保护性（MCrAlY）和热绝缘涂层（TBC）的电子束/物理气相沉积

用于航空和发电行业的燃气涡轮发动机在效率上的要求日益严格。这是因为要求降低石油消耗并减少操作成本所致。提高涡轮效率的主要手段是增加引擎的涡轮部分的操作温度。所使用的材料在运行期间必须能经受更高的温度和机械应力，以及侵蚀、腐蚀和其它恶劣的条件，同时为终端用户提供更长的使用寿命。在此领域，EB/PVD涂层工艺将发挥重要的作用。

提高涡轮效率
涡轮部件已经持续改进了几十年，尤其在耐温方面。起初改进的焦点在于改进叶片材料本身和温度能力。自从60年代以来，通过改进铸造方法；开发新型镍基合金；优化部件形状、部件尺寸、颗粒结构；对部件进行特殊的冷处理，取得了很大的改进。该工艺在今天仍在持续发展，但是温度和效率已经达到物理学原理的极限范围。自从70年代以来，使用了金属真空涂层（例如MCrAlY）来保护镍合金部件表面不受高温气体的腐蚀。这些涂层的成功标志着已经开始开发具有热障性能的非金属涂层。今天，这些涂层是设计所有现代飞机涡轮发动机不可或缺的一部分。

对于金属腐蚀保护涂层和热障涂层（TBC），电子束物理气相沉积（EB/PVD）都是最好的选择。EB/PVD涂层技术目前专用于飞机引擎部件上的热障涂层。

EB/PVD涂层应用
在不同的真空涂层技术中，电子束/物理气相沉积的特色是利用了高能量聚集电子束，可熔化和蒸发金属和陶瓷。很高的沉积速度使得许多应用节省了成本。EB/PVD涂层用于透镜和滤镜的光学涂层领域，半导体制造领域、包装网涂层和许多其它高容量的应用。在60年代晚期，Leybold-Heraeus首次介绍了涡轮零件涂层系统。

叶片涂层
利用最先进的方法制造的涡轮叶片主要包括：
· 特殊形状、精密铸件、高温合金、具有冷却空气通道的单晶部件；
· 粘合剂涂层；
· 扩散隔膜；
· 热障涂层。

粘合剂涂层为了保护高温合金的部件表面免受热空气的腐蚀，以及补偿高温合金和陶瓷热障涂层之间的热膨胀。粘合剂涂层可吸收零件和保护性陶瓷涂层的机械应力。粘合剂涂层用于单独的制造步骤。MCrAlY粘合剂涂层原本利用EB/PVD方法开发。当今，低压等离子喷射（LPPS）为另外一种用于制造该类粘合剂涂层的真空工艺。LPPS的优势在于工艺相当简单、成本很低，尤其适合于大型部件，例如用于涡轮发机动的叶片。但是，当飞机引擎的叶片应用MCrAlY时，EB/PVD仍是最好的选择。为了避免使用MCrAlY时侵犯专利，又开发出了另一种粘合剂涂层工艺，铝化铂（Platinum- Aluminide）。在此工艺中，铝用于简单的真空熔炉中，在单独的步骤中用铂进行电镀，然后利用最终的热处理工艺生产具有要求性能的铝化铂涂层。这两种涂层当今都在使用，质量不相上下。使用MCrAlY或PtAl取决于设备制造商（OEM）制订的规范。

扩散隔膜用于粘合剂涂层和热障涂层（TBC）之间，增强两层之间的粘着力。扩散隔膜包括位于粘合剂涂层上部的薄Al2O3陶瓷区。这对于使用TBC是非常理想的条件。通过氧化MCrAlY或PtAl粘合剂涂层的表面铝，从而在实施TBC涂层之前，就在EB/PVD机器内部形成了该Al2O3陶瓷区。

热障涂层（TBCs）用作最终涂层，保护涡轮机部件免受高温影响。厚度如纸张的涂层可经受气体的高温，比镍基高温合金的熔化温度还要高出100至150℃。氧化钇作为稳定剂的ZrO2被证明是生产TBC的理想材料。利用EB/PVD制造的TBC具有树枝状结构，根部牢牢固定，尖部松散，因此可以吸收很高的机械应力，这些机械应力由剧烈快速的变化以及飞机和静态燃气涡轮机产生的热循环造成。用于制造TBC的EB/PVD方法自发明至今，都是用于飞机涡轮部件的唯一方法。一种TBC的替换方法，空气等离子喷射（APS），近年来得到开发。空气等离子喷射（APS）法与EB/PVD比较有它的优势和局限性。优势包括： 在大气环境下处理，无需真空；涂层设备的投资相对较低；可快速对大型部件进行涂层以及涂层的热绝缘性能良好。局限性包括：涂层为托盘结构，在粘着性和热循环属性方面较差；由于粉末颗粒会导致冷却孔的关闭；涂层比较粗糙，因此要求在完成涂层后对表面进行光滑处理，所以该工艺要分多步进行。个别设备制造商（OEM）选择使用APS，用于涡轮发电机的大型部件的TBC涂层方法。因为APS具有工艺简单、操作成本比较低的特点。但是同一设备制造商却利用EB/PVD方法对飞机部件进行涂层，这主要是因为该方法具有极高的质量和可靠性。

EB/PVD-生产系统

涂层机械
EB/PVD大规模生产系统配有中央涂层室，两杆电子束枪和一个用于涂层工艺的氧化锆陶瓷池。预热室连接在涂层室的任意一侧。每个预热室允许连接两个交替使用的促动部件装载室。每个装载室装有一个用于需涂层的部件的托架和驱动系统。该系统将部件从装载位置送至预热站，最终到达涂层位置。在涂层位置，部件可以旋转、倾斜或同时进行，适应部件的几何形状和特定的涂层厚度分布要求。真空阀装于涂层室和加热室之间。这样允许部件涂层从机器左侧进行装载，同时下一批部件在右侧加热室进行预热。涂层工艺一完成，左侧部件就被送往卸载站，同时在右侧的预热部件被送往涂层室进行涂层。在涂层过程中，左侧部件被卸载下来，同时新部件继续补充，然后送往预热站。EB/PVD涂层系统的模块设计能够安装四个装载室，来满足最高生产率要求，两个装载室用于中等处理能力，或单独一个装载室用于试生产，或具有小型处理能力的装载室，满足修理或检查的需要。

TBC工艺
先前描述的扩散隔膜在TBC涂层之前就已在预热过程形成。决定TBC质量的主要因素为发生在涂层室中的过程。必须生成均匀的蒸汽云。为了达到这一目的，必须加入适当量的涂层材料，同时加入充足的活性气体，选择在熔化材料上进行扫描的合适的电子束扫描模式，最后，部件以预先编程的运动形式进入蒸汽云里。

工艺控制
ALD的EB/PVD系统具有简单易用的工艺控制器，可对零件操纵装置和传动机构进行完全重复性的最佳控制。以现代生产设备的先进水平对加热、涂层、新材料供给、真空系统、阀门、互锁、安全和其它项目进行控制。ESCOSYS®（电子束扫描计算机系统）控制电子束在熔化的陶瓷锭上的扫描。只有在极少数情况下，涂层过程背离了它的最佳进程，要求进行人工干预。这种情况下，只要点击鼠标，就可以进行校正，并且使这个工艺返回理想过程。然后通过在ESCOSYS® 电脑系统中预先编程的算法对工艺过程进行稳定。这种类型的控制系统无需频繁的人工干预，被证明是用于控制EB/PVD涂层工艺，达到高产量的最可靠、最成功的方式。所使用的主要工艺控制器可对影响每件单独产品的所有参数进行文件编制。从部件将要被涂层直至到达称重站；从将要装载前直至它们被卸载和再次称重，所有站点都互相联网。每一处和每个阶段的处理过程都进行了文件编制，从而保证了质量，这对于用于飞机制造的关键零件是必要的一环。整个系统将整合至操作者的主机环境中。

未来的发展
当人们开始考虑部件的通用设计，形成系统操作员生产链后，将有更多的机会做进一步的改进。现在互相分离的独立工艺在将来都可以进行合并。这将降低复杂性、提高质量以及减少终端产品的成本。这些应用的例子有：涡轮叶片使用TBC，表明EB/PVD涂层技术具有很大的潜力改进涡轮机的效率。现在所进行的努力是研究新型陶瓷材料的发展，比当今使用的材料具有更优越的热绝缘性能。多层涂层和专为客户定制的不同陶瓷组合，提供更好的热绝缘，展示出与粘合剂层之间更好结合力的工艺方法也在研究之中。