Al_(2)O_(3)改性等离子喷涂-物理气相沉积热障涂层的异物损伤行为及失效机理

由外来异物损伤引起的颗粒冲蚀是制约热障涂层使用寿命的重要因素。为了提高等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)热障涂层的耐冲蚀性能,采用磁控溅射和真空热处理在PS-PVD喷涂的7YSZ热障涂层表面制备一层致密的α-Al_(2)O_(3)。系统研究热障涂层的异物损伤行为,并采用第一性原理计算对α-Al_(2)O_(3)/c-ZrO_(2)界面进行研究。结果表明,PS-PVD、大气等离子喷涂(APS)和电子束-物理气相沉积(EB-PVD)热障涂层的冲蚀质量损失率分别为324、248和139μg/g,而Al_(2)O_(3)改性的PS-PVD热障涂层的冲蚀质量损失率降至199μg/g。此外,在Al_(2)O_(3)/ZrO_(2)-O的顶部构型模型中观察到的界面结合能最高(3.88 J/m^(2)),远高于ZrO_(2)/Ni(2.011 J/m^(2)),使界面结合性能得以提高。

等离子物理气相沉积高熵合金涂层及组织性能

采用等离子物理气相沉积的方法在316L不锈钢表面制备了AlCoCrFeNi高熵合金涂层,研究了喷涂距离和电流对高熵合金涂层物相组成、表面形貌、截面形貌、硬度、结合强度和耐磨性的影响。结果表明,不同喷涂距离和电流下,高熵合金涂层都主要由BCC、B2和FCC相组成;随着电流或者喷涂距离增加,涂层中BCC平均晶粒尺寸先增后减。当喷涂距离为460 mm时,随着电流从1600A增加至2000A,涂层平均摩擦系数逐渐增大,表面和截面硬度先减后增,涂层结合力和结合强度先增大后减小,涂层的磨损率先增加后减小;当电流为1800A时,随着喷涂距离从420mm增加至500mm,涂层平均摩擦系数逐渐减小,表面硬度先减后增,截面硬度先增后减,涂层结合力和结合强度逐渐增大,涂层的磨损率逐渐减小。高熵合金涂层的磨损率与涂层表面硬度和内聚强度都有一定相关性。

化学气相沉积HfO_(2)涂层的制备及性能

采用化学气相沉积(CVD)法在难熔金属Mo表面制备厚约8μm的HfO_(2)涂层。通过HSC Chemistry软件从热力学角度探究CVD HfO_(2)的反应过程,分析HfO_(2)涂层的微观形貌、择优生长情况和纳米力学性能,测试涂层与基体的结合力及抗热震性。结果表明:HfO_(2)涂层与基体结合良好,在经历25~2000℃,100次循环热震后涂层表面未出现宏观剥落;划痕法测定的涂层附着力约23 N;在2.5~5μm波段,涂层表面平均发射率为0.48,将Mo在该波段的平均发射率提高了近5倍。

面向切削刀具的物理气相沉积涂层回顾与展望

高速高精切削加工对切削刀具提出了愈加严苛的性能要求,表面硬质涂层可以显著提升切削刀具的耐磨性和使用寿命,已成为高性能切削刀具研发的关键。本文首先介绍了表面硬质涂层在切削过程中所起到的重要作用,然后综述了目前常用硬质涂层(氮化物、硼化物、氧化物等)及相关物理气相沉积技术的发展脉络和研究现状,最后分析了物理气相沉积刀具涂层存在的研究和应用问题。

基于ANSYS的物理气相沉积真空装置力学分析

PVD用真空装置是实现真空镀膜试验的重要设备,必须保证真空装置在实际工况和载荷的作用下十分安全可靠,不发生破损事故。文中采用ANSYS软件对真空装置建模、划分网格、确定边界,并施加实际载荷、地震载荷,计算在设计工况、正常工况、异常工况及事故工况下的应力值。采用计算值对原有的设计进行了修正,将壁厚从原始设计14 mm改为10 mm,节省了9%的不锈钢材料。修改后的设计方案仍可满足RCC-M规范要求。

用于半加成工艺的物理气相沉积制程研究

常规的半加成(SAP)工艺制作线路是通过化学沉铜在积层介质层上镀一层薄铜。物理气相沉积(PVD)可以在聚合物树脂表面溅射薄铜。研究了PVD制程中影响溅射铜与基材树脂表面附着力的因素,初步探讨了影响溅射铜附着力的机理,并开展了盲孔制作的相关影响因素研究。结果表明,溅射前树脂表面的处理条件、溅射功率、烘板温度等都会对铜与基材树脂表面附着力有影响,且采用PVD法制作盲孔具有可行性。另外,PVD镀层均匀性对线路和盲孔的可靠性十分重要,对影响镀层均匀性的因素开展了相关研究。

电子束物理气相沉积叶片热障涂层工艺稳定性提升技术研究

电子束物理气相沉积(EB-PVD)是航空发动机涡轮叶片涂层的先进制备技术。EB-PVD的工艺稳定性对于叶片涂层质量及批产一致性至关重要。本研究针对我国先进航空发动机对高性能热障涂层的应用需求,研制出了EB-PVD自动蒸发沉积技术和叶片多自由度涂层沉积技术。工艺验证和性能测试结果表明,所研制的自动蒸发沉积技术可使涂层过程靶材消耗均匀稳定,涂层质量良好;双坩埚结构配置可进一步满足新一代超高温双层结构热障涂层工艺需求。所研制的多自由度沉积技术有助于提升叶片涂层厚度均匀性,改善缘板涂层质量,实现涂层厚度和微观组织的精确调控。利用上述工艺制备的涂层试片抗燃气热冲击性能优异,模拟叶片缘板位置涂层寿命与模拟叶身位置涂层寿命相近。

等离子喷涂-物理气相沉积防护涂层及其失效机理研究进展

防护涂层在航空发动机和燃气涡轮发动机免受水氧腐蚀和盐雾侵蚀、耐高温、抗冲刷和服役寿命方面发挥着重要的作用。等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)技术以其大功率、喷射范围广、能够使粉末原料以气相甚至离子化和非视线沉积特性等特点被广泛应用在热/环境障涂层制备领域,形成的涂层具有沉积效率高、孔隙率较高、热导率低、应变容限高等特点。首先,对PS-PVD热障涂层的表面形貌、柱状晶特点和等离子射流特性进行了探讨。然后,讨论了PS-PVD YSZ热障涂层表面镀铝改性对涂层抗CMAS侵蚀、减少孔隙和裂纹、TGO的生成和提高热循环寿命方面的重要作用,结果表明表面镀铝能显著减少涂层表面孔隙、凹坑、微裂纹和熔融盐对于热障涂层的不利影响。其次,简要概述了近年来SiCf/SiC CMCs代替镍基高温合金在航空发动机基体上抗高温高压和快速失效方面发挥的重要作用。SiCf/SiC CMCs与T/EBCs的结合,有效延长了航空发动机的使用寿命,是我国航空事业的又一次重大突破。此外,重点介绍了PS-PVD非视线沉积特性和涂层阴影效应在涂层沉积方面这一特色,总结了TGO、残余应力、热膨胀失配、微裂纹和粗糙度是涂层失效的主要影响因素。最后,对PS-PVD技术未来在制备热/环境障涂层方面的前景进行了展望。

大气物理气相沉积行为对层流等离子喷涂Mo涂层结构影响

通过提高基体温度或粒子温度可以突破大气等离子喷涂涂层结合率一般不超过1/3的瓶颈,然而目前粒子温度难以通过提高功率等方式进一步提高。基于大气层流等离子喷涂的相关研究证明了层流等离子射流具有射流长度长、速度低、能量密度高等特点,能够有效通过提高粒子在等离子射流的滞留时间从而实现对粒子的充分加热。为了研究层流等离子喷涂高熔点Mo涂层的结构演变规律与关键影响因素,并推导出金属与陶瓷涂层的一般沉积行为,使用扫描电子显微镜对三种喷涂参数下制备的Mo涂层的结构进行了表征与分析。结果表明,喷涂过程中,在等离子射流以及高温粒子对基体的原位加热作用下,Mo的氧化物蒸气能够在等离子射流扫掠中与扫掠后附着、沉积在涂层表面,从而影响后续Mo粒子的沉积而改变涂层的微观结构。涂层的结构主要与Mo粒子的蒸发和基体温度有关。粒子蒸发越剧烈,基体温度越高,涂层越趋向于呈现出多孔岛状凸起结构;粒子蒸发越弱,涂层越趋向于呈现出层状结构,有利于实现低氧化、高致密金属涂层的制备,拓宽等离子喷涂的应用。综合以上研究结果,揭示层流等离子射流中的粒子大量蒸发现象与气相沉积过程,为其作为一种大气环境物理气相沉积的实施方式奠定了基础。

物理气相沉积制备高熵氮化物涂层的进展

从体系和沉积方法入手,分析了强氮化金属元素体系、弱氮化金属元素体系及含非金属元素体系在结构上的特性和共性给高熵氮化物涂层性能带来的影响,阐述磁控溅射和电弧离子镀膜技术沉积涂层的表面形貌、微观结构及性能方面的差异性,并分别总结这些制备技术的优缺点。最后对高熵氮化物涂层体系在结构成分设计和沉积方法两方面未来的研究方向进行了展望。

电子束物理气相沉积热障涂层隔热性能的磷光寿命在线测量

精确在线测量热障涂层(TBCs)在热梯度环境下的真实隔热效果对热障涂层的设计以及开发具有重要意义.采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备了含Eu掺杂的氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ:Eu)表层、YSZ中间层与Dy掺杂YSZ(YSZ:Dy)底层的磷光传感热障涂层.利用磷光信号的热淬灭特性对温度梯度环境下YSZ涂层表面以及黏结层/YSZ层界面温度进行在线测量,对EB-PVD YSZ热障涂层的真实隔热效果进行评估.结果表明:平均厚度为113μm的YSZ涂层在高温温度梯度下能够实现的平均温降为66.5℃,在温度区间为400~700℃内的平均热导率为(0.87±0.15)W/(m·K),略小于传统激光脉冲法的测量值(0.95±0.02)W/(m·K).上述结果证实了磷光在线测温技术用于热障涂层隔热效果测量的可靠性,为热障涂层隔热效果的实时监控提供了一种有效方法.

细团聚球形粉体的等离子物理气相沉积工艺适配性

等离子物理气相沉积(PS-PVD)技术由于可实现涂层组织结构柔性调控及高沉积效率和高隔热、长寿命热障涂层制备而被广泛关注,但其粉体制备技术及工艺适配性研究进展较为缓慢。开展PS-PVD粉体材料工艺适配性研究,通过粉体成分及结构的有效控制,设计并制得一种采用化学共沉淀原料的1~20μm的“双相”结构松散球形团聚8YSZ粉体,粉体具有高开孔率和一定自流动性。为了提高粉体的工艺适配性,系统研究PS-PVD工艺中不同喷涂距离、喷涂功率和偏离等离子射流中心不同位置的粉体沉积行为,发现通过粉体成分/结构的有效控制,在低喷涂功率、长喷涂距离和距离等离子射流中心的不同位置,均可实现良好的工艺适配效果及涂层气相沉积效果。通过粉体材料的优化控制可以降低气化过程中的耗能,提高粉体气相沉积效果和拓宽PS-PVD喷涂沉积适配的工艺窗口,实现在高能、高速等离子体中的高气相比例沉积。在PS-PVD用高工艺适配性粉体及其可控制备技术等方面取得了突破,系统地开展了该工艺用粉体制备及性能调控、粉体工艺适配性规律等的研究。

气相沉积技术制备氧化锰薄膜及其组分调控的研究进展

本文介绍了利用气相沉积技术,包括物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积等技术制备氧化锰薄膜以及组分调控的研究现状,重点介绍了等离子体辅助化学气相沉积/原子层沉积氧化锰薄膜的研究进展,对所使用的锰前驱体做了总结,并展望了氧化锰薄膜的发展趋势。

化学气相沉积制备硬质合金刀具涂层研究进展

化学气相沉积技术(CVD)广泛应用于硬质耐磨涂层的生产中,该类涂层可大大提高硬质合金工具的耐磨性和寿命。综述了CVD涂层技术在硬质合金切削刀具中的应用研究进展,首先介绍了CVD涂层技术的原理及其发展历程;其次阐述了模拟计算方法(相图计算、流体力学计算、第一性原理计算、相场模拟、机器学习等)在CVD涂层中的应用;再次介绍了CVD涂层的沉积实验及结构和性能表征方法;最后列举了几种典型的硬质合金刀具用CVD涂层,以期为高性能涂层的智能设计、智能集成和智能研发提供新的思路:即把多尺度计算模拟、科学数据库和关键实验集成到硬质涂层开发的全过程中,通过对成分-工艺-结构-性能进行关联分析,将耐磨涂层的研发由传统经验或者半经验方式提升到科学的微结构智能设计上,以实现基体与涂层微结构调控和性能的协同优化,获得最佳的综合性能。

两种物理气相沉积氮化钛涂层的结构及摩擦性能研究

分别利用磁过滤阴极弧等离子体沉积装置和直流磁控溅射装置在不锈钢基底上制备了 Ti N涂层 ,采用 X射线光电子能谱仪、X射线衍射仪和扫描电子显微镜对涂层的结构及形貌进行了表征 ;利用纳米压痕仪测定了涂层的硬度 ;在 DF- PM型动摩擦系数精密测定仪上考察了涂层的摩擦学性能 .结果表明 :与采用直流磁控溅射法在 40 0℃基底上制备的 Ti N涂层相比 ,采用磁过滤沉积装置在室温下制备的 Ti N涂层更加致密 ,表面平滑 ,最大硬度达 3 5 GPa,摩擦系数明显较小 ( 0 .1～ 0 .4) 。

等离子喷涂–物理气相沉积7YSZ热障涂层沉积机理及其CMAS腐蚀失效机制

采用等离子喷涂–物理气相沉积(PS-PVD)以团聚烧结的ZrO2-7wt%Y2O3(7YSZ)为原料,在850℃基体温度下制备了具有柱状结构的热障涂层,并通过场发射–扫描电镜(FE-SEM)分析了柱状涂层的显微结构。此外,基于原子聚集理论研究了PS-PVD中7YSZ气相分子在基体上的形核与生长过程,并分析了高温基体下7YSZ柱状涂层的沉积机理。另外,在1200℃下考察了7YSZ柱状涂层的CaO-MgO-Al2O3-SiO2(CMAS)腐蚀性能并探讨了其失效机制。结果表明,在高温下7YSZ气相分子首先吸附在基体上,通过扩散迁移形成分子团并吸附在基体表面上,然后分子团再与其它吸附分子碰撞结合形成临界晶核,临界晶核捕获其它吸附分子进一步长大形成晶核小岛,此后依次经过岛状、联并、沟道、连续这四个阶段最终形成柱状涂层。高温下CMAS熔融并在毛细管力的作用下沿着柱状涂层孔隙往深度方向渗透并与涂层发生热化学反应使涂层热物性能发生变化,最终在热化学与热机械的相互作用下使涂层内产生平行于表面的横向裂纹,并层离失效。

电子束物理气相沉积热障涂层的高温氧化行为

采用电子束物理气相沉积（EB-PVD）在 Ni-Cr-Al-Y粘结层上沉积 Y2O3部分稳定的ZrO2陶瓷层（YSZ）,进行了 900,1000,1100℃的恒温氧化和1050℃的循环氧化实验,用扫描电镜（SEM）、能谱（EDS）和X射线衍射（XRD）对样品进行观察分析.结果表明:恒温氧化最初20 h,1100℃的增重比 900℃和 1000℃的都要小.热循环过程中产生的热应力和氧化物生长应力等导致粘结层氧化物（TGO）/NiCrAlY粘结层界面开裂,引起 EB-PVD热障涂层失效.

电子束物理气相沉积Nd_2O_3和Yb_2O_3共掺杂的YSZ热障涂层研究

采用固相烧结的方法制备了10mol%Nd2O3和Yb2O3共掺杂的YSZ(3.5mol%Y2O3部分稳定的ZrO2)材料。掺杂材料为t/t′相,而8YSZ则为t/t′与m的混合相。测试结果表明:1100℃时掺杂材料的热扩散系数为4.10×10-7m2/s,而8YSZ(8wt.%Y2O3部分稳定的ZrO2)的则为6.41×10-7m2/s。在200～1300℃温度范围内,掺杂材料的比热容均大大低于8YSZ。电子束物理气相沉积的掺杂材料的热障涂层陶瓷层为树枝晶结构。1100℃下,掺杂材料的热障涂层热循环寿命为350～500h,而同等条件下8YSZ涂层仅为160～200h。

电子束物理气相沉积热障涂层抗高温腐蚀性能的研究

对采用电子束物理气相沉积方法制备的MCrAlY涂层、双层结构热障涂层以及新型梯度结构热障涂层的高温氧化性能以及热腐蚀性能进行了研究 .3种涂层均具有良好的抗高温氧化性能 ,但在 95 0℃等温热腐蚀环境下 ,涂层的氧化速率加快 .梯度热障涂层的增重小于NiCoCrAlY涂层 ,表明YSZ陶瓷层有助于提高NiCoCrAlY涂层的抗热腐蚀性能 ,但热循环寿命降低 .

电子束物理气相沉积La2Zr2O7热障涂层研究

为克服传统热障涂层材料YSZ耐温性能和隔热性能的不足，以ZrO2和La2O3为原料，采用无压烧结法合成了烧绿石结构化合物La2Zr2O7，用电子束物理气相沉积（EB—PVD）法在高温合金基体上制备了La2Zr2O7涂层，分析了涂层的成分，并对其显微结构、热物理性能与传统YSZ热障涂层进行了对比研究。结果表明，La2Zr2O7涂层成分处于P结构范围内，呈典型的柱状晶结构，柱状晶头部呈明显的金字塔形状。与传统YSZ柱状晶相比，La2Zr2O7涂层的柱状晶紊乱度更大，尺寸更加细小，并且柱状晶上的树枝状亚晶更多。在25～1200℃范围内，La2Zr2O7涂层的热导率最大为0．985W／（m·K），最小为0．796w／（m·K），大大低于同条件下的YSZ涂层。低本征热导率、小柱状晶直径、大紊乱度、密度轻及高孔隙率是造成La2Zr2O7涂层低热导率的主要因素。