高纯氧化钇复合涂层的研制

        氧化钇涂层是近年来发展起来的一种新型涂层，因其优异的抗等离子腐蚀性能在电子行业、航空航天领域得到广泛的应用。由于氧化钇涂层具有比氧化铝更好的抗等离子体冲蚀性能和更长的使用寿命而逐步取代氧化铝陶瓷涂层材料，使刻蚀机反应室涂层的防护性能得到了成倍的提高。目前，国外及国内很多研究机构已开展高纯氧化钇涂层制备及其性能研究，对其制备工艺、抗等离子体腐蚀、热稳定性、热震性能等进行了系列研究，但针对刻蚀机铝制零件表面涂层结构及性能研究还不***。而对于单层高纯氧化钇涂层，其厚度有限，若基体出现等离子体刻蚀***将对刻蚀质量造成严重危害。本文针对刻蚀机特殊使用环境，设计了氧化铝、氧化钇双层涂层，并对复合涂层的制备及性能进行了研究。
试验方法
         本文采用铝合金样块作为基体材料，采用等离子喷涂方法制备高纯氧化钇单层涂层（涂层1），对基体进行除油、喷砂等前处理后，直接进行氧化钇涂层的喷涂。采用德国GTV公司等离子喷涂系统进行氧化钇涂层制备，主气流量为38L/min，辅气流量为15L/min，电流为600A，喷涂距离为240mm，喷涂材料采用进口自制高纯氧化钇球形热喷涂粉末，粉末粒度范围在20～45μm之间。
         双层复合涂层（涂层2）的底层为等离子喷涂方法制备的氧化铝层，表层为等离子喷涂主法制备的高纯氧化钇涂层。底层采用烧结破碎氧化***末，制备工艺参数为：主气流量39L/min，辅气流量12L/min，电流620A，喷涂距离200mm。表层采用涂层1的制备方法及工艺。
         采用HITACHI S-3500N型扫描电镜对涂层1和2进行微观***形貌观测，对涂层孔隙率进行分析；采用WDW-100A型微机控制电子式***试验机对涂层结合强度进行测试；采用TIME TR100表面粗糙度仪对涂层制备粗糙度进行测试；对铝合金基体上的氧化钇喷涂和氧化铝涂层上的氧化钇喷涂进行沉积率测试。
试验结果与讨论
       涂层显微***与孔隙率
       涂层1、2的截面微观***形貌分别可以看出，复合涂层中氧化铝及氧化钇层的致密度和孔隙率相当，也与单层氧化钇涂层的孔隙率接近。同时氧化钇与氧化铝层间结合紧密，不存在明显裂纹及裂纹源。氧化铝层作为抗等离子腐蚀层具有优良的抗蚀性能，作为底层可在氧化钇涂层失效时起到暂时保护基体的作用。控制涂层2中氧化钇表层的厚度，使之达到涂层1 中氧化钇层的厚度，则可以使复合涂层具有优于单层涂层的抗蚀性能。
        涂层粗糙度测试结果
         两种涂层喷涂后不进行任何后加工，进行表面粗糙度测试，测试结果可以看出，两种涂层的表面粗糙度都较低，一次喷涂成型后表面光洁度较高。涂层2的粗糙度较涂层1略大，这是由于涂层2的氧化钇涂层是在氧化铝涂层上进行制备的，而氧化铝层本身的粗糙度较基体高，因此上层涂层粗糙度略高。
        涂层结合强度测试结果
         涂层1、2与基体的结合强度测试结果可知，单层涂层结合强度平均值为5.7MPa，复合涂层结合强度平均值为7.8MPa。观察涂层1、2的断裂面发现，涂层的断裂均出现在氧化钇层内部。说明复合涂层设计不会降低涂层结合强度。相反，氧化铝层增加了喷涂氧化钇层的层面粗糙度，增加了氧化钇层的结合强度。同时，氧化钇涂层结合强度仍在可清除再加工范围内，不会给涂层维护、修复造成难度。
         氧化钇涂层喷涂沉积率测试结果
         对两种涂层制备过程中氧化钇层的沉积率进行测试，单层涂层沉积率为31.4%，复合涂层中氧化钇层沉积率为36.7%。复合涂层中氧化钇喷涂沉积率较高，这是由于氧化铝层表面粗糙度较铝合金基体大，熔化的氧化钇液滴更容易粘结在底层表面。虽然氧化铝为陶瓷层，但其熔点低于氧化钇，且与氧化钇热膨胀系数更为接近，高温下有利于与氧化钇的冶金结合，同时待喷涂结束涂层冷却后，两层涂层间不易存在大的应力，不容易开裂与脱落。在氧化钇涂层厚度一定的情况下，较大的沉积率可以缩短喷涂加工时间，减小喷涂对基体造成的热影响，提高涂层质量。
结论
         在铝合金基体表面制备等离子喷涂氧化铝复合高纯氧化钇双层涂层具有微观***致密度高、孔隙率小的特点，其结合强度、表面粗糙度均大于单层氧化钇涂层，双层涂层制备过程中的氧化钇沉积率高于单层涂层。
         复合涂层可减小制备过程对基体的热影响，降低涂层应力，同时在等离子体冲蚀中可减缓涂层的彻底失效，有效保护基体，并且具有易清除再加工的特点，可作为抗等离子体冲蚀用复合涂层。
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