尖端结构对PS-PVD YSZ涂层沉积的影响

采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)技术在设计的尖端结构试样表面制备了YSZ涂层,研究了YSZ涂层在尖端不同区域的形貌、厚度、孔隙率和微区力学性能的差异.结果表明:尖端部位各区域涂层呈现羽柱状结构,在涂层生长过程中柱状晶之间会因生长的空间受限而存在“挤压”竞争效应,尖端边角的几何特性会削弱“挤压”竞争效应,因此其涂层厚度远高于尖端其他区域;此外,尖端尖角附近的涂层羽柱状结构呈放射状,并沿基体表面法线方向向上生长;纳米压痕表明涂层硬度由顶部至底部呈现逐渐下降趋势,这与涂层结构和残余应力相关;尖端结构的尖角区域涂层微区硬度,显著高于尖端两侧区域;结合数值模拟分析结果发现,半封闭型面会导致等离子射流紊乱度上升,由于不同方向等离子体存在“卷流”和“冲击”现象,其对应沉积的涂层厚度下降,孔隙率上升.

喷枪阳极结构对等离子射流及粒子行为的影响

喷枪阳极是等离子喷涂系统中的关键部件之一,其通过电弧的运动行为直接影响等离子射流流动及粒子的加热加速历程,最终决定了涂层的综合性能.为了深入理解大气条件下锥形Laval和标准圆柱形阳极喷嘴制备涂层性能之间存在较大差异的原因,在前期制备涂层工作的基础上继续开展相关的数值模拟工作.基于计算流体动力学理论针对等离子喷涂过程建立包括喷枪内外区域的数学物理模型,系统探究两种阳极产生等离子电弧、射流特征及喷涂粒子的飞行行为.结果表明:在相同的喷涂条件下,锥形Laval阳极内产生的等离子电弧电压低、消耗电功率小,大电流密度区和等离子速度明显较标准圆柱形阳极的小;在喷嘴出口处,标准圆柱形阳极具有更高的等离子射流温度和速度,但锥形Laval阳极的等离子射流在喷枪外具有较小的衰减速率和较大的空间尺寸;在相同喷距位置,锥形Laval阳极的喷涂粒子速度要比标准圆柱形的小得多,但相应的升温和降温速率却更大,熔化也更充分.因此,标准圆柱形阳极适合制备致密且结合强度高的涂层,而锥形Laval阳极则更适合用于制备高沉积效率的多孔涂层.