热障涂层(Thermal Barrier Coatings)为一层陶瓷涂层，热障涂层的使用时依附 于金属或超合金表面，这些合金通常具有耐高温特性。热障涂层沉积在合金表面 后，它对于基底材料起到降温，隔热等作用，涂层的使用提高器件(发动机等)热 效率,使得用其制成的器件能在更高的温度下运行。

1.2 等离子喷涂概念简介

1.2.1 概念

热喷涂是以一定形式的热源将粉末、丝状或棒状喷涂材料加热至熔融或半熔 融状态，同时用高温气流使其雾化，喷射在经过热处理的零件表面、形成喷涂层， 用以改善或改变工件表面性能的一种材料表面加工技术。热喷涂工艺包括大气等 离子喷涂（APS），超音速火焰喷涂（HVOF）以及电弧喷涂（TWA）等多种喷 涂方法，它是利用燃气流或高能等离子来加速微小粒子，使不断撞击基体，从而 沉积形成致密涂层。然而，热喷涂条件极大地影响涂层的力学性能[1]。喷涂粒子 的性能，如粉末粒度、飞行粒子温度和速率，以及基材温度等，影响涂层的性能。 等离子喷涂是热喷涂的一种方式，热源是等离子弧，它在等离子射流或等离 子体中送进粉末材料，粉末颗粒在等离子射流或等离子体中加速、熔化或部分熔 化，后由受到冲击力的作用，粉末在基底上铺展，后凝固形成层片，通过层片叠 层形成涂层 [2]。与普通的火焰热喷涂相比而言, 使用等离子喷涂而成的陶瓷涂 层具有气孔率较低、结合力较高的特点, 目前等离子喷涂在耐磨、减磨、抗腐蚀、

抗高温氧化和热障涂层等方面得到广泛应用[3]。

1.2.2 发展过程及研究现状

现代宇航技术发展产生于 20 世纪 50 年代 [4]，等离子喷涂随着航空航天工 业而生。当时原子能工业技术及现代航空航天的出现，对高热性能和高物理性能

的涂层提出要求，高喷速、高热源以及改善喷涂气氛这些方面被人们进行了研究， 等离子喷涂设备被研制出来[5]。在以后的 60 年里，人们对等离子喷涂的相关设 备进行了许多研究和发展。近十几年，低压等离子喷涂、反应等离子喷涂、高频 等离子喷涂、扩展弧超音速等离子喷涂等被开发出来，并设计研制出多种新型等 离子喷枪[6]，等离子喷涂技术得到飞速发展。

等离子喷涂的热源是压缩电弧，通常是以 Ar 或 N2 为工作气体，同时，加入 少量 H2 以提高等离子体的焓值。等离子喷涂大多用于加工粉末和粉体材料。等 离子喷涂的系统设备如图。在系统工作过程中，等离子喷枪产生了等离子弧，喷 涂工作时，在电源负极接入的是喷枪的钨电极作为阴极，电源正极接入的是喷枪 和喷枪外部壳体作为阳极。工作气体通过进气管进入喷枪，电源接通以后，电弧 在弧柱区起弧，此时电弧温度很高，高温使气体发生电离进而产生了等离子体。 在等离子喷涂过程中，对于等离子射流和等离子喷枪的结构，电弧受压缩，温度 急剧升高，高达 16000K，喷射速度增大，喷嘴射出高速高温的等离子射流经过， 粉末喷涂材料通过送粉通道送入，在等离子体焰流中，材料为熔融或半熔融状态， 此时伴随离子体的高速撞击和喷射，材料在工件表面发生平铺、溅射及凝固，沉 积在工件表面从而形成涂层，同时，大量热量传给工件的基体[7]。

概括来讲，等离子喷涂是热喷涂技术的一种，是将粉末送入等离子体或射流 中，粉末颗粒会在其中发生加速、熔化或部分熔化，由于受到冲击力的作用，在 基底上铺展并凝固形成层片。如图 1.1 所示：