[发明专利]一种提高PS-PVD沉积过程中气相比例的装置及方法

说明书

本发明公开了一种提高PS‑PVD沉积过程中气相比例的装置和方法，装置为同心环式遮挡装置，包括第一同心环和第二同心环，第一同心环包括第一外环和第一内环，第二同心环包括第二外环和第二内环；第一外环、第一内环、第二外环和第二内环，在垂直PS‑PVD射流方向表面上的投影相互连接，相互没有空隙，第一外环、第一内环和第二外环、第二内环在沿着方向PS‑PVD射流方向上错位交互排列，即第一外环与第二外环、第二外环与第一内环、第一内环与第二内环之间均留有间隙；第二内环的内部为中空，没有遮挡；各同心环从射流中心到边缘方向的排列逐渐稀疏，本发明能有效过滤掉射流边缘中的液相或未熔颗粒，保证沉积过程中为气相沉积，沉积工件表面涂层结构一致，厚度均匀。

技术领域

本发明属于涂层的等离子喷涂和物理气相沉积技术领域，具体为涉及一种提高PS-PVD沉积过程中气相比例的装置及方法。

背景技术

等离子喷涂技术和电子束物理气相沉积技术是目前应用最广泛的热障涂层制备技术。传统的等离子喷涂技术具有比EB-PVD制备技术沉积效率高，设备成本低等优点，但只能形成层状组织结构涂层，涂层的抗热震性能明显不及EB-PVD柱状晶结构涂层。等离子物理气相沉积技术 (Plasma Spray-Physical Vapor Deposition, PS-PVD)是在低压等离子喷涂（Low Pressure Plasma Spray，LPPS)技术上发展起来一种的热障涂层制备技术。传统的大气或低压等离子喷涂技术真空工作室压力大约为5000~8000 Pa，而PS-PVD技术真空室压力只有5~200 Pa，而且大功率等离子喷枪的配备使得等离子射流急剧膨胀，长度可以达到约2000 mm，直径约为200~400 mm，形成的超音速等离子射流温度可以超过6000 K。因此，粉末注入等离子射流中可以被熔化甚至被气化。此外，通过调控气相/液相/固相多相比例还可实现不同组织结构涂层沉积，尤其是当以气相沉积为主时沉积得到的准柱状结构涂层在热障涂层领域表现出很好的应用前景。此外，由于等离子射流具有较大尺寸和较高的速度，它可以流过几何形状复杂的工件表面，甚至到达工件阴影区域，因此PS-PVD技术可以实现非视线区域的沉积。

目前，PS-PVD的研究发展十分迅速，但在实际工件喷涂过程中存在一些问题亟待解决。如PS-PVD设计者最初希望通过高功率、高工作气体流量和低真空度实现粉末材料完全气化，达到与物理气相沉积(PVD)相似的效果，但多数情况下，PS-PVD在大多数情况下并不能使粉末完全气化，PS-PVD宽大的等离子射流中分布着各种粒子(如气相粒子、液相粒子、部分熔融颗粒、未熔颗粒等等)，实际上是一个以气相沉积为主、多相混合沉积的涂层制备技术，这些粒子在射流中的状态和分布差异导致了工件表面涂层结构、厚度等的差异，也对涂层性能造成影响。

中国发明专利201410690647.1公开了基于液相过滤的低压等离子喷涂制备柱状陶瓷涂层的方法，在喷枪与基体之间设置遮挡装置以阻止液相粒子穿过，气相沉积材料或具有布朗运动特性的粒子绕过遮挡物而沉积在基体上形成具有柱状结构的陶瓷涂层。

该遮挡装置采用全覆盖式，等离子射流要全部穿过该遮挡装置。主要面向常规的等离子喷涂设备以及低压等离子喷涂设备。这是因为常规的等离子喷涂以及低压等离子喷涂设备等离子射流较细短，液相或者未熔化颗粒喷涂过程中在射流中心至边缘方向均有分布。该全覆盖式遮挡装置虽然能在一定程度上阻止液相粒子穿过，但不可避免地也会使部分气相粒子在其表面沉积，气相粒子的损失势必造成涂层沉积速率降低。

并且该类型遮挡装置不适用于PS-PVD，因为PS-PVD过程中等离子射流比较宽大，射流中心以气相为主，液相多存在于射流边缘，使用该类型遮挡装置将会导致涂层沉积速率大大降低。另外，该遮挡工装主要放置于基体前部，势必会影响等离子射流对基体的有效预热，而基体温度也很大程度上决定着沉积涂层的微观结构，因此喷涂过程中涂层微观结构一致性难以确保。此外，针对复杂型面工件如叶片等喷涂时，需要机械手控制喷枪进行多角度喷涂，遮挡装置放置于基体前部时，即使可移动，其移动范围也非常有限，当喷枪、遮挡装置及工件这三者不在一条直线上时，难以有效实现遮挡的效果。

发明内容