TBC涂层前的关键表面预处理步骤

从表面工程与质量保证的角度来看，在进行热障涂层（Thermal Barrier Coating，简称TBC）之前对超合金基体的预处理，往往比涂层工艺本身更为关键。若表面存在污染、形貌不良或次表层损伤，无论涂层质量多高，最终都将导致TBC提前失效。此过程是一个多阶段、严格受控的程序，旨在确保整个涂层系统的完美附着与长期稳定性。

关键表面预处理步骤

1. 脱脂与化学清洗

该步骤用于去除制造过程中产生的所有有机污染物、油脂及残留物，包括来自CNC加工及人工操作的污染。

• 工艺： 采用蒸汽脱脂、碱性清洗或超声波清洗，使用专用溶剂去除残留物。

• 原理： 任何碳氢残留都会形成弱边界层，阻碍粘结层与金属表面形成紧密接触，并成为气孔及剥落的潜在起始点。

2. 机械表面活化（喷砂）

此步骤是形成理想表面形貌以实现涂层机械锁附的核心环节。

• 工艺： 使用锋利的氧化铝砂等介质，以受控的压力与角度喷射至工件表面。该过程依据标准定义以获得特定的表面粗糙度（Ra），通常为3–5微米（120–200微英寸）。

• 原理： 粗糙表面显著增加粘附面积并形成有利的机械“咬合”结构，同时可在近表层产生有益的加工硬化。工艺需严格控制，以避免介质嵌入或产生过度冷作变形。

3. 最终化学清洗与去氧化

喷砂后必须进行更精细的化学清洗。

• 工艺： 通常采用酸洗或去污处理，去除残留的微观污染物、嵌入颗粒及喷砂后生成的氧化膜。

• 原理： 喷砂暴露出新鲜金属后，其表面会迅速氧化生成疏松的“原生氧化层”。必须在涂覆粘结层前立即去除，以确保冶金洁净表面。对于镍基超合金如Inconel 718，通常采用低酸度去氧化液处理。

4. 粘结层的施加

虽然粘结层属于涂层系统的一部分，但其施加过程也是陶瓷面层涂覆前最关键的表面准备步骤。

• 工艺： 粘结层（通常为MCrAlY合金或渗铝涂层）通过真空等离子喷涂（VPS）或电子束物理气相沉积（EB-PVD）等受控工艺施加。

• 原理： 粘结层具有两大功能：① 通过形成稳定且缓慢生长的Al₂O₃氧化膜（TGO）提供抗氧化保护；② 缓解金属基体与陶瓷面层之间的热膨胀失配。该层需在真空或惰性气体环境下沉积，以避免沉积过程中生成不稳定氧化物。

5. 粘结层表面活化（可选但关键）

在施加YSZ陶瓷面层之前，可对粘结层进行最终表面调理。

• 工艺： 轻度喷砂或受控热处理，使表面略微粗化并优化其化学状态。

• 原理： 该过程有助于形成均匀、细微的表面粗糙度，增强陶瓷层的机械锁附，同时确保TGO在其上均匀成核。

工程与质量控制要点

1. 材料针对性： 清洗与酸蚀工艺参数必须针对特定超合金基体优化，以防止选择性腐蚀或晶相蚀坑。

2. 过程验证与可追溯性： 各步骤均需记录与验证。对于航空航天部件，该流程需遵守如NADCAP等严格标准。喷砂介质批次、清洁度及工艺参数均须完整追溯。

3. 时间敏感操作： 最终清洗与粘结层沉积（尤其是VPS/EB-PVD）之间的时间间隔必须最短化——通常仅数小时——以防表面再氧化。

4. 涂覆前检测： 预处理完成后，工件需经过严格的外观、尺寸及必要的渗透检测，确保无缺陷、粗糙度达标、表面洁净后方可进入涂覆腔室。