[发明专利]一种PS-PVD用复杂型面工件均匀预热方法

说明书

本发明公开了一种PS‑PVD用复杂型面工件均匀预热方法，为解决传统采用高能束射流对复杂型面工件的预热很难做到均匀，采用外置加热体加热在工程实践中操作困难成本高的技术问题，通过设计工件预热装置，在工件周围设置三个阳极板，在喷涂前进行引弧，使喷枪阴极和预热系统中的三阳极板产生转移离子弧，采用多转移离子弧和阳极板的高温对复杂型面工件进行辐射均匀加热。可在喷涂前实现复杂形状、不同尺寸大小工件的表面原位均匀加热，提高工件表面涂层均匀性，大大降低了生产成本。

技术领域

本发明属于热障涂层的等离子物理气相沉积制备技术领域，具体为涉及一种PS-PVD用复杂型面工件均匀预热方法。

背景技术

热障涂层（简称TBCs）是采用耐高温、低导热、抗腐蚀的陶瓷材料以涂层的方式与合金相复合以降低高温环境下合金表面温度的一种高温热防护技术。TBCs 在发动机叶片上的使用，可显著提高发动机的工作温度，从而提高发动机的工作效率和推力，同时可降低涡轮叶片合金工作温度30~150℃，从而大幅度提高发动机寿命和可靠性。

制备技术的发展推动了TBCs的发展，PS 是应用最广泛的制备TBCs的方法，制备的涂层一般为层状结构，层间有效结合面积不到40%。由于其结构上的特点，PS制备的TBCs通常具有良好的隔热性能，但是抗热震性能较差。Muehlberger等人在大气等离子喷涂技术的基础上发明了低压等离子喷涂，与传统大气等离子喷涂相比，在较低真空下等离子射流被拉长，射流速率大大提高，喷涂粉末从等离子射流中获得速度更高，因此制备的涂层有更好的致密度和结合力。在此基础上进一步降低工作压力（约200 Pa），增加喷涂功率（80-100kW），等离子射流进一步膨胀加粗，等离子体的温度进一步提高（可以达到约15550K），可以将注入的材料蒸发为气相。这种气相沉积形成的涂层，其特性更接近于电子束物理气相沉积制备的涂层，从而可以实现大面积致密金属或陶瓷薄膜的快速沉积，即等离子物理气相沉积技术。气相沉积形成柱状或准柱状结构涂层，在冷热循环服役过程中可大大减少热应力，延长涂层使用寿命。

基体温度对于气相沉积涂层生长具有重要意义。PS-PVD沉积气相涂层包括蒸发、沉积、扩散三个过程。蒸发过程是将陶瓷粉末加热蒸发成气相原子，沉积过程则是游离的气态原子或离子重新结合成固态的材料沉积到基体上的过程，而扩散过程则是材料在沉积到基体上后，由于降低材料内能的需要，材料原子克服能垒扩散重组的过程。在基体温度较低（小于500℃）时，涂层沉积效率很低，气相原子直接冷凝成颗粒堆积到基体表面，导致涂层和基体的结合强度很低。基体温度在700℃-900℃时，沉积和表面扩散相互竞争，此时涂层生长主要受阴影效应影响，生长成为粗大的锥状晶；基体温度较高（大于1200℃）时，此时表面扩散起主要作用，形成具择优取向的柱状晶，柱与柱之间存在一定的间隙，柱间孔隙可以沿基体表面一直贯穿到涂层表面。

目前等离子物理气相沉积制备涂层过程中一般有两种预热方式，一种是采用等离子射流直接进行预热，然而这种预热方式在很难做到均匀，尤其对于复杂型面工件，由于复杂工件的各部分壁厚差异非常大，加热过程中同一工件不同部位温度差能达到50-100 ℃，预热过程中在部件的薄壁部位非常容易过热从而导致工件损坏，而工件夹持端的温度则达不到喷涂要求。另一种是采用外置加热体如加热炉预热，受炉体尺寸限制，对于大型复杂型面工件的预热成本高昂，且加热体在高真空环境下加热工件在工程实践中操作困难。

因而，为了解决上述问题，亟需发明一种适用于等离子物理气相沉积（PS-PVD）的低成本复杂型面工件均匀预热的方法。

发明内容

基于现有技术的不足，发明了一种PS-PVD用低成本复杂型面工件均匀预热方法。本发明在原有PS-PVD设备的滑台上安装预热机构，如图1所示，预热机构安装在滑台上，预热机构与喷枪的距离控制在100-2000mm，喷枪与预热机构的阳极间形成预热转移离子弧，通过转移离子弧和阳极板对工件进行辐射加热。

本发明完整的技术方案包括：