製備熱障塗層用陶瓷靶材

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製備熱障塗層用陶瓷靶材EB-PVD 製備熱障塗層用陶瓷靶材，先進航空發動機高溫渦輪葉片等熱端部件廣泛採用了熱障塗層技術，用來降低基體的工作溫度，使其免受高溫氧化、腐蝕、磨損。目前 EB-PVD 熱障塗層技術已成為發動機渦輪動葉等葉片的熱障塗層陶瓷層沉積的主要工藝。陶瓷靶材作為 EB-PVD 製備熱障塗層陶瓷層的重要原材料，其性能的優劣對熱障塗層組織結構和熱學性能等有十分重要的影響。

目錄

技術原理/技術要點

EB-PVD技術通過磁場或電場將電子束聚焦在塗層的蒸發源陶瓷靶材上，使材料熔化並氣化，氣相原子以直線從熔池表面運動到基片表面並沉積在基片表面形成塗層。陶瓷靶材作為熱障塗層的關鍵基礎材料，其物理化學性能對塗層沉積也有顯著影響。靶材的製備過程主要包括粉體原料合成與處理、靶材成型、燒結及加工等步驟;靶材的性能主要有化學組成、純度、相結構、緻密度及微觀結構等。項目團隊通過多年的技術攻關，實現了YSZ 陶瓷靶材的國產化研究，並形成了EB-PVD用YSZ陶瓷靶材的等靜壓成型、常壓燒結緻密化、微觀結構控制、緻密度控制、純度控制等系列技術。不添加任何粘接劑的等靜壓成型工藝，不引入其它任何物質，從工藝上保證了材料的純度;等靜壓高密度素坯成型和多段式燒結工藝，保證得到高緻密化靶材的同時，降低靶材內部應力集中情況，靶材晶粒細小，均勻性高;後處理工藝深度脫除靶材吸附氣體，提升了靶材沉積過程中的穩定性，減少噴濺發生，從而提高塗層的性能。製備的 YSZ 陶瓷靶材化學成分滿足設計要求，雜質氧化物含量總和小於0.5wt%，相結構由四方相和單斜相組成，靶材相對密度根據需要在3.5~4.8g/cm³之間可調，斷面顆粒尺寸<10μm，閉合氣孔率<5%，產品生產過程能力Cpk>1.33。

應用前景

熱障塗層（TBCs）利用陶瓷材料隔熱和抗腐蝕的特點，在航空、航天、艦船、武器、電力和交通運輸等方面都有着重要的應用價值。目前，質量分數6～9%的YO;部分穩定 ZrOf（YSZ）的熱障塗層可將發動機葉片的使用溫度由1000℃提高到1150℃，目前廣泛的應用於我國三代機渦扇10、美國 F100、法國的 M88、以及歐羅斯 RD-33等先進戰鬥機小涵道比渦扇發動機和GE90 等商用大涵道比渦扇發動機。項目團隊於 20世紀90年代聯合北京航空航天大學開展EB-PVD用YSZ 陶瓷靶材的國產化研究，為國內首家實現進口替代的YSZ 陶瓷靶材生產研發機構，實現了YSZ陶瓷靶材的國產化，並形成了系列 EB-PVD用YSZ 陶瓷靶材的製備技術，並通過自主孵化，建立了專門的生產線，實現了批量化生產。先後為430、410、北京航材院、中國農機院、北京航空航天大學等國內多家航空發動機生產研發單位提供數千根 YSZ陶瓷靶材用於熱障塗層的製備，為我國軍用航空發動機的發展提供了材料保障。同時，為配合我民用航空發動機的發展，聯合中國航發商用航空發動機有限公司開展了單晶渦輪葉片熱障塗層陶瓷靶材質量控制研究，產品的過程能力Cpk>1.33，滿足了產品的應用需求。隨着我國航空發動機及燃氣輪機的發展，EB-PVD熱障塗層用陶瓷靶材的需求將進一步增大，擁有廣闊的應用前景。