涂镀铝+微弧氧化工艺制备复合涂层研究进展

采用涂镀铝+微弧氧化的复合工艺可在钢材、镁合金、钛合金、陶瓷甚至高分子等多种材料表面制备以氧化铝为主的复合涂层,从而提高材料的绝缘、耐磨、耐腐蚀等性能。本文概述了热浸镀、喷涂、物理气相沉积、熔盐电镀以及包埋渗等涂镀铝工艺与微弧氧化工艺相结合制备复合涂层的国内外研究进展,重点分析了各种涂镀铝+微弧氧化工艺制备复合涂层的结构特点、影响因素及工艺的优缺点,最后对涂镀铝+微弧氧化复合工艺进行展望,并提出该领域亟待解决的问题。

氧化铝填料对绝缘涂层导热性能的影响

以高模数硅酸钾溶液为基料,氧化铝为导热绝缘填料,加入硅丙乳液、消泡剂,制备有机无机复合硅酸盐导热绝缘涂层。通过测试硅酸盐涂层的导热系数、体积电阻率、孔隙率、孔径分布和元素分布变化,研究绝缘硅酸盐涂层导热性能。结果表明,适当提高氧化铝的质量分数,硅酸盐绝缘涂层的导热性能提升。氧化铝填料球形形貌和大粒径更有利硅酸盐绝缘涂层的导热性能提升。当填料为粒径2.9μm的球形氧化铝,且质量分数在37.5%时,涂层的导热系数最高达1.072 W/(m·K),体积电阻率大于10^(8)Ω·m,此时涂层的导热绝缘性能达到最佳。

镀铝对CoCrNiAlY-YSZ-LaMgAl_(11)O_(19)双陶瓷热障涂层高温抗氧化行为的影响

采用电弧离子镀(AIP)技术在CoCrNiAlY-YSZ-LaMA双陶瓷涂层表面沉积一层Al镀层,利用XRD、SEM和EDS等微尺度分析表征方法,全面解析涂层在大气暴露过程中的高温氧化行为。研究结果表明,未镀铝LaMA层在氧化过程中发生严重体积收缩,导致纵向微裂纹萌生和扩展。这些微裂纹成为氧气向内部扩散的通道,导致涂层呈现持续氧化增重趋势、TGO快速生长和严重的元素扩散,并最终加剧涂层断裂失效。但镀铝涂层样品表现出更好的高温抗氧化性能与结构稳定性,高温氧化过程中,表面Al镀层与氧气发生原位反应生成致密Al2O3屏障层,有效阻止或延迟氧气内部渗透,使TGO缓慢生长,其氧化增重从20h时的8.59mg/cm^(2)略微上升到80h时的9.46mg/cm^(2)。本研究结果为双陶瓷热障涂层的延寿设计与界面热生长应力调控开辟出全新技术途径和理论视野。

高熵稀土氧化物热障涂层材料研究进展

热障涂层(Thermal barrier coating,TBC)材料在航空发动机和燃气轮机的热防护中具有保护高温合金基底免受氧化及腐蚀,并降低高温合金的工作温度的重要作用。新型热障涂层材料中存在许多高熵稀土氧化物,能够实现比单一主成分稀土氧化物更优异的热学、力学、高温相稳定性以及抗烧结、耐腐蚀等性能。但是目前对高熵稀土氧化物的研究仍然停留在初步阶段,其中稀土元素对材料性能的作用尚未完全明确,且没有形成统一标准。简要概述了热障涂层的基本结构,并重点总结了高熵锆酸盐、铈酸盐、铪酸盐、钽酸盐和铌酸盐等5种高熵稀土酸盐的晶体结构、热物理性能与力学性能。对比分析了其与相应的单一组分稀土酸盐的差异,并探讨了影响其性能优劣的多种因素。相比于单一组分稀土氧化物,高熵稀土氧化物的热导率、热膨胀系数和相稳定性均有明显改善。最后,展望了未来高熵稀土热障涂层的发展方向。

钛表面氧化石墨烯涂层的抗菌性和细胞相容性研究

目的:探讨钛表面氧化石墨烯涂层的抗菌性和细胞相容性。方法:将氧化石墨烯水分散液作为电解液,在浓度分别为20、60、100、140μg/mL的条件下,通过电泳沉积在钛表面构建氧化石墨烯涂层,作为实验组,钛片作为对照组;采用激光拉曼光谱对涂层进行表征,利用多功能纳米力学测试仪对涂层的杨氏模量、维氏硬度和摩擦力进行分析;通过对变形链球菌和牙龈卟啉单胞菌的抗菌率检测来评价涂层的抗菌性能;采用CCK-8法评价涂层对人牙龈成纤维细胞的细胞增殖的影响。结果:经电泳沉积后的钛片表面形成一层均匀的棕黄色薄膜,且颜色随浓度增加而加深;拉曼光谱显示各实验组均检测到氧化石墨烯的特征峰;各组试件的杨氏模量和维氏硬度均表现为对照组最高,实验组数值随氧化石墨烯浓度增高而增高,但不具有统计学差异;划痕曲线表明,G140组最先出现转折点,G100组最后出现转折点;各组试件对变形链球菌和牙龈卟啉单胞菌的抗菌率均随氧化石墨烯浓度的增高而增高;CCK-8检测结果显示,G140组的细胞增殖率明显低于对照组。结论:通过电泳沉积技术可在钛表面成功制备氧化石墨烯涂层,不同浓度均未对钛片的机械性能造成明显影响,当制备浓度为100μg/mL时,对变形链球菌和牙龈卟啉单胞菌具有良好的抗菌活性,且对人牙龈成纤维细胞无明显细胞毒性。

镁合金表面微弧氧化/自组装/镍复合涂层的腐蚀过程和机理

镁合金具有很强的活性,在水溶液或潮湿的大气中容易被腐蚀。为了提高镁合金的耐腐蚀性能,首先利用微弧氧化工艺进行微弧氧化,通过乙酸乙酯(C_(4)H_(8)O_(2))进行自组装,最后化学镀镍,在AZ91D镁合金表面制备微弧氧化(MAO)/自组装(SAM)/镍(Ni)复合涂层。通过形貌结构、电化学测试和腐蚀产物分析研究复合涂层在3.5 wt.%NaCl环境中的腐蚀行为,并建立复合涂层的腐蚀过程模型。结果表明:Cl^(−)的存在加速了腐蚀的发生。复合涂层的腐蚀电流密度与镁合金相比下降3个数量级,复合涂层显著提高了镁合金的耐蚀性。复合涂层在盐雾环境中0~96 h时,Ni层表面结构仍然致密。当复合涂层暴露在腐蚀环境中120 h后,Ni层开始被破坏,腐蚀离子进行渗透,形成通道。之后,基体上的SAM层和MAO层的保护时间缩短。在144 h时,腐蚀离子直接穿透了复合涂层,使基体涂层保护失效。研究成果可为该类涂层的开发、制备和应用提供试验依据和理论基础。

GH907高温合金表面电弧离子镀NiCoCrAlY/AlSiY复合涂层的高温抗氧化性能研究

为提高GH907高温合金在750℃下高温抗氧化性能。在GH907合金表面采用电弧离子镀技术(AIP)制备NiCoCrAlY/AlSiY复合涂层。系统开展复合涂层的高温抗氧化行为和机理研究,利用XRD、SEM和EDS等微尺度分析表征方法,全面解析氧化过程中物相的结构特征、氧化产物成分及表/截面形貌特征。结果试验表明,750℃氧化500 h后,GH907高温合金氧化层(FeO,Fe_(2)O_(3))萌生大量裂纹,氧化层发生大面积剥落。基体呈迅速氧化增重趋势,500 h质量增重值为22.38 mg/cm^(2)。相比之下,NiCoCrAlY/AlSiY复合涂层在氧化实验中,由于形成连续且致密的Al2O3屏障层,有效抑制氧气内扩散,延缓GH907高温合金发生氧化反应的影响。氧化80 h质量增重为6.37 mg/cm^(2),随后质量增重率趋于稳定,500 h复合涂层质量增重值仅有7.68 mg/cm^(2)。结论由此表明,NiCoCrAlY/AlSiY复合涂层可以显著提高GH907高温合金高温抗氧化性能。

钛表面多酚介导铜离子涂层制备及抗菌抗氧化性能

背景:钛植入体因比强度高及良好的生物相容性被广泛应用于临床,然而在植入手术过程中,细菌感染及组织受损环境产生大量活性氧物质易导致组织延迟愈合与手术失败,因此开发具有抗菌和抗氧化性能的钛植入体极为重要。目的:鉴于铜离子良好的抗菌性能及多酚类物质优良的抗氧化性能,拟在钛表面制备多酚介导的铜离子涂层,评价其体外抗菌及抗氧化性能。方法:利用碱热法在钛表面制备纳米结构,然后将钛片置于单宁酸及铜离子溶液中,获得多酚介导的铜离子涂层,检测样品的表面形貌与水接触角,利用原子吸收光谱法检测铜离子的携载及释放。将金黄色葡萄球菌分别接种于纯钛片(空白组)、碱热处理钛片(对照组)、多酚介导的铜离子修饰钛片(实验组)表面,观察细菌存活状态。将成骨前体细胞MC3T3-E1分别接种于3组钛片表面,评价材料的抗氧化性能及生物活性。结果与结论:(1)扫描电镜下可见多酚介导的铜离子修饰钛片表面存在棒状纳米结构,并且涂层无裂纹;多酚介导的铜离子修饰钛片表面亲水性接近纯钛片;原子吸收光谱结果显示,多酚介导后钛片表面铜离子的携载量增加了51%,铜离子呈均匀释放。(2)空白组、对照组、实验组钛片的抗菌率为0%,21.65%,93.75%;活死染色与CTC染色显示,空白组钛片表面的活细菌最多,实验组钛片表面的活细菌最少。(3)活死染色与CCK-8检测结果显示,3组钛片均具有良好的细胞相容性,并且实验组钛片更有利于MC3T3-E1细胞增殖;活性氧荧光探针检测显示,相较于其他两组,实验组钛片表面活性氧荧光强度明显减弱;碱性磷酸酶与茜素红S染色结果显示,相较于其他两组,实验组钛片表面MC3T3-E1细胞的成骨分化与细胞外基质矿化能力更强。(4)结果表明,多酚介导的铜离子涂层具有较强的抗菌、抗氧化及促成骨分化性能。

连续SiC纤维表面铂涂层的制备及抗氧化性研究

采用金属有机化合物化学气相沉积法(MOCVD)在连续SiC纤维表面沉积了约0.8μm厚的Pt涂层,用扫描电镜对涂层的形貌进行观察,用EDS能谱和XRD对涂层的成分进行了分析,并对沉积涂层后的纤维在不同温度和时间下的抗氧化性能进行了测试。结果表明,制备得到的铂涂层光滑致密,与纤维结合牢固,有效弥补了纤维表面缺陷;对沉积涂层后的纤维进行力学表征和抗氧化测试,发现铂涂层不仅增加了SiC纤维的抗拉强度,而且经700~1400℃氧化1h后纤维的抗氧化性能大幅提高。

金相制备工艺对纳米氧化锆涂层显微组织评定的影响

为制备出能够表征所分析样品真实状态的金相试样,从而对涂层的显微组织作出准确评价,以纳米氧化锆涂层为研究对象,采用不同镶嵌方式制备金相样品,基于正交试验研究不同磨抛工艺参数对涂层显微组织评定的影响,并通过纳米CT法测量涂层的孔隙率,对其结果进行验证。结果表明:采用真空冷镶嵌方式可显著减少涂层颗粒的脱落,影响涂层孔隙率的因素从大到小排序依次为粗磨时研磨盘转数、粗磨时夹具转数、粗抛时间、研磨及粗抛时压力。优化后最佳磨抛工艺参数如下:研磨及粗抛时压力为15 N,粗磨时研磨盘转数为200 r/min,粗磨时夹具转数为50 r/min,粗抛时间为9 min。此工艺下涂层孔隙率为4.26%,显著减少了涂层颗粒的脱落,能够制备出反映涂层真实显微组织结构的金相样品,达到了准确评价涂层性能的目的。纳米CT法检测结果与本方法相符。

镁合金表面微弧氧化/氧化石墨烯/硬脂酸复合超疏水涂层在不同盐雾条件下的腐蚀过程

[目的]研究镁合金表面超疏水复合涂层在标准中性盐雾(35℃)、45℃的中性盐雾和模拟海水盐雾3种试验条件下的腐蚀过程。[方法]在AZ91D镁合金表面先后采用微弧氧化、电沉积和自组装技术制备了微弧氧化/氧化石墨烯/硬脂酸(MAO/GO/SA)超疏水复合涂层。[结果]在3种盐雾试验条件中,复合涂层出现腐蚀坑前都能维持超疏水状态,水接触角保持在150°左右。出现腐蚀坑后,标准中性盐雾条件下涂层的水接触角比其他两种盐雾条件下降得更慢。极化曲线测试结果表明,复合涂层的腐蚀电流密度比镁合金基体降低了3个数量级。3种盐雾条件下试验192 h后,复合涂层的腐蚀电流密度仍比镁合金基体低,但标准模拟海水盐雾试验后试样的腐蚀电流密度增速最快,涂层最先被腐蚀。[结论]MAO/GO/SA超疏水复合涂层具有优异的耐蚀性,能够有效阻止介质对镁合金基体的腐蚀,令镁合金基体的腐蚀速率降低。

电弧离子镀Al-Cr-O/Zr-O+NiCoCrAlSiY和Al-Cr-O+NiCoCrAlSiY涂层的抗氧化性和隔热性能

采用电弧离子镀在高温合金表面沉积Al-Cr-O/Zr-O多层涂层和Al-Cr-O单层涂层+NiCoCrAlSiY结合层,并在1000~1200℃下进行热处理。利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析涂层的显微组织和物相结构。结果表明,Al-Cr-O/Zr-O多层涂层和Al-Cr-O单层涂层均呈现出致密的球形结构。热处理后,Al-Cr-O/Zr-O涂层表面出现裂纹,且裂纹随着温度的升高而增多和变粗。然而,Al-Cr-O涂层经热处理后其表面胞状结构转变为紧密连接的粒状结构,并且随着热处理温度的升高,粒状结构显著长大。由于作为氧离子导体以及t-ZrO_(2)的致密度低于α-Al_(2)O_(3),Al-Cr-O/Zr-O涂层中的t-ZrO_(2)为氧离子向涂层内扩散提供了通道,因此,Al-Cr-O单层涂层+NiCoCrAlSiY涂层体系的高温抗氧化性优于Al-Cr-O/Zr-O多层涂层+NiCoCrAlSiY涂层体系。但是,由于更大的陶瓷涂层厚度,t-ZrO_(2)相的低热导率以及层间界面的热反射作用,Al-Cr-O/Zr-O多层涂层+NiCoCrAlSiY涂层体系的隔热性能优于Al-Cr-O单层涂层+NiCoCrAlSiY涂层体系。

激光熔覆CoCrFeNi和AlCoCrFeNi中熵合金涂层的高温抗氧化性能

采用激光熔覆技术在H13钢表面成功制备了CoCrFeNi和AlCoCrFeNi中熵合金涂层。利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射(XRD)对涂层的微观组织、成分分布和相组成进行分析;在此基础上,重点研究涂层的高温稳态氧化和循环氧化性能,分析涂层的氧化机理。结果表明:激光熔覆CoCrFeNi和AlCoCrFeNi中熵合金涂层与基体之间呈良好的冶金结合,涂层呈现单相FCC结构,其微观组织以柱状晶和等轴晶为主。在700、800和900℃高温氧化60 h后,CoCrFeNi和AlCoCrFeNi涂层的氧化层厚度远小于H13钢的氧化层厚度,抗氧化性能显著优于H13钢。在600℃经历6次循环氧化后,AlCoCrFeNi涂层表面几乎无氧化,CoCrFeNi涂层经历了5次循环后表面形成了极薄的氧化层;600℃循环氧化时虽然H13钢表面氧化层较薄,但结构比较疏松易剥落,对合金内部无法起到保护作用。表明CoCrFeNi和AlCoCrFeNi中熵合金涂层具有优异的高温抗氧化性能。

温度对B_(4)C涂层氧化防护性能和防护机制的影响

目的研究温度对B_(4)C涂层氧化防护性能和防护机制的影响,得出B_(4)C涂层最佳氧化防护温度范围,以及B_(4)C涂层在不同温度的氧化防护机制演变。方法以石墨为基体,采用放电等离子烧结法在石墨表面制备B_(4)C涂层,通过不同恒温氧化试验(800、1000、1200、1400℃)和室温至1400℃宽温域动态氧化试验来测试其氧化防护性能,并通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对B_(4)C涂层石墨试样氧化前后的物相组成、微观形貌、氧扩散等进行分析。结果B_(4)C涂层氧化后可生成B2O3玻璃膜,在800、1000、1200、1400℃恒温氧化的防护效率分别为98.43%、98.61%、94.4%和92.8%,在室温至1400℃宽温域动态氧化的防护效率为93.1%。B_(4)C涂层在800℃以下主要依赖结构阻氧,800至900℃由结构阻氧向惰化阻氧转变,900℃以上主要依赖惰化阻氧。1100℃以上,随温度升高B2O3玻璃膜的挥发加剧,B_(4)C涂层惰化阻氧能力减弱。结论B_(4)C涂层的氧化防护效率随温度上升先增大后减小,结构阻氧机制逐渐降低,惰化阻氧机制先升高后降低。B_(4)C涂层在800至1100℃具有良好的氧化防护性能。

氧化时间对LAZ933镁锂合金微弧氧化热控涂层的结构与性能的影响

利用微弧氧化技术在LAZ933镁锂合金表面制备热控涂层,研究氧化时间对涂层热控性能及耐腐蚀性能的影响,采用扫描电镜、X射线衍射仪、表面轮廓仪、测厚仪等仪器分析氧化时间对涂层的表面形貌、组成、厚度、粗糙度的影响。结果表明:随氧化时间逐渐延长,涂层表面的孔洞数量逐渐减少,孔径逐渐增加并出现微裂纹,且涂层的厚度及粗糙度逐渐增加,半球发射率逐渐上升,太阳吸收比逐渐降低,耐腐蚀性能得到提升,在氧化60 min时,涂层的半球发射率为0.85,太阳吸收比为0.38,自腐蚀电流密度相比于LAZ933镁锂合金降低了1个数量级。

不同加热环境下钛表面Ni/Al涂层制备与高温氧化性

目的 研究大气与真空加热处理后Ni/Al涂层的金属间化合物析出规律,以及扩散层的生长速度,从而确定涂层的抗氧化性能。方法 分别采用电弧喷涂技术和等离子喷涂技术在纯钛基体表面制备Ni/Al涂层。将样品分别在大气条件和真空条件下进行加热处理,使Ni/Al涂层原位反应生成Ni-Al金属间化合物,并进行涂层抗氧化性试验。结果 Ni/Al涂层在大气环境700℃加热处理后,形成以Al_(2)O_(3)、Ni2Al3和富Al相NiAl3相为主的扩散层;在真空环境700℃加热处理后,形成以Ni2Al3、NiAl3相为主的扩散层。通过扩散反应动力学分析发现,真空热处理比大气热处理后Ni和Al之间的反应扩散系数更高,扩散系数为89.731μm2/h。氧化增重试验表明,真空处理后,Ni/Al涂层由于金属间化合物层较厚,且具有大量的高熔点的Ni2Al3相,并且经过800℃下氧化200h后,涂层未发生失效。结论 真空环境下加热处理原位反应后,Ni/Al复合涂层的扩散速率更高,更容易形成Ni-Al金属间化合物,获得更厚的金属间化合物层。与大气热处理相比,经过真空热处理后的涂层有更良好的抗高温氧化能力。

铈掺杂量对钛基锡锰铈氧化物涂层电极表面形貌及电化学性能的影响

[目的]电沉积用钛基二氧化锰电极的电化学性能有待提高。[方法]采用热分解法在450℃下制备了以SnO_(2)为中间层,稀土铈掺杂量不同的钛基MnO_(2)电极(Ti/SnO_(2)/MnO_(2)+CeO_(2)),通过场发射扫描电子显微镜与循环伏安测量、电化学阻抗谱、析氧极化曲线测试、加速寿命试验等电化学方法对电极的活性层形貌及电化学行为进行分析。[结果]铈掺杂可以明显改变活性层形貌,使其形成由大量圆形晶粒组成,均匀且致密的表面结构。当铈掺杂量为4%时,电极具有最平整的活性表层,其伏安电荷容量约为未掺杂铈时的6倍,加速寿命约为未掺杂铈时的1.8倍。[结论]适量掺杂铈可以提高钛基二氧化锰涂层电极的电催化活性及延长其使用寿命。

改性氧化铈/水性环氧复合涂层制备及防腐性能分析

目的利用改性氧化铈掺杂水性环氧制备水性复合涂层,提高水性涂层的防腐性能。方法通过硅烷偶联剂接枝纳米氧化铈(CeO_(2)-K),然后原位聚合聚苯胺(PANI),合成了质量比为1︰1、4︰1、7︰1的聚苯胺/氧化铈复合颗粒(PA@CeO_(2)(1︰1)、PA@CeO_(2)(4︰1)及PA@CeO_(2)(7︰1)),制备了硅烷改性氧化铈复合水性环氧涂层(CeO_(2)-K/WEP)、PANI@CeO_(2)复合水性环氧涂层(PA@CeO_(2)(1︰1)/WEP、PA@CeO_(2)(4︰1)/WEP及PA@CeO_(2)(7︰1)/WEP);通过扫描电镜、吸水率试验、电化学测试、中性盐雾试验等探讨改性氧化铈/水性环氧复合涂层的防腐性能。结果改性后CeO_(2)-K颗粒间的团聚作用减弱,PA@CeO_(2)复合粒子呈现“球状+纤维状”纳米复合结构。与水性环氧树脂涂层(WEP)相比,纳米复合涂层的致密性增强,PA@CeO_(2)复合粒子的引入提高了CeO_(2)与环氧树脂间的相容性,并增强了涂层与基体的结合力。PA@CeO_(2)(4︰1)/WEP浸泡30 d后,在最低频率0.01 Hz下表现出最高的阻抗模值,是CeO_(2)-K/WEP的2.4倍,比WEP提高了2个数量级。经过336 h的盐雾试验,WEP和CeO_(2)-K/WEP出现了明显的锈蚀和剥落,而PA@CeO_(2)/WEP涂层剥离区域未发生扩展,表现出更好的耐盐雾性能。结论PA@CeO_(2)/WEP复合涂层的防腐性能优于WEP和CeO_(2)-K/WEP的,其中PA@CeO_(2)(4︰1)/WEP复合涂层的性能最佳。

舰用钛合金及铬涂层抗氧化和腐蚀性能研究

钛合金舰载武器装备长期处于高温及海水飞溅环境,为延长其使用寿命,采用电弧离子镀技术在其表面制备Cr涂层,并研究钛合金及Cr涂层的抗高温氧化和抗盐雾腐蚀性能。结果表明:由于冷热交替作用,650℃循环氧化1 h后,在钛合金表面形成的氧化物和基体上产生裂纹,并形成Ti元素氧化物堆积。电弧离子镀的Cr涂层表面平滑完整,仅发生Cr元素氧化,对基体具有保护作用。盐雾腐蚀720 h后,钛合金表面发生腐蚀并产生剥落区域,而电弧离子镀制备的Cr涂层无腐蚀剥落区域,具有良好的抗盐雾腐蚀性能。

氧化锆-堇青石复相涂层对氧化铝基体影响的研究

在陶瓷材料表面引入压应力涂层已经被证明可以提高其强度和韧性。用高纯堇青石粉和氧化锆细粉制备了堇青石-氧化锆复相涂层浆料,将加工好的氧化铝样条浸润于浆料中,经过无压烧结制备出复相涂层增强的氧化铝材料。研究了不同氧化锆添加量(质量分数)的涂层对基体的整体性能的影响,结果表明,当复相涂层含质量分数为10%的氧化锆时其表面残余压应力为最大值1.34 GPa,相应地其弯曲强度也为最大值376.55 MPa,相比于未镀层的基体试样其弯曲强度增长了64.6%。此外,对试样还进行了高温弹性模量的试验,并分析了其弹性模量随温度变化的具体原因。镀层试样还进行了导热系数的试验,发现随着低热导率材料的加入,镀层试样的热导率也随之下降。最后由于表面残余压应力的存在,镀层试样相较于基体材料展现出了较好的抗热震性能,在900℃前,镀层试样水淬后的剩余强度均大于未镀层试样。