中国粉体网讯 近日，青岛国家大学科技园依托高校科技成果发布：抗热循环柱状结构热障涂层快速低成本大面积制备技术。
该技术是通过研发新型的低成本水基悬浮液和配套的悬浮液等离子喷涂工艺，实现高孔隙率柱状结构热障涂层的大面积快速制备，从原材料上和工艺过程上大幅降低了柱状结构热障涂层的制备成本，提升了制备速度。
来源：青岛国家大学科技园
据介绍，该技术主要用于燃气轮机和航空发动机热端金属部件上的热障涂层，可以提升热障涂层的隔热性能和抗热循环性能，进而提升燃气轮机和航空发动机的效率。
热障涂层面临的痛点
燃气轮机和航空发动机热端金属部件上的热障涂层需承受很高的温度，且面临频繁的热循环考验。因此，保持热障涂层的完整性对于燃气轮机长期高效稳定服役至关重要。
具有接近或超过3000K熔点的陶瓷材料需要超高温的材料处理能力。主要使用的两种加热源是等离子体和电子束。根据不同的热源，开发了不同的喷涂技术。最广泛使用的两种喷涂技术是大气等离子喷涂（APS）和电子束物理气相沉积（EB-PVD）， 除此之外，还有悬浮液等离子喷涂（SPS）、超音速火焰喷涂（HVOF）以及低压等离子喷涂（LPPS）等。
大气等离子喷涂（APS）和电子束物理气相沉积（EB-PVD）是两种最常用的热障涂层制备技术。APS可以制备层状结构的涂层，由于特殊的微观结构（大量孔隙与平行于边界的微裂纹），APS涂层具有相对较低的热导率（0.8-1.7W/mK）。此外，多功能性和低成本使得APS技术广泛应用于工业生产。
然而，APS涂层的应变容限较低，因此仅适用于燃气轮机中的低载荷部件，如燃烧室、燃料蒸发器和定子叶片。与APS相比，EB-PVD可以获得具有高应变容限的柱状结构，即使热导率（1.5-2W/mK） 高于APS涂层，其热震寿命也更长，但高成本限制了EB-PVD在工业中的应用，亟需研发一种快速、低成本、大面积的制备柱状结构热障涂层的工艺。
悬浮液等离子喷涂工艺（SPS）制备热障涂层的优势
为了进一步提高热障涂层的使用寿命，降低燃气轮机的运行成本，传统的涂层制备工艺已经难以满足要求，因此有必要发展一种低成本高性能的热障涂层制备工艺并对其进行工业应用研究。悬浮等离子喷涂（SPS）作为一种相对较新的热喷涂技术，结合了EB-PVD和APS的优点。通过调控工艺参数，可以低成本地获得具有不同微观结构的热障涂层，如多孔、垂直裂纹和柱状结构。其中柱状、垂直裂纹等高应变容限结构可提升涂层的热震使用寿命。且在保持高应变容限结构的同时，涂层孔隙率可达20％以上，兼具隔热性能，可以更好的保护燃气轮机的热端部件，以上优势使得悬浮液等离子喷涂颇具应用前景。
SPS工艺是在APS工艺的基础上，将固体颗粒分散到载体液体中制成悬浮液。悬浮液主要使用水和乙醇作为溶剂。相对于酒精，水成本低、便于运输且安全风险低，但水的表面张力更大、分散效果更差，悬浮液雾化更困难且溶质粒子更容易出现团聚不易破碎，此外水需要更大的气化焓，当喷枪功率不足时，等离子体的能量主要消耗在了汽化溶剂上，团聚的大粒子无法充分融化，涂层便会出现更多的未融区域，形成高孔隙率涂层，这有助于降低涂层的热导率、提升涂层的抗烧结性能。
在此次的新发明中，相比传统的有机悬浮液，所配制的水基悬浮液粘度低、表面张力小，且价格低廉，生产、储存、运输、使用更为方便安全。所研发的水基悬浮液等离子喷涂工艺相比电子束气相沉积工艺和等离子喷涂-物理气相沉积工艺，设备投资少，制备速度快，大幅降低了柱状结构的生产成本。
来源：
青岛国家大学科技园
傅维文：悬浮液等离子喷涂热障涂层抗热震性能研究与工程化应用
（中国粉体网编辑整理/空青）
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