电子束物理气相沉积制备热障涂层研究进展

孙健，刘书彬，李伟，姜肃猛，宫骏，孙超

（1.中国科学院金属研究所 材料表面工程研究部，沈阳 110016；2. 中国科学技术大学材料科学与工程学院，沈阳 110016）

随着航空发动机向着高推重比方向发展，燃烧室的工作温度不断提高，发动机叶片面临更加苛刻的服役环境，对于发动机叶片性能的要求越来越严格。镍基高温合金叶片的最高使用温度只有1100 ℃，已经无法达到现代航空发动机的使用要求。因此除了改进高温合金叶片的冷却系统以外，在叶片表面沉积一层热障涂层（TBCs，Thermal Barrier Coatings），可以有效地降低高温合金叶片的温度[1-4]。

热障涂层具有较低的热导率、优异的抗氧化和抗热腐蚀性能，目前已经被广泛应用于航空发动机的热端部件。典型的TBCs主要有以下两部分组成：金属粘结层（BC，Bond Coating），通常为MCrAlY、NiAl和PtAl等涂层；陶瓷层（TC，Top Coating），一般为7%～8% Y2O3稳定的 ZrO2（YSZ），在高温服役条件下，氧气通过 TC到达 BC表面形成一层热氧化层（TGO，Thermally Grown Oxide）[5-6]。等离子喷涂（APS）和电子束物理气相沉积（EB-PVD）是制备热障涂层的常用方法。除此之外，等离子物理气相沉积（PS-PVD）是在等离子喷涂和物理气相沉积基础上发展起来的制备热障涂层的新方法，对于PS-PVD的研究在国内外仍处起步阶段，一些学者对PS-PVD制备的热障涂层进行了相关的研究[7-11]。图1[12]为采用EB-PVD和APS方法制备的热障涂层的横截面形貌。EB-PVD制备的 TBCs为柱状晶结构，APS制备的TBCs为片层状结构。根据报道，EB-PVD制备的TBCs的抗脱落寿命比APS制备的TBCs提高约7倍[13]。

图1 热障涂层截面形貌

EB-PVD 技术具有以下特点[14]：1）蒸发速率较高，随着高功率电子枪的出现，对材料的加工能够达到较高的温度，几乎可以蒸发所有物质，为制备任意组分的涂层提供可能；2）电子束电流大小易于调节、束斑尺寸和位置易于控制，有利于精确控制涂层的厚度和均匀性；3）使用电子束加热工件时，工件升温速率快，能迅速到达最优沉积温度；4）在真空条件下制备，可以避免涂层被污染和氧化，从而得到质量较高的涂层；5）可以采用多电子枪、多坩埚蒸镀，制备不同体系的多层结构或者梯度结构的涂层；6）与其他蒸镀方法相比，蒸发速率和沉积速率高，而且涂层与基体之间的结合力高。

1 EB-PVD设备的组成和基本工作原理

1.1 主真空室

主真空室是EB-PVD设备的主要组成部分，位于EB-PVD设备的中间位置。在主真空室上面是电子枪室，副真空室位于主真空室的一侧，在主真空室下面是放置靶材的水冷铜坩埚和靶材升降机构。EB-PVD设备的主要组成部分如图2所示[12,15]。

图2 EB-PVD设备结构

涂层沉积的整个过程在主真空室中完成。工件从主真空室一侧的副真空室经过插板阀由送样机构运送到真空室的靶材上方。工件由水平旋转机构带动进行转动，使电子束能够均匀地轰击到工件表面，且使工件各个面受热均匀，并沉积上涂层。随着沉积的进行，可以通过靶材的升降和自转机构来补充靶材的消耗。

1.2 电子枪

电子枪是EB-PVD设备最核心的部件，其主要作用是产生电子束对靶材和工件进行加热。电子枪主要由阴极、聚焦系统和偏转线圈组成。它工作时，阴极发热发射大量电子，电子在高压静电场中受到加速，然后再经过聚焦系统进行聚焦，形成能量密度极高的电子束。高能电子束偏转一定角度后，轰击水冷铜坩埚中的靶材或者材料表面。

2 EB-PVD热障涂层的主要影响因素

2.1 工件转速

Wada等[16]采用EB-PVD方法制备了热障涂层，并研究了工件转速对涂层晶粒取向、表面形貌和截面形貌的影响。结果表明，工件的转速对涂层的结构和形貌具有很大的影响：当工件静止时，形成的涂层比较致密，而且不是柱状结构，涂层的择优取向为（111）方向；当工件转速为1 r/min时，涂层为波纹形的柱状结构，表面为棱锥形结构，择优取向为（200）方向；当工件转速提高到10 r/min时，涂层为典型的柱状结构，表面也为棱锥形结构，择优取向为（200）方向。

Jang等[17]也研究了工件转速对YSZ涂层的结构和表面粗糙度的影响。结果表明，随着工件转速的提高，涂层的截面形貌由致密的柱状结构变成羽毛状的柱状结构，而且柱状晶的宽度、涂层的表面粗糙度以及孔隙率随着工件转速的提高而增加。当转速由0 r/min增加到20 r/min时，在距离基体200 μm处测定柱状晶的宽度，柱状晶的宽度由4 μm增加到6 μm；涂层表面的粗糙度由2 μm增加到7 μm；涂层的孔隙率由20%增加到26%。由于工件旋转引起的靶材蒸汽入射角连续变化而产生的阴影效应是造成以上结果的主要原因。

Liu等[18]在不同工件转速条件下制备了 YSZ涂层，并测定了涂层的密度和热导率。随着工件转速的提高，涂层的密度和热导率都减小。当转速由0 r/min增加到20 r/min时，涂层密度由5.5 g/cm3降低到4.75 g/cm3；涂层的热导率由 2.0 W/(m·K)降到 1.37 W/(m·K)。Jang等[19]也发现，在工件旋转条件下所制备YSZ涂层的热导率比在工件静止条件下小。

2.2 工件温度

工件温度对涂层的结构有重要的影响，蒸发靶材粒子的动能来自于粒子脱离靶材熔池时的初始动能，涂层和工件的结合力主要取决于工件的温度。Movchan等[20]研究了工件温度对涂层结构的影响，并且提出了工件温度与涂层结构的区间模型。Ts为工件的温度，Tm为靶材的熔点，根据Ts和Tm比值的不同，涂层的结构分为三个区间。当 Ts/Tm＜0.3时，工件温度偏低，靶材原子的扩散能力差，形成较粗大的圆锥状晶粒结构；当 0.3＜Ts/Tm＜0.5时，靶材原子的扩散能力提高，形成相互平行的柱状晶结构；当Ts/Tm＞0.5时，靶材原子的体扩散为主导，所制备的涂层为等轴晶结构。

Sohn等[21]在不同工件温度条件下制备了YSZ涂层，并且研究了温度对涂层晶粒结构的影响。当温度分别为1173、1373、1403 K时，涂层的择优取向分别为（111）、（311）和（200）方向。由于以上温度的Ts/Tm都在0.3～0.5之间，因此所得到的涂层都为柱状晶结构，但随着温度的升高，柱状晶的尺寸变大。温度为1173 K时，柱状晶的直径为5～7 μm；温度为1373 K时，柱状晶的直径为8～10 μm；温度为1403 K时，柱状晶的直径为 10～12 μm。Renteria等[22]在工件温度为1123 K条件下制备了YSZ涂层，涂层为典型的羽毛形柱状晶结构。笔者课题组在工件温度为1173 K条件下制备的YSZ涂层的截面形貌如图3所示，也为典型的羽毛形柱状晶结构。

图3 采用EB-PVD制备的YSZ涂层截面形貌

2.3 靶材蒸汽入射角度

在涂层沉积的过程中，靶材蒸汽通常沿着直线从熔池表面自由运动到工件表面形核沉积，靶材蒸汽的入射方向和工件表面法线方向的夹角定义为入射角a。涂层柱状晶生长的方向和工件表面法线方向的夹角定义为生长角b。Nieuwenhuizen等[23]研究了a和b之间的关系，并提出了切线定律：2tan b=tan a。当蒸发的靶材原子在工件的某些位置优先形核并形成柱状晶后，会挡住靶材蒸汽原子，使其无法到达工件中某些区域，在生长表面上被遮蔽的区域就会形成空位或者空隙，这种现象叫做阴影效应。

Wada 等[24]分别在靶材蒸汽的入射角为 0°～80°条件下制备了 YSZ涂层，研究了蒸汽入射角对涂层结构的影响。在其他沉积参数相同的条件下，入射角由0°增加到 80°时，涂层的厚度由 400 μm 降低到 70 μm；柱状晶的倾斜角度不断增大，从0°增加到55°。当入射角大于50o时，涂层的孔隙率迅速增大。最终入射角为80°时，涂层的孔隙率接近60%，而且柱状孔隙的尺寸也受到入射角的影响。随着入射角的增大，阴影效应增强，柱状孔隙的尺寸增大[25-26]。在沉积的过程中当工件处于主真空室的不同位置时，也会造成靶材蒸汽入射角的改变，并对涂层的结构产生影响[27]。

2.4 工件表面的粗糙度

工件表面的粗糙度会影响TBCs与工件之间的结合强度，从而影响 TBCs的使用寿命。TBCs最重要的作用就是为发动机热端部件提供保护。在其服役过程中，各种因素相互作用导致其失效脱落，其中高温氧化是造成 TBCs失效的原因之一[28]。Zhang等[29]研究了粘结层表面的粗糙度对TBCs高温循环氧化性能的影响。当粘结层表面的粗糙度分别为3.76、1.57、0.82 μm时，对应的陶瓷顶层的粗糙度分别为2.93、1.71、1.51 μm，由于柱状晶的生长使得陶瓷顶层的粗糙度与粘结层不一致。循环氧化结果表明，随着粘结层粗糙度的增加，TBCs的循环氧化寿命降低，而且粗糙度的增加引起了陶瓷顶层与粘结层之间结合力降低。

2.5 粘结层预氧化

在高温氧化过程中，热障涂层中TGO的厚度会不断增加，这会引起陶瓷顶层和粘结层界面的体积膨胀，导致热应力增加，并且产生褶皱。同时由于陶瓷顶层和TGO的热膨胀系数不匹配，会使陶瓷顶层发生脱落[30-31]。Tolpygo等[32]首先在1150 ℃条件下对粘结层进行预氧化处理，使其表面形成致密的a-Al2O3，然后沉积陶瓷顶层。循环氧化实验结果表明，预氧化处理的粘结层的褶皱程度明显低于未预氧化的粘结层，而且粘结层经过预氧化处理的热障涂层，其循环氧化寿命是未经过预氧化处理的2～3倍。

Matsumoto等[33]也研究了预氧化处理对TBCs循环氧化性能的影响。他们分别在不同的氧气分压条件下对粘结层进行预氧化处理，当氧气分压为 10-12～10-9时，粘结层表面的氧化膜为致密的 a-Al2O3，并且对应的TBCs的循环氧化寿命比未经过预氧化处理和在其他氧分压条件下预处理的TBCs的寿命长。在合适的氧分压条件下进行预氧化处理，初期TGO的晶粒尺寸较大，使得氧原子向内扩散和阳离子向外扩散具有相对较小的晶界面积，最终在循环氧化过程中，TGO的生长速率较慢，TBCs的循环氧化寿命得到提高[34]。

2.6 改性粘结层

在粘结层中添加其他元素，例如 Pt、Hf、Zr等可以提高粘结层的抗高温氧化性能，从而提高 TBCs的性能。Xu等[35]用电镀和化学气相沉积相结合制备的Pt改性NiAl涂层作为粘结层，然后采用EB-PVD沉积陶瓷顶层，并且研究了TBCs的失效机制。Pt改性NiAl涂层表面为典型的网状结构，在循环氧化过程中，选择性氧化发生在凸起的晶界处，在TGO和粘结层界面处容易形成空穴和发生开裂，最终导致陶瓷顶层的脱落主要发生在TGO和粘结层的界面处。Zhou等[36]也发现，以化学气相沉积制备的 Pt改性NiAl涂层作为粘结层的TBCs，在循环氧化之后，陶瓷顶层的脱落主要发生在TGO和粘结层的界面处。

Munawar等[37]采用Hf改性的NiCoCrAlY涂层作为粘结层，循环氧化结果表明，与普通的NiCoCrAlY涂层作为粘结层的TBCs相比较，Hf质量比为0.6%的 NiCoCrAlY涂层作为粘结层的 TBCs的循环氧化寿命有了极大改善，提高了约10倍。Hf改性的粘结层在循环氧化初期迅速形成嵌入到粘结层内部的链条状的被氧化铝包裹的铪的氧化物。Hf对O具有较强的亲和力，在氧化过程中Hf主动向TGO和粘结层的界面扩散。另外，Hf提高了TGO和粘结层之间的结合力，从而提高 TBCs的循环氧化寿命。Saldaña等[38]研究了以Zr改性的NiAlCr为粘结层的TBCs的循环氧化性能，Zr元素的存在抑制了粘结层中铝元素向基体扩散，而且Zr在TGO晶界处偏析抑制氧负离子向粘结层内扩散，从而提高了热障涂层的循环氧化性能。

2.7 双陶瓷顶层

Xu等[39]采用EB-PVD方法制备8YSZ+ La2(Zr0.7-Ce0.3)2O7双陶瓷顶层热障涂层系统，循环氧化结果表明，双陶瓷顶层设计的热障涂层比单层 La2(Zr0.7Ce0.3)2O7和 YSZ涂层具有更高的循环氧化寿命。双陶瓷顶层设计能有效降低粘结层和 La2(Zr0.7Ce0.3)2O7层之间热膨胀系数的不匹配程度，而且双陶瓷顶层涂层的热应力小于单层La2(Zr0.7Ce0.3)2O7和YSZ涂层，因此其具有更优异的循环氧化性能。

Bobzin等[40]制备了 7YSZ、Gd2Zr2O7、La2Zr2O7、7YSZ+Gd2Zr2O7和 7YSZ+La2Zr2O7涂层，Gd2Zr2O7和 La2Zr2O7涂层的热导率都比 7YSZ涂层的低，7YSZ+La2Zr2O7涂层的热导率比 7YSZ涂层低近50%，但是7YSZ+Gd2Zr2O7涂层的热导率比7YSZ涂层高近 50%。1300 ℃恒温氧化结果表明，Gd2Zr2O7和 La2Zr2O7涂层的脱落主要是由于陶瓷层和粘结层的热膨胀系数不匹配造成的，虽然在7YSZ+Gd2Zr2O7和 7YSZ+La2Zr2O7涂层与 TGO的界面处发现NiCrO3、NiCrO4和NiCr2O4等混合氧化物，但是并没有对陶瓷层的稳定性产生影响，7YSZ+Gd2Zr2O7和7YSZ+La2Zr2O7涂层仍然具有较高氧化寿命。

3 结语

热障涂层现已广泛应用于航空、航天和燃气发电等行业，目前热障涂层制备方法以等离子体喷涂（APS）和电子束物理气相沉积（EB-PVD）为主，等离子物理气相沉积（PS-PVD）作为制备热障涂层的新方法仍处于起步阶段。与APS相比，EB-PVD在制备热障涂层方面有着诸多优点，因此EB-PVD一直是国内外学者研究的热点。通过有效控制EB-PVD沉积过程中的各种参数可以获得性能更加优异的热障涂层。文中论述了影响EB-PVD热障涂层结构和性能的主要因素，希望可以为EB-PVD热障涂层的制备提供有效的参考。