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Rare Metals 2024年第7期43卷 3329-3340页

作者： Zi-Yue Yu Liang-Liang Wei Xing-Ye Guo Bao-Peng Zhang Qing He Hong-Bo Guo School of Materials Science and Engineering Beihang University Key Laboratory of High-Temperature Structure Materials and Protective Coatings (Ministry of Industry and Information Technology) Beihang University Surface Engineering Research Institute Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences

Thermal barrier coatings（TBCs） applied in aeroengines tend to be attacked by molten calcia-magnesiaalumino-silicate（CMAS） at high operating temperatures.Yttria-stabilized zirconia（YSZ） coatings with quasicolumnar microstructure were fabricated by plasma spray physical vapor deposition（ps-pvd） technique.The chemic al changes,micros tructural transform ation,mechanical properties and degradation mechanisms of the CM AS-interacted TBCs in the thermal cycling tests were investigated.Feathered YSZ grains were dissolved in the CMAS melts,and then the ZrO2grains were reprecipitated with spherical shape,accompanying with phase transformation from tetragonal（t） to monoclinic（m）.The thermal cycling tests reveal that the YSZ coating fails at the early stage due to the attack of CMAS.The fractures in intracolumns lead to partial spallation of the coatings.The failure of the coating occurs at the interfaces between thermally grown oxides（TGO） layer and YSZ topcoat;especially,the hardness and Young's modulus of the YSZ coatings increase intensively,as the coatings were infiltrated by the CMAS for a long time.

关键词： CMAS Thermal barrier coatings Young’s modulus Thermal cycling behavior ps-pvd

7YSZ coating prepared by ps-pvd based on heterogeneous nucleation

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Chinese Journal of Aeronautics 2018年第4期31卷 820-825页

作者： Ziqian DENG Xiaofeng ZHANG Kesong ZHOU Min LIU Chunming DENG Jie MAO Zhikun CHEN School of Materials and Energy Guangdong University of Technology Guangzhou 510006 China National Engineering Laboratory for Modern Materials Surface Engineering Technology & the Key Lab of Guangdong for Modern Surfuce Engineering Technology Guangdong Institute of New Materials Guangzhou 510650 China School of Materials Science and Engineering South China University of Technology Guangzhou 510640 China

Plasma spray-physical vapor deposition（ps-pvd） as a novel coating process based on low-pressure plasma spray（LPps） has been significantly used for thermal barrier coatings（TBCs）.A coating can be deposited from liquid splats, nano-sized clusters, and the vapor phase forming different structured coatings, which shows obvious advantages in contrast to conventional technologies like atmospheric plasma spray（Aps） and electron beam-physical vapor deposition（EBpvd）. In addition, it can be used to produce thin, dense, and porous ceramic coatings for special applications because of its special characteristics, such as high power, very low pressure, etc. These provide new opportunities to obtain different advanced microstructures, thus to meet the growing requirements of modern functional coatings. In this work, focusing on exploiting the potential of gas-phase deposition from ps-pvd, a series of 7 YSZ coating experiments with various process conditions was performed in order to better understand the deposition process in ps-pvd, where coatings were deposited on different substrates including graphite and zirconia. Meanwhile, various substrate temperatures were investigated for the same substrate. As a result, a deposition mechanism of heterogeneous nucleation has been presented showing that surface energy is an important influencing factor for coating structures. Besides, undercooling of the interface between substrate and vapor phase plays an important role in coating structures.

关键词： 7YSZ Deposition mechanism Heterogeneous nucleation ps-pvd TBC

ps-pvd用CeO_(2)掺杂8YSZ团聚粉末及其涂层

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航空材料学报 2022年第1期42卷 50-58页

作者：牛少鹏李昕邓春明孙耀宁宋进兵王超黄益聪曾威戴红亮黄科刘敏广东省科学院新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广东省现代表面工程技术重点实验室广州510650 新疆大学机械工程学院乌鲁木齐830046

在纳米ZrO_(2)-8%Y_(2)O_(3)(摩尔分数)(8YSZ)粉末中掺杂20%(质量分数)微米级CeO_(2)粉末,并通过喷雾干燥合成CeO_(2)-8YSZ(CYSZ)复合团聚粉体。借助激光粒度仪和扫描电镜(SEM)及附带能谱仪(EDS)考察羧甲基纤维素黏结剂(carboxymethyl cellulose,CMC)质量分数对复合团聚粉体性能影响。采用ps-pvd制备具有柱状结构的CYSZ热障涂层,对涂层截面和表面进行EDS分析。采用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(Xps)分析涂层物相。结果表明:黏结剂质量分数达到2%时可获得球形度高、粒度分布均匀的团聚粉体;制备的涂层中Ce元素呈均匀分布;涂层物相基本为t-相结构,其中Ce^(4+)取代Zr^(4+)进入ZrO_(2)晶格形成类质同象的固溶体结构,显示出CeO_(2)掺杂对t-相向m-相转变的抑制作用;所制备CYSZ涂层在1100℃,水冷循环100次后仍保持完整,展现出较高的抗热冲击性能。

关键词： CeO_(2)掺杂喷雾干燥团聚粉末 ps-pvd

喷枪尺寸结构对ps-pvd射流和涂层的影响

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喷枪尺寸结构对PS-PVD射流和涂层的影响

作者：邵祉谏沈阳工业大学

学位级别：硕士

等离子喷涂-物理气相沉积(ps-pvd)结合了等离子喷涂(ps)和电子束物理气相沉积(EB-pvd)的优势,被公认为最具发展潜力的先进航空发动机热障涂层制备技术之一。ps-pvd技术能够制备高性能的柱状热障涂层的关键在于等离子射流实现了喷涂粉末... 详细信息

等离子喷涂-物理气相沉积(ps-pvd)结合了等离子喷涂(ps)和电子束物理气相沉积(EB-pvd)的优势,被公认为最具发展潜力的先进航空发动机热障涂层制备技术之一。ps-pvd技术能够制备高性能的柱状热障涂层的关键在于等离子射流实现了喷涂粉末气化。随着提升涂层性能变得愈发困难,需要更加深刻地认识ps-pvd等离子射流特性,以获得性能更加优异的涂层。等离子喷枪阳极作为等离子喷枪的核心部件,其尺寸结构直接影响着等离子射流特性。为探索喷枪阳极对等离子射流特性及涂层结构与性能的影响,本文从喷枪阳极结构设计着手,通过自制三种不同尺寸结构的等离子喷枪阳极(#1、#2、#3),沉积获得羽柱状涂层,结合光谱诊断(OES)和数值模拟,分析等离子射流特性及射流中粉末气化情况;利用X射线衍射仪、扫描电镜、纳米压痕等检测手段,表征涂层的相组成、微观结构和力学性能;通过拉伸实验、热震实验和粒子冲刷实验测试涂层的结合强度、热震性能和抗冲刷性能。主要研究结果如下:(1)不同结构的等离子喷枪阳极对ps-pvd等离子射流特性和粒子气化有较大的影响。#1、#2和#3阳极产生的等离子射流中,#3阳极的射流宽度最窄。OES研究结果显示,未送粉时#3阳极的等离子射流电子密度和电子温度分别为1.57×10/cm和3470.70K,数值均高于#1和#2阳极,送粉后,射流中电子密度和电子温度均有不同程度的下降,其中#3阳极的射流降幅最大。结合计算机数值模拟计算结果,可知#3阳极的射流中7YSZ粉末气化最充分。(2)#1、#2和#3阳极获得的涂层均呈现出典型的羽毛柱状结构,且涂层相组成无明显差异。#3阳极能够显著提高涂层的沉积效率,最高可达0.51μm/pass。纳米压痕结果显示,三种涂层各生长层的硬度都是自下而上逐渐上升,且变化较小。其中,#3阳极制备的涂层平均硬度和平均杨氏模量最高,分别达到了13.57GPa和166.84GPa。(3)#3阳极制备的涂层具有更优异的结合强度、热震、抗冲刷性能。实验结果显示,#3阳极制备的涂层结合强度最为优异,为54.5MPa;#3阳极制备的涂层经过200次热震实验后,没有出现大面积剥落,仅在边缘发现细小的裂纹,且中心区域保持良好;当粒子冲刷实验耗砂量达到100g后,#3阳极制备的涂层在冲刷过程中表现出最低的冲刷速率,并且失重量也仅为0.15g。

关键词：热障涂层等离子喷枪 ps-pvd 等离子射流特性羽柱状结构

8YSZ团聚粉体压溃强度及其对ps-pvd沉积行为的影响研究

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热喷涂技术 2022年第3期14卷 46-57页

作者：张雨生由晓明何箐中国农业机械化科学研究院集团有限公司北京100083 北京金轮坤天特种机械有限公司北京100083

等离子物理气相沉积(ps-pvd)作为一种热障涂层新型制备技术,受到国内外的广泛关注。ps-pvd工艺采用细小球形团聚粉体为原料,原料在高温高速等离子射流中瞬时加热-熔融-气化,这一复杂过程中粉体-等离子体射流相互作用机理尚未完全揭示,... 详细信息

等离子物理气相沉积(ps-pvd)作为一种热障涂层新型制备技术,受到国内外的广泛关注。ps-pvd工艺采用细小球形团聚粉体为原料,原料在高温高速等离子射流中瞬时加热-熔融-气化,这一复杂过程中粉体-等离子体射流相互作用机理尚未完全揭示,特别是粉体颗粒在高温高速射流中快速溃散气化过程研究较少。本文研究了细小球形团聚粉体的压溃强度测试方法,进而对不同粘结剂类型、含量、不同颗粒尺寸的粉体压溃强度进行表征,研究了粉体特性对压溃强度影响规律,并系统分析了粉体沉积效果。结果表明,随着粉体颗粒尺寸的增大,其压溃强度呈现逐步降低趋势,不同特性粉体趋势不同;粘结剂类型变化、特别是一定含量纳米尺度颗粒的存在,会增大粉体压溃强度,一定范围内粉体压溃强度越高,涂层沉积速率越高。

关键词： ps-pvd 热障涂层粉体压溃强度

ps-pvd用8YSZ纳米团聚粉末的制备及其对热障涂层的影响

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PS-PVD用8YSZ纳米团聚粉末的制备及其对热障涂层的影响

作者：殷建安华南理工大学

学位级别：硕士

热障涂层(TBCs)是先进航空发动机核心部件的关键技术,随着航空发动机向着高推重比发展,高性能热障涂层的需求也大大增加。等离子喷涂-物理气相沉积技术(ps-pvd)由于兼具大气等离子喷涂(Aps)和电子束-物理气相沉积(EB-pvd)技术的优势,是... 详细信息

热障涂层(TBCs)是先进航空发动机核心部件的关键技术,随着航空发动机向着高推重比发展,高性能热障涂层的需求也大大增加。等离子喷涂-物理气相沉积技术(ps-pvd)由于兼具大气等离子喷涂(Aps)和电子束-物理气相沉积(EB-pvd)技术的优势,是目前最热门也最具发展潜力的热障涂层制备技术。目前ps-pvd沉积热障涂层的应用已经有了一定的成果,但主要集中在工艺改进和涂层性能表征上,粉末本征特性对涂层结构和性能的影响的研究较少。基于此,本文展开对ps-pvd用YSZ纳米团聚粉末可控制备的研究。本文采用喷雾干燥法制备8YSZ纳米团聚粉末,并研究了聚丙烯酸(PAA,分散剂)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP,粘结剂)和固含量对团聚粉末的影响。之后采用ps-pvd制备热障涂层,并研究了团聚粉末粒径和原始晶粒尺寸对涂层结构和性能的影响。主要研究成果如下:(1)随着PAA含量的增加,悬浮液粘度先降低后增大;PAA添加量为6 wt.%且pH值为6.4时具有最大Zeta电位33.6 mV,分散效果最好。PVP含量增加,悬浮液粘度增大;增加PVP添加量有利于提升团聚粉末球形度和粒度。固含量主要影响团聚粉末的粒度:固含量低时液滴中固相含量少,难以团聚成球;固含量高时粉末致密且粒度大。当固含量大于35 wt.%时团聚粉末流动性满足ps-pvd送粉要求。(2)团聚粉末沉积后涂层包括致密层和柱状层,柱状层结合强度小于致密层,但杨氏模量和压痕硬度大于致密层。涂层厚度随团聚粉末粒度增大而增大;结合强度随团聚粉末粒度增大而降低,失效形式以沿晶断裂、内聚失效为主;涂层抗热震及抗高温氧化能力随着厚度增加而变好。且由于致密层中大量纳米等轴晶缓释热应力,高温氧化200h后涂层中TGO最厚达16.5μm但仍未开裂失效。(3)随着原始晶粒尺寸增大,团聚粉末所沉积涂层厚度增大但涂层结合强度下降、致密层减薄,当原始晶粒尺寸为150 nm时致密层基本消失,此时涂层截面底部和顶部压痕硬度和杨氏模量趋于均匀。当原始晶粒尺寸为150 nm时,高温氧化200 h后涂层中TGO厚度降低至3.6μm,但由于无致密层缓释应力,在界面处出现贯穿裂纹。(4)团聚粉末粒度变化不影响气化效率。原始晶粒尺寸变化则会改变粉末气化效率:随着原始晶粒尺寸增大,颗粒在等离子流中径向受力改变,进入焰流中心的粉末粒子增多,粉末气化效率提高。本文中热障涂层的沉积主要是气相粒子冷凝形成团簇纳米等轴晶后在基体表面长大的过程。气相浓度高团聚晶长大充分,致密层薄,柱状晶细长均匀;气相浓度低团簇晶难以长大,柱状晶优先在液相YSZ和球形颗粒表面生长,柱状晶呈短粗状。

关键词： ps-pvd 8YSZ粉末喷雾干燥柱状涂层气化效率

ps-pvd等离子射流特性和YSZ粉末蒸发行为的光谱诊断

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材料研究与应用 2019年第4期13卷 287-294页

作者：张岩邓畅光毛杰邓子谦罗志伟中南大学材料科学与工程学院湖南长沙410083 广东省新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广东省现代表面工程技术重点实验室广东广州510650

采用ps-pvd工艺在不同送粉速率下沉积YSZ陶瓷涂层,通过光学发射光谱(OES)对不同送粉速率下的等离子射流特性进行诊断,同时分析光谱发射强度分布并计算出等离子射流平均温度及电子密度值,结合射流照片以及涂层微观结构研究不同送粉速率下... 详细信息

采用ps-pvd工艺在不同送粉速率下沉积YSZ陶瓷涂层,通过光学发射光谱(OES)对不同送粉速率下的等离子射流特性进行诊断,同时分析光谱发射强度分布并计算出等离子射流平均温度及电子密度值,结合射流照片以及涂层微观结构研究不同送粉速率下YSZ粉末在射流中的加热蒸发行为.研究结果表明:少量粉末通入后几乎全部被加热蒸发,大量处于高激发态甚至发生电离,射流温度较低但保持着较高电子密度;气相状态下涂层沉积速率很低,涂层多为单根柱状晶且宽大,直接由纳米柱状晶组成;增大粉末送粉速率,射流高温区发生宽化,粉末蒸发量提高,但射流的能量不再足以蒸发所有粉末,会存在少量未融颗粒.气相、团簇甚至熔融粒子共同作用下的混合相沉积使得沉积效率迅速增大.表面扩散较不充分,单根柱状晶尺寸变窄,在固体颗粒与阴影效应的共同作用下产生分支.

关键词： OES ps-pvd 热障涂层 YSZ粉末蒸发等离子射流特性

不同粘结层材料的ps-pvd热障涂层热震性能

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材料研究与应用 2019年第1期13卷 8-14页

作者：毛杰刘飞邓子谦邓春明刘敏曾德长梁兴华广东省新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广东省现代表面工程技术重点实验室广东广州510650 华南理工大学材料科学与工程学院广东广州510641 广西科技大学广西柳州545006

为探索不同粘结层材料对等离子喷涂-物理气相沉积(ps-pvd)YSZ陶瓷层的热震性能的影响,采用ps-pvd工艺在DZ40M高温合金上制备了NiCoCrAlYTa和NiCrAlY两种不同的金属粘结层及YSZ陶瓷层,用SEM及XRD等方法表征两种粘结层表面沉积的YSZ陶瓷... 详细信息

为探索不同粘结层材料对等离子喷涂-物理气相沉积(ps-pvd)YSZ陶瓷层的热震性能的影响,采用ps-pvd工艺在DZ40M高温合金上制备了NiCoCrAlYTa和NiCrAlY两种不同的金属粘结层及YSZ陶瓷层,用SEM及XRD等方法表征两种粘结层表面沉积的YSZ陶瓷层的形貌结构、显微硬度及物相,研究了两种涂层的1100℃水淬热震性能及失效模式.结果表明:ps-pvd制备的NiCoCrAlYTa和NiCrAlY两种粘结层均非常致密,陶瓷层均为典型羽毛型柱状结构;NiCoCrAlYTa-7YSZ和NiCrAlY-7YSZ两种羽柱状陶瓷层的孔隙率分别为16.1%和16.5%,显微硬度HV0.025分别为615.8和683.6;陶瓷层的形貌结构及孔隙率、硬度等基本性能,对粘结层成份差异不敏感.1100℃水淬试验结果表明,NiCrAlY-7YSZ涂层的抗热震性能优于NiCoCrAlYTa-7YSZ涂层.失效模式是涂层在频繁的低温-高温热循环中羽柱状陶瓷层内部裂纹萌生和扩展,以及表面花菜头先剥落形成点蚀坑.随着热震次数增加,更多的点蚀坑随机出现并扩大,进而相连后形成大面积剥落区.

关键词： ps-pvd 金属粘结层 YSZ陶瓷层热震性能点蚀

ps-pvd工艺中的气相及气/液混合沉积行为

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热喷涂技术 2016年第1期8卷 44-50页

作者：陈清宇李成新杨冠军李长久西安交通大学材料科学与工程学院金属材料强度国家重点实验室西安710049 九江学院机械与材料工程学院九江332005

为明确低功率等离子喷涂物理气相沉积(ps-pvd)工艺中涂层的沉积机制,通过80k W级等离子喷涂系统在100Pa压力下实现ps-pvd工艺,并在圆柱状基体上沉积涂层。采用SEM对正面和侧面沉积的涂层显微组织结构进行分析。研究不同工艺条件下涂层... 详细信息

为明确低功率等离子喷涂物理气相沉积(ps-pvd)工艺中涂层的沉积机制,通过80k W级等离子喷涂系统在100Pa压力下实现ps-pvd工艺,并在圆柱状基体上沉积涂层。采用SEM对正面和侧面沉积的涂层显微组织结构进行分析。研究不同工艺条件下涂层显微组织的变化规律。结果表明涂层在侧面的沉积表现为气相沉积特性,涂层断面为柱状结构,表面为纳米结构粒子组成的岛状结构;涂层在正面的沉积表现为气/液混合沉积特性,涂层表面为扁平粒子和由纳米结构粒子组成的团簇组织,断面主要为扁平粒子结构,在扁平粒子中间存在纳米结构层。功率增大,气相沉积的柱状结构直径和长度增大,表面岛状结构尺寸增大,气/液混合沉积的扁平粒子数量明显减小。喷涂距离增大,气/液混合沉积的扁平粒子数量减小。结论是在涂层沉积侧面和正面分别表现为气相沉积和气/液混合沉积特性。在气/液混合沉积中,气相和液相沉积行为各自独立,但液相由于沉积效率远高于气相,会阻止气相沉积的连续进行。功率增大YSZ粒子气相含量增大,气相沉积效率显著增大。在试验范围内随喷涂距离增大,YSZ粒子气化程度提高。

关键词： ps-pvd 气相沉积气/液混合沉积 YSZ 显微结构沉积机制

尖端结构对ps-pvd YSZ涂层沉积的影响

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材料研究与应用 2021年第1期15卷 1-8页

作者：李荣久邓畅光胡永俊毛杰邓子谦邵祉谏广东工业大学材料与能源学院广东广州510006 广东省科学院新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广东省现代表面工程技术重点实验室广东广州510650

采用等离子喷涂-物理气相沉积(ps-pvd)技术在设计的尖端结构试样表面制备了YSZ涂层,研究了YSZ涂层在尖端不同区域的形貌、厚度、孔隙率和微区力学性能的差异.结果表明:尖端部位各区域涂层呈现羽柱状结构,在涂层生长过程中柱状晶之间会... 详细信息

采用等离子喷涂-物理气相沉积(ps-pvd)技术在设计的尖端结构试样表面制备了YSZ涂层,研究了YSZ涂层在尖端不同区域的形貌、厚度、孔隙率和微区力学性能的差异.结果表明:尖端部位各区域涂层呈现羽柱状结构,在涂层生长过程中柱状晶之间会因生长的空间受限而存在“挤压”竞争效应,尖端边角的几何特性会削弱“挤压”竞争效应,因此其涂层厚度远高于尖端其他区域;此外,尖端尖角附近的涂层羽柱状结构呈放射状,并沿基体表面法线方向向上生长;纳米压痕表明涂层硬度由顶部至底部呈现逐渐下降趋势,这与涂层结构和残余应力相关;尖端结构的尖角区域涂层微区硬度,显著高于尖端两侧区域;结合数值模拟分析结果发现,半封闭型面会导致等离子射流紊乱度上升,由于不同方向等离子体存在“卷流”和“冲击”现象,其对应沉积的涂层厚度下降,孔隙率上升.

关键词： ps-pvd 尖端结构羽柱状结构等离子射流纳米压痕