预热温度对通过PS-PVD方法制备的Yb2Si2O7涂层沉积行为的影响

《Surface and Coatings Technology》：Effect of preheating temperature on the deposition behavior of Yb 2Si 2O 7 coatings prepared via PS-PVD

　　**摘要**

环境屏障涂层（EBCs）对于保护基于SiC的陶瓷基复合材料在高温航空发动机环境中的水蒸气腐蚀至关重要，而Yb?Si?O?（YbDS）由于其与SiC良好的热化学相容性，被认为是一种有前景的顶层涂层材料。在本研究中，通过等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD）工艺在SiC基底上沉积了YbDS涂层，并系统地研究了基底预热温度对飞溅形成、微观结构演变、相组成以及Si/YbDS界面行为的影响。选择了四个代表性的预热温度（400、600、800和1000°C）来揭示涂层形成机制的温变特性。采用SEM、FIB、XRD、TEM/EDS和数值模拟等方法对飞溅形态、涂层结构、相演变、界面元素分布及沉积过程中的热流行为进行了表征。结果表明，基底预热温度调节了颗粒扩散、快速凝固、气相沉积和界面反应之间的平衡。预热不足会导致飞溅扩散不良、沉积不连续和界面间隙；而过度预热则会促进过度扩散、飞溅现象、明显的界面形态变化以及局部微观结构粗化。尽管较高的预热温度有助于飞溅更平整，但在所研究的条件下，600°C提供了飞溅扩散、致密层状涂层形成、相对连续的界面接触以及避免明显飞溅之间的较为理想的折中方案。相分析表明，在原料粉末和沉积样品中，单斜相β-Yb?Si?O?（C2/m）仍然是主导晶相；而沉积后检测到少量属于单斜相X2-Yb?SiO?（I2/a）的弱反射。未发现β向γ的多晶型转变。本研究阐明了YbDS涂层的温变沉积行为和微观结构演变，为控制PS-PVD YbDS环境屏障涂层的沉积微观结构提供了指导。

**引言**

随着航空发动机推重比的迅速提高，发动机部件需要承受更高的温度[1]，[2]，[3]，同时保持服务材料的高热稳定性和环境适应性。陶瓷基复合材料（CMCs）因其出色的高温性能而广泛应用于高温部件中。然而，CMCs在暴露于含有高温水蒸气和腐蚀性熔盐杂质的环境中容易发生化学反应，导致快速降解。在CMCs表面施加环境屏障涂层（EBCs）已成为提高其运行稳定性的关键解决方案[4]，[5]，[6]。在各种候选EBC材料中，由于稀土硅酸盐具有优异的相稳定性和抗高温腐蚀性，因此得到了广泛研究。目前认为由硅粘结层和稀土硅酸盐顶层组成的双层结构是最有前景的EBC架构[7]，[8]。在高温蒸汽环境中，Yb?Si?O?相比Yb?Si?O?具有更好的相稳定性。然而，它们相对较高的热膨胀系数（CTE，6.0–10.0 × 10??/K）限制了与SiC-CMCs的热兼容性，并对使用寿命产生不利影响[9]，[10]，[11]。因此，Yb?Si?O?（YbDS）陶瓷因更好的CTE兼容性而受到关注[12]，[13]。此外，Yb?Si?O?（YbDS）的CTE接近SiC（4.3–5.4 × 10??/K）和莫来石（5.0–6.0 × 10??/K），并且在高温蒸汽环境中具有优异的化学稳定性。此外，在报道的Yb?Si?O?多晶型中，单斜相β-Yb?Si?O?（C2/m）在高温下被认为是热稳定的形式，使其成为非常有前途的EBC顶层候选材料[14]，[15]，[16]，[17]。为了延长CMCs在恶劣的高温、潮湿和腐蚀环境中的使用寿命，已经开发了多种EBC沉积方法，包括大气等离子喷涂（APS）、电子束物理气相沉积（EB-PVD）、化学气相沉积（CVD）、浆料渗透、溶胶-凝胶方法和水热电泳沉积[18]。其中，APS是最广泛使用的技术之一。它利用高温等离子射流熔化粉末并将其沉积在基底上，形成致密的层状结构[19]。尽管APS具有较高的沉积效率，但所得涂层通常具有4%–20%的孔隙率和氧化物夹杂物，这些缺陷会降低热导率并加剧热应力。然而，它们也可能成为氧气、蒸汽和钙-镁-氧化铝-硅酸盐（CMAS）侵入的途径，从而影响涂层的长期耐久性[20]。相比之下，EB-PVD能够制备出具有优异应变容忍性和强附着力的柱状结构涂层。然而，垂直排列的柱间孔隙会增加热导率，并促进腐蚀性介质在高温蒸汽或熔盐环境中的渗透，加速涂层降解[21]。近年来，等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD）作为一种结合了APS和EB-PVD优点的先进沉积技术，受到了越来越多的关注[22]。PS-PVD在低压条件下使用高功率等离子炬，可实现气相、液相和固相的协同沉积，具有可控的微观结构、非直线视觉沉积能力和高沉积效率[23]，[24]，[25]。其在制备致密涂层和复杂部件的全面覆盖方面的显著优势，使其成为下一代高性能EBC的高度有前途的方法。尽管PS-PVD在结构控制和性能优化方面具有巨大潜力，但其沉积机制的许多方面仍不清楚。现有研究表明，基底温度和沉积速率对涂层结构有显著影响，从而初步提出了一个结构演变区域模型[26]，[27]。此外，原料粉末在沉积到基底之前可能在高温等离子射流中经历“固-液-气”转变，以原子或分子簇的形式存在[28]，[29]，[30]，[31]，[32]。在此过程中，界面层在纳米颗粒的形成和沉积中起着关键作用。

**背景**

先前的数值和理论研究强调了基底界面层在簇介导沉积中的作用。Han和Yoshida通过数值模拟表明，基底上方界面层中Si蒸汽的快速冷却会产生过饱和环境，促使Si簇的成核、聚集和传输，其中亚纳米级簇可以构成沉积物质的重要部分[33]，[34]。热等离子沉积和分子动力学研究表明，纳米簇在撞击加热基底后可能具有更高的粘附概率并发生结构重排[35]，[36]。Shigeta和Murphy系统回顾了过饱和热等离子流动中的成核和纳米颗粒生长机制[37]。更具体地说，Mauer和Va?en以及Liu等人研究了PS-PVD条件下过饱和基底界面层中簇形成的均匀成核和热力学条件[38]，[39]。然而，这种簇对涂层沉积和微观结构形成的定量贡献可能强烈依赖于具体的加工条件。Bouyer等人报告称，Si?N?纤维的生长可能来自纤维顶端上方界面层中形成的纳米颗粒[40]。关于原料蒸发，Liu等人建立了一个开放PS-PVD等离子射流中熔融ZrO?滴的热和质量传递模型，并表明足够小的滴在飞行过程中可以完全蒸发[41]。由于该模型是为ZrO?开发的，因此它为氧化物滴的蒸发提供了普遍证据，而非YbMS粉末的直接破碎和完全气化的证据。对于钇硅酸盐，Xiao等人使用FactSage计算表明，在低压和高温PS-PVD条件下，YbMS可能气化并分解为气态Yb物种。气态Yb的相对较难凝结可能导致Yb/Si原子比的降低，从而改变沉积涂层的相组成[42]。尽管先前的研究为稀土硅酸盐涂层的沉积和微观特性提供了有益的见解，但大多数研究集中在通过APS或EB-PVD制备的Yb?Si?O?涂层上，或是在有限加工条件下的PS-PVD沉积上。将基底预热温度与单个飞溅体演变、涂层尺度微观结构发展、相组成和局部Si/YbDS界面特性进行系统比较的研究仍然有限。在实际基于SiC的EBC系统中，YbDS顶层涂层通常沉积在Si粘结层上；因此，明确YbDS在Si粘结层上的温变沉积行为对于理解Si/YbDS双层涂层的形成至关重要。在本研究中，通过PS-PVD在SiC基底上制备了Si/YbDS涂层，并比较研究了四种标称的基底预热温度（400、600、800和1000°C）。结合单次飞溅分析、涂层尺度微观结构表征、XRD相分析和选定的600和1000°C样品的局部界面表征，阐明了基底预热温度与PS-PVD YbDS涂层沉积后结构演变之间的关系。

**结论**

与主要研究通过APS或EB-PVD制备的Yb?Si?O?涂层，或在有限加工条件下进行的PS-PVD沉积的研究相比，本研究比较考察了在四种标称基底预热温度（400、600、800和1000°C）下的PS-PVD Si/YbDS涂层。通过结合单次飞溅分析、涂层尺度微观观察、XRD相表征以及选定的600和1000°C界面的局部TEM/EDS分析，本工作...

**作者贡献声明**

Ke Li：资金获取、正式分析、数据管理
Tong Zhuang：撰写-审稿与编辑、撰写-初稿、方法学、正式分析、数据管理
Xiaofeng Zhang：资源、项目行政管理、研究、正式分析
Xinghua Liang：项目行政管理、研究
Jingqin Zhang：监督、方法学
Min Liu：监督、项目行政管理
Lili Zheng：监督、资源

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。