楊永欽 / 台北科技大學材料科學與工程研究所
電漿熔射噴塗技術是工業開發的重要技術，以此技術製備塗層是一種低溫且快速簡便的鍍膜製程，同時能改良工件材料表面性質，如耐磨耗、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、絕緣及熱傳導等。透過電漿熔射噴塗技術，不論陶瓷或是金屬粉體皆可藉由粉末的熔融以及噴塗變數的控制，於基材上獲得所需的鍍層，因此被廣泛應用於各種領域製造高質量的塗層。電漿熔射噴塗技術於工業上之航空、汽車、建築或是生醫材料具有應用優勢，且持續跨足各大領域中，已成為各工業大國指標性發展的技術之一。本文介紹大氣電漿熔射噴塗和真空電漿熔射噴塗之技術原理，以及電漿熔射噴塗於積層陶瓷製備之應用，包括：固態氧化物燃料電池薄膜電極、半導體設備碳化硼塗層、人工關節陶瓷塗層、航太應用絕熱塗層等，並探討影響塗層穩定性之因素。
【內文精選】
大氣電漿熔射噴塗
電漿熔射噴塗一般在大氣下施工，又被稱為大氣電漿熔射噴塗(APS)，其原理是在電極(陰極)及噴嘴(陽極)之間輸入數百安培電流及數十伏特電壓之電能，透過通入氣體解離形成電漿，再藉由氣流將熔融粉末撞擊至基材上形成塗層。因電漿焰溫度達10,000~15,000 K，幾乎所有材料皆可以熔融，主要噴塗高熔點材料如陶瓷類為主。電漿熔射噴塗是利用DC或RF電弧放電，電弧能量傳遞給通過電極與噴嘴間隙的工作氣體瞬間加熱至上萬度，工作氣體會急遽膨脹和連鎖性地游離及局部離子化反應，產生高速電漿噴流(Plasma Jet)，過程中利用高溫使噴塗材料加熱熔融，再由高速氣流將熔融材料撞擊至基材形成塗層。氮氣(N2)、氬氣(Ar)、氦氣(He)和氫氣(H2)為電漿熔射噴塗常用的工作氣體，不同種類工作氣體會影響解離(Dissociation)和電離(Ionization)吸收的總熱焓值。
電漿熔射噴塗於積層陶瓷製備之應用
1. 固態氧化物燃料電池(SOFC)薄膜電極的製備
電漿熔射噴塗技術是一簡便且快速之製程，廣泛運用於將陶瓷薄膜鍍於金屬基材上。舉個例子，使用電漿熔射噴塗法製備固態氧化物燃料電池多孔性陽極，可以避免因傳統高溫燒結製程而造成陽極材料孔隙率下降，以及解決金屬導體及氧化物氧離子導體間因不同熔點所造成的燒結問題。電漿熔射噴塗製造SOFC電極最大的好處是可以輕易地製作多孔性的電池電極，對於降低燃料電池製作成本相當有幫助。
4. 電漿熔射噴塗技術於航太之應用
熱噴塗技術在航太領域主要以燃氣渦輪發動機應用最廣。燃氣渦輪發動機本身運用於船舶(軍艦或大型貨輪)、車輛(坦克或工程車輛)、飛機或發電機組。絕熱塗層(Thermal Barrier Coating; TBCs)的功能主要是用來阻絕溫度的傳遞，保護工件本身不會受到高溫熔蝕並隔絕外部的熱傳遞至內部，保護基材不會受到熱疲勞及高溫潛變影響。典型的絕熱塗層結構主要是由金屬抗氧化介層以及一層低熱傳導的陶瓷絕熱層所組成，其中陶瓷絕熱層的厚度達到約150 μm時，可有效降低金屬元件表面約170˚C。金屬介層(Bond Coat)的選用會以可耐高溫氧化及熱腐蝕防護的塗層為主，如MCrAlY。陶瓷絕熱層的選擇主要是以耐高溫陶瓷為主，通常選擇以氧化鋯成分為主的氧化釔安定氧化鋯(YSZ)系列塗層(如圖九所示)。
圖九、渦輪葉片絕熱塗層之示意圖
5. 電漿熔射噴塗製備之塗層的穩定性
電漿熔射噴塗技術是一簡便且快速之製程，廣泛使用於將陶瓷薄膜鍍於金屬基材上，藉由改變電漿熔射的噴塗變數、粉末粒徑、粉末型態等條件，便可獲得不同結構、不同緻密性之鍍層。然而經由電漿熔射噴塗鍍層的製程中，塗層經急速凝固後，由於本身收縮或因基材與塗層熱膨脹係數之不同，會於塗層中或是塗層與基材界面附近產生殘留應力(如圖十二所示)，對於塗層與基材的結合強度有負面的影響 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十二、噴塗和冷卻過程中塗層結構圖示 (a)塗層堆積在基材上承受拉伸應力；(b)塗層在拉伸淬火應力下破裂；(c)後期熔融塗層填充現有裂縫；(d)塗層的最終應力狀態會受到整體試片冷卻程序所影響
★本文節錄自《工業材料雜誌》442期，更多資料請見下方附檔。