熱障涂層（TBCs）可以大幅提升航空發(fā)動機(jī)壽命和效率，其技術(shù)路線主要包括超音速火焰噴涂（HVOF）、等離子噴涂、激光化學(xué)氣相沉積以及電子束物理氣相沉積（EB-PVD）。圣戈班（Saint-Gobain）在TBCs應(yīng)用方面積累了大量客戶和技術(shù)，認(rèn)為EB-PVD優(yōu)勢明顯，并對其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。

航空航天部件用熱障涂層

高壓燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子葉片是典型的高負(fù)荷部件，運行條件下達(dá)到每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)之多。即便是鎳基高溫合金也會在長期高溫工況下處于蠕變風(fēng)險，并且會明顯氧化疲勞。TBC有助于延長燃?xì)廨啓C(jī)部件的使用壽命，因為它們在保護(hù)底層鎳基高溫合金免受高溫和氧化的影響。目前，高性能TBC是滿足當(dāng)前和日益增長的對更強大、更高效、適合在高溫下運行的發(fā)動機(jī)的需求的唯一解決方案。

氧化釔/氧化鋯陶瓷具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)，使其能夠保持較大的溫度梯度，而航空航天熱障涂層通常由厚度為100μm至2 mm的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷層組成。在陶瓷和底層合金之間沉積一層金屬粘結(jié)層（通常是一種MCrAlY型合金），以幫助保護(hù)基底免受腐蝕和氧化，同時將陶瓷粘合到部件上。

電子束物理氣相沉積

EB- PVD示意圖

EB- PVD技術(shù)，是電子束與物理氣相沉積技術(shù)相互滲透而發(fā)展起來的先進(jìn)表面處理技術(shù)，它以電子束作為熱源的一種蒸鍍方法，其蒸發(fā)速率較高，幾乎可以蒸發(fā)所有物質(zhì)，而且涂層與工件的結(jié)合力非常好。如示意圖圖所示，該設(shè)備的工作原理首先是將設(shè)備真空度通過真空泵抽取真空，達(dá)到一定的真空度要求后，電子槍在高壓作用下開始發(fā)射電子束，電子束通過磁場或電場聚焦在水冷坩堝中被蒸發(fā)的錠子上，利用電子束的能量加熱并汽化蒸發(fā)源材料。光束的能量將噴射出的原子轉(zhuǎn)換成氣態(tài)，在視線范圍內(nèi)的任何材料上形成一層涂層，并沉積成一層薄的固體層。（但是其設(shè)備成本很高，相對便宜的烏克蘭設(shè)備價格也在一千萬元以上，而歐美高端設(shè)備的價格則過億。）

EB-PVD用于TBC生產(chǎn)的關(guān)鍵優(yōu)勢與由此產(chǎn)生的涂層性能有關(guān)，這與其他方法生產(chǎn)的涂層不同。通過EB-PVD制備的tbc具有柱狀晶體結(jié)構(gòu)，向材料傳遞一定程度的偽塑性。這種偽塑性轉(zhuǎn)化為對剝落、應(yīng)變和熱沖擊的耐受性提高，最終確保顯著延長使用壽命。

不足之處

EB-PVD的不足之處包括其沉積速率較低，涂層的熱導(dǎo)率高，受各元素飽和蒸氣壓影響，當(dāng)涂層材料成分復(fù)雜時，材料的成分控制較困難，也就是說它會受到所用鑄錠質(zhì)量的顯著影響。

鑄錠中的變化或不一致會導(dǎo)致有問題的涂層厚度偏差，稱為“噴口和凹坑”。 當(dāng)小液滴從熔池中噴出，最終留在鑄錠上時，就會出現(xiàn)噴濺。凹坑是這些液滴形成的空隙。這些缺陷會導(dǎo)致涂層不一致，這通常會導(dǎo)致大量的修復(fù)成本。而圣戈班在開發(fā)可穩(wěn)定蒸發(fā)的高性能鑄錠方面積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗。

編譯整理 YUXI