构涂层由于具有优异的隔热性能(接近APS涂层)和高的热循环寿命(接近EB-PVD涂层)，被学术界和工程界认为今后最有可能取代传统工艺在复杂多联静叶片表面获得应用的新型涂层。

由于PS-PVD工艺系统仍然保持了大气等离子喷涂的基本原理，除真空系统外，其余电源、送粉器和喷枪等与大气等离子喷涂系统的构成相同，针对PS-PVD工艺超低压工作特点进行适当的发展。PS-PVD工艺制备涂层也需要使用送粉器在一定压力气流下稳定输送粉末至喷枪中阳极内部，PS-PVD喷枪采用阳极内部距离出口端面10mm附近径向双向送粉或四向送粉方式，要求粉末送至阳极内部时不粘附阳极内壁(一定流动性及适宜松装密度、一定的强度)，同时由于柱状晶结构依靠气相沉积获得，粉末在喷枪阳极出口位置能快速分散成细小颗粒，在高速(12500K，200Pa压力下可达3200m/s)、大直径(200-400mm)、长等离子体(最长可达2000mm)中充分的熔融气化，要求粉体具有高开孔率，粉末中粘结剂可以快速挥发、避免闭孔导致的快速烧结、粉末破碎成更细小的颗粒，保证粉末尽可能飞行轨迹在等离子中心位置，并实现良好的加速、熔融和气化，实现高性能PS-PVD热障涂层的制备。