一种氧解离辅助物理气相沉积制备热障涂层的装置与方法与流程

本发明涉及热障涂层材料电子束物理气相沉积制备，具体涉及一种氧解离辅助物理气相沉积制备热障涂层的装置与方法。

背景技术：

1、航空发动机是飞机的动力装置，被誉为飞机的“心脏”。近年来，随着航空工业的发展，对发动机性能要求不断提高，同时也使发动机内部高温部件的工作温度越来越高，发展到第四代战斗机，航空发动机的燃气进口温度已经达到1700℃左右。这对发动机热端部件高温合金材料提出了更高的要求。目前先进单晶镍基高温合金的使用极限温度为1150℃，显然依靠冷却技术和单独使用高温合金材料已不能满足先进航空发动机的需求。为了解决这一问题，人们开始研究新的热防护技术——热障涂层，经历了几十年的高速发展，先进的热障涂层材料可以有效提高涡轮叶片使用温度200～300℃左右，热障涂层技术已成为航空发动机热端部件热防护领域的关键技术之一。而电子束物理气相沉积技术是航空发动机用热障涂层的重要制备工艺，相比于等离子喷涂制备工艺，电子束物理气相沉积方法制备的热障涂层具有典型的柱状晶结构，表现出更好的应变容限，因而是目前航空发动机高温、高压最苛刻的部分，即涡轮工作叶片唯一可行的制备方法。它的工作原理是在真空环境下利用高能电子束轰击靶材(金属，陶瓷等)，使其融化蒸发后沉积在基片上。

2、在使用电子束物理气相沉积法制备某些热障涂层材料的过程中需要足够的氧来保证所制备热障涂层的质量，目前使用电子束物理气相沉积法制备热障涂层主要通过以下两种方法来补氧：一是在用物理气相沉积设备制备时不进行通氧，等到涂层制备完成后再采用其他工艺对涂层进行补氧操作；二是在制备过程中直接向真空沉积室通入氧气给涂层补氧。对于方法一来说，操作较为繁琐复杂，且在制备完成后再对涂层进行补氧，可能会对涂层的质量有一定的影响；对于方法二来说，向真空沉积室直接通入氧气会缓解涂层缺氧的问题，但靶材被电子束熔融为离子态物质，氧气分子与之反应不够充分，对涂层的补氧不够完全，导致涂层的质量受到影响。因此，使用电子束物理气相沉积法制备热障涂层时涂层缺氧这一问题没有得到彻底解决。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种氧解离辅助物理气相沉积制备热障涂层的装置与方法，用于电子束物理气相沉积法制备热障涂层过程中充分补氧，提高了物理气相沉积法制备热障涂层的质量。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种氧解离辅助物理气相沉积制备热障涂层的装置，包括真空沉积室，所述真空沉积室的内部设置有多个加热器，所述真空沉积室的内部还设置有夹具，所述夹具上安装有沉积基板；

4、所述真空沉积室的底部内壁上设置有气体电离室，所述气体电离室通过导线与外部电源连接，外部电源和气体电离室构成气体电离系统，所述气体电离室上还设置有气体通入口；

5、所述真空沉积室的底部设置有电子枪，所述真空沉积室的底部内壁中心处设置有铜质水冷坩埚，所述铜质水冷坩埚上放置有陶瓷靶材；

6、所述真空沉积室的箱门上嵌入安装有隔热箱，所述隔热箱的一侧设置有可拆卸的滤网，所述滤网的一侧固定安装有散热风扇，所述散热风扇的一侧固定安装有盘式循环水管，所述盘式循环水管的一侧对称安装有两个隔热板，两个隔热板不相邻的一端均设置有电动伸缩杆，两个隔热板的一侧设置有排风罩。

7、作为本发明进一步的方案：所述气体电离室内部为电离反应区域，气体电离室向真空沉积室中间方向设有电离开口以便电离后的气体向沉积区域释放；探针机构穿过气体电离室将前部的探针引入至电离反应区域，外部电源与该探针为电性连接；磁体环绕电离反应区域布置在气体电离室周围，另有绝缘组件与气体电离室的电离开口端相连接。

8、作为本发明进一步的方案：所述真空沉积室的一侧设置有真空泵组。

9、作为本发明进一步的方案：所述铜质水冷坩埚为中空结构，坩埚内壁有出水口和入水口，通过冷却水的流动带走热量。

10、作为本发明进一步的方案：所述陶瓷靶材为氧化钇稳定氧化锆靶材或者其他成分体系的热障涂层靶材；沉积基板为不同粘结层的试片或者叶片。

11、作为本发明进一步的方案：所述加热器为石墨控温加热，可控制加热电流，达到热障涂层的制备温度。

12、作为本发明进一步的方案：所述电子枪功率为15kw，可270°翻转，实现电子束的可控调节。

13、作为本发明进一步的方案：所述夹具包括旋转电机、伸缩气缸、齿圈、太阳齿轮、行星架、行星齿轮和衔接套筒，所述伸缩气缸的活塞杆端部固定安装有旋转电机，所述旋转电机的输出轴上配有太阳齿轮，多个行星齿轮的轴心与行星架相连，行星架用与保持各行星齿轮的相对位置，行星齿轮在行星架上转动；太阳齿轮与行星齿轮，行星齿轮与齿圈两两啮合；衔接套筒和行星齿轮固定相连，沉积基板安装在衔接套筒上；在旋转电机的驱动下太阳齿轮带动行星齿轮在齿圈上做圆周运动，同时行星齿轮绕各自轴心做自转运动；即可实现衔接套筒上沉积基板的公转和自转运动。

14、作为本发明进一步的方案：所述衔接套筒的内部中心处固定安装有内筒，所述内筒上滑动连接有齿条，所述齿条的顶部固定安装有移动环，所述移动环上等距离设置有多个摇臂，所述摇臂的端部活动连接有驱动板，所述驱动板与固定盘滑动连接，所述固定盘固定安装在内筒一端，所述驱动板的端部固定安装有弧形板；

15、所述内筒上转动连接有旋转轴，所述旋转轴的一端延伸至内筒外与棘齿轮连接，所述旋转轴的另一端固定安装有驱动齿轮，所述驱动齿轮与齿条啮合连接。

16、作为本发明进一步的方案：一种氧解离辅助物理气相沉积制备热障涂层的方法,包括以下步骤：

17、步骤一、首先驱动夹具移动真空沉积室门口，将处理好的沉积基板依次放入到衔接套筒上固定住，然后夹具复位；并将陶瓷靶材放入真空沉积室中，调整陶瓷靶材位置，保障制备时的视野清晰；

18、步骤二、采用真空泵组将真空沉积室抽至高真空状态；

19、步骤三、通过加热器加热沉积基板至800℃-1000℃；

20、步骤四、开启电子枪，根据制备需求设置电子枪的电压和功率，控制电子枪发射出的高能电子束聚焦在陶瓷靶材上；

21、步骤五、根据制备需求向气体电离室通入适量氧气，通入的氧气通过气体电离系统施放的高压电离成氧离子，经由电离开口和绝缘组件将产生的氧等离子体释放到真空沉积室中参与沉积过程；

22、步骤六、热障涂层在等氧离子体辅助氛围下沉积，根据热障涂层厚度的不同设置沉积时间长短，陶瓷靶材被高能电子束轰击熔融蒸发后产生的离子态物质与氧等离子体更好的结合，更充分的进行补氧，从而得到性能更好的热障涂层；

23、步骤七、沉积完毕，关闭电子枪、通氧、加热、气体电离系统和真空泵组，通过散热风扇和盘式循环水管对真空沉积室进行降温冷却，然后夹具移动真空沉积室门口，取出制备的热障涂层。

24、本发明的特征：将陶瓷靶材和预处理过的带有粘结层金属沉积基板放置于物理气相沉积设备的真空沉积室中，通过石墨加热器将沉积基板加热至制备温度，采用电子枪发射的高能电子束轰击熔融陶瓷靶材，同时在气体电离室中按需求通入适量氧气，通过外部电源施加的高压(300-3000v)将氧气电离为氧离子，将产生氧等离子体释放到真空沉积室中，与靶材熔融蒸发后产生的离子态物质更好的结合在一起，起到充分补氧的作用，从而得到性能更好的热障涂层。

25、氧气电解离生成的氧等离子体不仅仅起到在物理气相沉积法制备热障涂层的过程中补充氧的作用，同时能够辅助热障涂层的生长。同时，氧等离子体的数量可以根据需求进行控制，通过控制外部电源的大小以及通入的氧气量对氧等离子体的数量进行控制。

26、本发明主要对通入的氧气进行电解离，实现热障涂层制备过程中的高效补氧，同时也可根据制备需求通入其他气体进行辅助制备。

27、本发明的有益效果：

28、与目前使用的在电子束物理气相沉积法制备中不通氧或者在真空室中直接通入氧气进行热障涂层制备相比，本发明一种氧解离辅助物理气相沉积法制备热障涂层的装置与方法，通过气体电离系统将通入的氧气电解离为氧等离子体，在真空制备条件下实现了热障涂层高效的补氧作用；与在真空沉积室中直接通入氧气相比，电解离后氧等离子体具有更好的化学活性，氧等离子体比氧气分子更好的实现补氧功能，在热障涂层制备过程中起到充分补氧的作用，得到性能更加优异的热障涂层。同时，本发明涉及的气体电离系统组成简单，通过加入外部电源施加高压电离氧气，结构简单实用方便。同时，本发明不仅可以电解离氧气，也可以根据制备需求通入其他气体电解离电子束辅助物理气相沉积沉积法制备热障涂层。