APS vs. EB-PVD: Сравнение методов нанесения термобарьерных покрытий (TBC)
Основные различия в процессах
Атмосферное плазменное напыление (APS) и электронно-лучевое физическое осаждение из паровой фазы (EB-PVD) — это два основных метода нанесения термобарьерного покрытия (TBC), но их основные принципы различны. APS — это метод термического напыления, при котором керамический порошок (обычно стабилизированный иттрием диоксид циркония, или YSZ) вводится в высокотемпературную плазменную струю. Частицы плавятся, ускоряются и ударяются о поверхность компонента, расплющиваются и быстро затвердевают, образуя слоистую микроструктуру на основе «лепешек». В отличие от этого, EB-PVD — это процесс осаждения из паровой фазы. Электронный луч используется для испарения исходного керамического материала в камере с высоким вакуумом. Затем пар конденсируется и растет непосредственно на предварительно нагретом компоненте, образуя столбчатую кристаллическую структуру.
Микроструктура и характеристики покрытия
Разные методы нанесения приводят к совершенно разной микроструктуре покрытия, что напрямую влияет на производительность. APS создает ламеллярную структуру с многочисленными границами «лепешек», микропорами и микротрещинами, идущими параллельно подложке. Эта структура отлично подходит для минимизации теплопроводности, поскольку поры и границы эффективно рассеивают тепло. Однако границы «лепешек» могут быть путями проникновения кислорода и продуктов коррозии. EB-PVD, с другой стороны, создает высоко столбчатую микроструктуру с мелкими, близко расположенными порами, идущими перпендикулярно поверхности. Эта структура обладает исключительной термостойкостью, позволяя покрытию расширяться и сжиматься вместе с металлической подложкой при тепловых циклах без отслаивания, хотя и с несколько более высокой собственной теплопроводностью, чем у покрытий APS.
Производительность и область применения
Выбор между APS и EB-PVD определяется эксплуатационными требованиями компонента. Покрытия TBC методом APS широко используются для статических компонентов и деталей с меньшими требованиями к тепловым циклам, таких как камеры сгорания и кожухи в турбинах для энергогенерации. Их превосходные изоляционные свойства и более низкая стоимость делают их идеальными для этих применений. Покрытия TBC методом EB-PVD являются предпочтительным выбором для наиболее термонагруженных и динамически нагружаемых компонентов, особенно вращающихся монокристаллических лопаток турбин в двигателях для аэрокосмической и авиационной промышленности. Их превосходная термостойкость и гладкая поверхность (которая минимизирует аэродинамическое сопротивление) критически важны для выживания в условиях экстремальной термомеханической усталости.
Интеграция с производством и последующей обработкой
Оба процесса нанесения TBC являются неотъемлемыми этапами в более широкой цепочке последующей обработки. Подложка, часто деталь, изготовленная методом вакуумного литья по выплавляемым моделям, сначала должна получить подслой (обычно MCrAlY, наносимый методом APS или HVOF) для улучшения адгезии и обеспечения окисной стойкости. После нанесения TBC компоненты могут проходить окончательный контроль и селективную обработку на станках с ЧПУ на некритичных поверхностях. Весь процесс валидируется с помощью строгих испытаний и анализа материалов для обеспечения целостности и производительности покрытия.
