一种采用低温等离子体制备多孔性热障涂层的装置及方法与流程

本发明涉及一种采用低温等离子体制备多孔性热障涂层的装置及方法，属于模具表面处理技术领域。

背景技术：

注塑制品的生产通常根据不同形状、性能、用途的制品而对模具有着不同的功能和性能上的需求。面对模具严苛的工作环境，有必要在模具型腔表面镀一层涂层以实现对模具的性能要求。将热障涂层应用到模具型腔表面是一个新的方向，可以起到保护模具、延长模具使用寿命，改善熔体流动性，延迟熔体冷却时间，保持型腔内较高且稳定的温度等作用。

常用的模具表面处理工艺包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、盐浴覆层处理、堆焊技术、等离子体热喷涂技术等。但PVD和CVD技术需要在真空下操作，提高了反应成本；其它表面处理技术同样存在反应时间长、使用条件苛刻等问题。等离子体热喷涂在涂层的制备方面有着成本低、可大批量生产、对喷涂材料和基底几乎没有限制、涂层和基体结合强度高等优势，但常用的热喷涂技术采用的通常是电弧等离子体，其原理是通过高温将输入的粉末融化，进而喷涂在基底上。这种方式存在孔隙率过高、涂层过热、等离子体与基体温度相差太大产生过大的热应力、等离子体温度从极高的温度骤降到室温导致涂层碎裂等一系列问题。

中国专利CN 102534457 A公开了一种制备热障涂层结构的方法。该发明涉及一种利用等离子体-物理气相沉积技术在基材表面制备热障涂层。工作环境要求小于1kPa的腔室压力，这对工作环境提出了限制，增加了成本。中国专利CN 109023205 A公开了一种采用超音速火焰喷涂热障涂层的方法。这种方法先利用超音速火焰喷涂进行粘接层制备，然后在阻热剂中添加热稳定剂混合均匀后，与愈合剂进行异路送粉热喷涂，得到裂纹自愈合热障涂层。但是超音速火焰喷涂燃料消耗大，成本较高。中国专利CN 109023201 A公开了一种双层梯度结构热障涂层及其制备工艺。该发明所提出的双层梯度结构，实现了新材料/新结构的结合，突破单一材料涂层的厚度对隔热能力和服役寿命的反向制约关系，从而确保了新型结构的高隔热、长寿命、耐高温的协同设计。这种涂层制备工艺需要制备两层层状隔热层，且第二层层状隔热层由N个亚层堆叠构成，在其制备过程中还要调整喷涂参数使得各亚层的热导率由内向外依次递减且每层要确保隔热温度相同。这些条件在工艺上都难以实现，操作步骤繁琐，成本较高。中国专利CN 108950461 A公开了一种适用于铁基高温合金表面热障涂层的制备方法。该方法首先进行纳米喂料材料的团聚处理，再对铁基板进行清洗和预热处理，然后制备粘接层，粘接层重熔及陶瓷层喷涂处理，最后对制备态涂层进行热处理。这种方法需要大量的时间去制备纳米喂料材料，且粘接层重熔需要5～7次往复喷涂，钇稳定氧化锆(YSZ)涂层要往复喷涂8～11次。步骤复杂，成本较高。该方法只针对于铁基合金，通用性不强。中国专利CN 107699840 A公开了一种多孔氧化锆热障涂层的制备方法。该方法直接采用8YSZ粉末进行喷涂，粉末在等离子体矩中的熔融效果不好；且该方法将有机造孔剂直接与8YSZ粉末混合，容易造成造孔剂还未到达基体表面就已经分解的现象，导致造孔效率低，同时增加了成本。中国专利CN 109023315 A公开了钛合金表面高结合强度热障涂层的制备方法。该方法采用溶胶凝胶法与激光熔覆技术相结合在钛合金基体表面进行涂层制备。这种方法操作复杂，且激光熔覆技术设备昂贵，成本太高。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提供一种低温等离子体喷涂装置及方法，通过在模具表面喷涂热障涂层，解决因严苛工作环境引起的模具型腔表面失效等问题。区别于高温等离子体，低温等离子体利用高能电子和活性自由基分解液态前驱体片段，并在基体表面发生反应，因此不存在上述由温度骤降所产生的一系列问题。此方法结构简单、成本低，易于大规模生产。

本发明的目的在于提出一种采用低温等离子体制备多孔性热障涂层的装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明通过高压电源在高压电极和地电极之间产生放电，通入载气和激励气体形成等离子体放电，载气将溶液中的前驱体和成孔剂分别送入等离子体反应腔中，在等离子体的作用下在基体表面反应形成多孔性热障涂层。

本发明涉及一种采用低温等离子体制备多孔性热障涂层的装置，包括等离子体反应腔、高压电源、三维移动平台、预热台、前驱体样品池、成孔剂样品池、气路控制器、气体瓶、真空泵、高压电极、地电极、反应室和待加工基体。所述的等离子体反应腔包括有高压电极、地电极；所述的反应室由等离子体反应腔、三维移动平台和预热台构成。所述的高压电源与等离子体反应腔体的高压端连接，工作气体经由气体瓶分别输运至前驱体样品池和成孔剂样品池，由气路控制器控制气体流量。在高压电极和地电极之间产生等离子体，前驱体和成孔剂经由两路气体同时送入等离子体反应腔中。

所述的真空泵与反应室连接。

被处理的基体放置于预热台上，预热台放置于三维移动平台上。

本发明一种采用低温等离子体制备多孔性热障涂层的装置的具体实施步骤如下：

步骤1、对待加工基体表面进行清洗；

先使用质量分数为5％的稀盐酸对基体表面进行清洗，再用质量分数为10％的NaOH溶液进行清洗；

步骤2、配置溶液前驱体及成孔剂溶液；

配置1mol/L的ZrClO2溶液作为低温等离子喷涂的溶液前驱体，再配置饱和的碳酸氢钠溶液用作成孔剂；

步骤3、将待加工的基体放置在三维移动平台上，并调节至合适的位置和角度，然后对基体进行预热；

步骤4、反应室抽真空(如采用大气等离子喷涂无需此操作)；

步骤5、打开气源，调节好气体流量；

步骤6、打开高压电源，调节电源参数，进行等离子体放电。

作为本发明的进一步改进，步骤3中所述三维移动平台的位置和角度可实现连续调节。

作为本发明的进一步改进，步骤3中的三维移动平台可对基体进行预热，预热温度为200～300℃，时间5～10分钟。

作为本发明的进一步改进，步骤5中携带溶液前驱体的载气Ar流量的流量调节为1～70L/min，携带成孔剂的载气Ar流量的流量调节为1～40L/min。

作为本发明的进一步改进，步骤6中高压电源可以是直流电源、射频电源、交流电源、脉冲电源等。

作为本发明的进一步改进，溶液前驱体由等离子体喷枪后端轴向进入，成孔剂从等离子体喷枪前端径向进入。

作为本发明的进一步改进，电极的形状可根据实际需要设计，以满足加工任意形状表面的要求。

本发明的有益效果是：利用高能电子或活性自由基在基体表面发生反应，避免了高温等离子体喷涂所存在的等离子体接触基体表面产生温度骤降而造成的一系列问题；装置简单，可操作性强，易于实现，可用在各种材料基体表面的涂层制备，成本低廉；采用溶液前驱体进行喷涂，喷涂效率高；涂层孔隙率可通过成孔剂的送入量进行调节；可有效在注塑模具型腔表面制备低热导率的热障涂层。

附图说明

图1为一种采用低温等离子体制备多孔性热障涂层的装置的组成示意图。

图中：1-等离子体反应腔、2-高压电源、3-三维移动平台、4-预热台、5-前驱体样品池、6-成孔剂样品池、7-气路控制器、8-气体瓶、9-真空泵、10-高压电极、11-地电极、12-反应室、13-待加工基体。

具体实施方式

一种采用低温等离子体制备多孔性热障涂层的装置，如图1所示，由等离子体反应腔1、高压电源2、三维移动平台3、预热台4、前驱体样品池5、成孔剂样品池6、气路控制器7、气体瓶8、真空泵9、高压电极10、地电极11、反应室12和待加工基体13组成。采用该装置制备多孔性热障涂层的具体实施例的步骤如下：

步骤1、对待加工基体表面进行清洗和预处理：

先使用质量分数为5％的稀盐酸对待加工基体13表面进行清洗，再用质量分数为10％的NaOH溶液进行清洗；

步骤2、配置溶液前驱体及成孔剂溶液：

配置1mol/L的ZrClO2溶液作为低温等离子喷涂的溶液前驱体，再配置饱和的碳酸氢钠溶液用作成孔剂，并分别盛放在前驱体样品池5和成孔剂样品池6中；

步骤3、将待加工的基体放置在三维移动平台3上，并调节至合适的位置和角度，然后由预热台4对基体进行预热，预热温度250℃，时间5分钟；如采用低压等离子喷涂，则打开真空泵9将反应室12抽真空；

步骤4、打开气体瓶8阀门，通过气路控制器7调节好气体流量：

携带溶液前驱体的载气Ar的流量调节为35L/min，携带成孔剂的载气Ar的流量调节为25L/min，前驱体和成孔剂同时送入等离子体反应腔1中；

步骤5、打开高压电源2，将电压调节至10kV，频率调节至1500Hz，脉宽调节为500ns,在高压电极10和地电极11之间产生等离子体进行涂层制备；

步骤6、将制备好的热障涂层进行孔隙率和导热系数的测试。