超音速火焰喷涂NiCoCrAlY/Al_(2)O_(3)-10%B_(4)C涂层的制备及抗氧化性能研究

目的 提高金属/陶瓷体系高温固体润滑耐磨涂层的抗氧化性能。方法 采用离心喷雾造粒、高压氢还原镀镍和固相合金化技术,制备包覆型NiCoCrAlY/Al_(2)O_(3)-10%B_(4)C复合粉体,并采用超音速火焰喷涂技术在镍基高温合金上沉积复合涂层材料,通过SEM和XRD研究粉体和涂层的显微结构和物相组成,通过马弗炉研究涂层在高温下的氧化性能。结果 Al_(2)O_(3)-B4C颗粒表面均匀包覆着一层厚度为2~3μm的NiCoCrAlY合金。超音速火焰喷涂NiCoCrAlY/Al_(2)O_(3)-10%B_(4)C复合涂层结构致密,孔隙率仅为0.45%±0.05%,涂层与基体结合良好。涂层和粉体的主晶相均为Ni的固溶体、α-Al_(2)O_(3)相和B4C相,涂层衍射峰强度比粉体有所降低。在850℃氧化96 h后,涂层表面生成了一层连续的灰色物质,其厚度为1~3μm,经EDX分析,其主要元素组成为O、Ni、Al和Cr,说明主要成分为Ni、Al和Cr的金属氧化物。涂层在850℃的氧化动力学曲线分为2个阶段,氧化初期,涂层快速氧化,生成以NiO、Al_(2)O_(3)和Cr_(2)O_(3)为主的混合氧化物膜;氧化后期,涂层进入稳定氧化阶段,此时涂层的氧化过程主要由O在氧化膜中的扩散速度决定。结论 涂层在850℃的抗氧化性能良好,可在850℃的氧化环境下使用。

人工海水环境中不同偏压制备的(TiNbMoZrW)C涂层的摩擦腐蚀性能研究

多主元碳化物涂层作为腐蚀防护领域极具前景的候选材料,具有低摩擦系数、低磨损率和良好的耐腐蚀性能,但对其摩擦腐蚀性能的相关研究较少。为促进多主元碳化物涂层在海水环境中的应用,利用反应磁控溅射技术,通过调控基底偏压制备了(TiNbMoZrW)C涂层。通过X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、原子力显微镜、扫描电子显微镜、维氏硬度计和纳米压痕仪对(TiNbMoZrW)C涂层的微观结构和力学性能进行了系统表征,并分析了涂层在人工海水中的电化学特性和摩擦腐蚀性能。结果表明:随着脉冲偏压从0增加到-800 V,制备的(TiNbMoZrW)C涂层的残余压应力、硬度和弹性模量均呈现增大趋势。-800 V偏压沉积的涂层具有最大硬度(25.9 GPa)和弹性模量(356.34 GPa),良好的抗裂性和耐腐蚀性,在人工海水和空气中具有最低的磨损率,分别为1.00×10^(-7)和2.28×10^(-7) mm^(3)/(N·m)。增加偏压有利于改善(TiNbMoZrW)C涂层在人工海水中的摩擦腐蚀性能。

C涂层对SiC纤维增强Ti基复合材料界面行为的影响

采用透射电镜和扫描电镜研究了SiC纤维增强Ti基复合材料的界面反应,重点分析了C涂层对界面行为的影响。结果表明,C涂层可以明显改善纤维和基体之间的界面结合状况;SiC/C/Ti-6Al-4V复合材料的界面反应产物是主要为TiC,而无C涂层SiC/Ti-6Al-4V的界面反应产物为TiC,Ti5Si3和Ti3SiC2界面反应层生长受扩散控制,其厚度增长满足抛物线生长规律,SiC/C/Ti-6Al-4V由于C涂层消耗完毕前后的不同情况,其界面反应层生长并不完全符合这一规律,C涂层的存在可以有效的抑制界面反应的进行。

加热处理的SiC-C涂层注H^＋前后表面形貌及其Si分布的研究

为了提高放射性废物包装用的不锈钢材料的阻氚性能,采用离子束混合技术在不锈钢表面沉积低Z材料的SiC-C涂层,对50%SiC-C涂层进行不同条件的加热处理以及随后进行的剂量为1×1018/cm2H+的注入,研究涂层微观结构的变化,该研究为涂层的实际使用提供科学依据。研究结果表明:离子束混合沉积在不锈钢基体上的50%SiC-C涂层经加热处理后会发生涂层元素的扩散迁移。随着加热温度的提高,发生颗粒凝聚晶化现象;氢离子注入会产生非晶化效应,同时导致涂层元素Si向表面及界面的增强迁移。

钛合金表面激光熔覆Metco45C涂层的组织研究

对钛合金表面激光熔覆Metco45C涂层的组织进行了研究。结果表明,激光熔覆区在微观结构上分为熔覆层、熔化区和热影响区。熔覆层组织为细的枝晶状组织;熔化区为树枝状和颗粒状组织。钛合金表面激光熔覆Metco45C可以实现涂层与基体之间良好的冶金结合。

W/Cu和W/C涂层的循环热负荷实验

用等离子体喷涂和热压方法制作了W /Cu梯度功能材料和W /C涂层 ,其中W/C涂层具有多层的钨 (W )、铼 (Re)扩散阻挡势垒。为了试验这些复合材料能否经受聚变等离子体破裂时的高热负荷 ,用大功率ND :YAG激光进行了模拟实验。结果表明 :在 1 0 0～ 4 0 0MW /m2 的瞬时 (脉冲宽度为 4ms)热负荷作用下 ,经过 2 0 0～ 70 0次热循环 ,未发现W /Cu复合体的开裂。其中在 1 2 3MW /m2 的功率密度下作用70 0次后 ,发现等离子体喷涂试样表面的再结晶现象和严重的晶界腐蚀 ,由于激光的冷效应 ,晶粒生长的趋势并不明显 ,再结晶层的晶粒呈垂直于表面的柱状结构。W/C试样的退火实验表明 ,钨涂层的再结晶温度稍高于 1 4 0 0℃。在更高的功率密度下 (3 98MW /m2 )出现了明显的腐蚀坑 ,坑内呈疏松的蜂窝结构 ,坑的边缘形成了沉积区 ,能谱分析表明沉积区集聚了大量的金属杂质。等离子体喷涂试样比热压试样更易产生晶界的断裂和裂纹。在同等的热负荷条件下 ,W

异形构件化学气相沉积SiC涂层的数值模拟

根据化学气相沉积(CVD)工艺制备SiC陶瓷涂层的工艺特点和典型异形构件的结构特点,建立了异形构件表面化学气相沉积SiC涂层的数学模型。利用该模型,对CVD法在典型异形表面制备SiC涂层进行了数值计算和分析。计算结果显示,带有斜面的构件对CVD SiC沉积过程有显著影响,在反应器大小允许的情况下,构件放置时,斜面与水平面的夹角越小越好,并尽可能将构件长的一面与水平面平行,这样有利于沉积的涂层均匀。此外,对于带有台阶的构件来说,正放的构件表面浓度大于倒放的构件,而浓度梯度则小于倒放的构件。因此,在实际应用中,应尽量使台阶部分放在气流的下游。上述研究结果对CVD工艺制备SiC涂层的优化具有一定的指导意义。

SiC纤维表面C涂层的制备及介电性能研究

采用化学气相沉积(CVD)法,在SiC纤维表面沉积了100nm厚的C涂层,研究了制备温度对C涂层微观结构、单丝纤维体电导率及纤维编制体介电性能的影响。采用SEM和RAM显微技术(Raman microscopy)对C涂层的表面形貌和微观结构进行分析。结果表明:保持C涂层厚度一致,当沉积温度由800℃升到900℃后,C涂层的石墨化程度提高,晶粒变大,SiC纤维单丝体电导率由0.745Ω-1.cm-1升到6.289Ω-1.cm-1;SiC纤维编制体的复介电常数实部由90升到132,介电损耗由0.95升到1.14,其中虚部由87升到150。实部增大与载流子浓度增大有关,虚部增大与材料漏导电有关。认为这是SiC纤维表面沉积的C层使纤维电导率增大所致。直流电导损耗是其主要损耗机制。

炭纤维表面原位反应制备TaC涂层及其形成机理研究

以金属钽粉为钽源,采用原位反应法在炭纤维表面成功制备出连续的TaC涂层,研究了涂层炭纤维的相组成、微观形貌和抗氧化性能,并探究了炭纤维表面连续TaC涂层的形成机理。结果表明,在温度为1000~1400℃时能在炭纤维表面制备出TaC涂层,反应温度和时间显著影响涂层厚度以及涂层与炭纤维基体的结合性能;反应温度为1200℃时制备的涂层均匀致密,与炭纤维基体结合较好,涂覆TaC涂层后炭纤维的起始氧化温度提高了200℃。从动力学角度分析了TaC涂层的生长机理,结果表明Ta原子沿炭纤维轴向发生表面扩散,Ta原子的表面扩散行为是连续TaC涂层形成的关键因素。

纤维C涂层对SiC_f/Ti6Al4V界面及拉伸性能的影响

通过对SiC纤维增强Ti6Al4V复合材料的拉伸试件断口与界面观察,研究了SiC纤维C涂层对基体与纤维元素扩散、界面反应层厚度与成分、拉伸断口的影响。结果表明,与纤维无C涂层的SiCf/Ti6Al4V相比较,有纤维C涂层的SiCf/Ti6Al4V界面结合强度较弱、反应层厚度较厚,涂层能有效防止纤维性能在复合过程中下降,提高了复合材料拉伸强度。

温度对CVD-TaC涂层组成、形貌与结构的影响

利用TaCl52C3H62H22Ar反应体系,用化学气相沉积法(CVD)成功地在C/C复合材料表面沉积TaC涂层及C2TaC复合涂层。研究了温度对TaC涂层的相组成和表面形貌的影响以及CVD2TaC涂层的沉积机理。结果表明:在1373～1673K温度范围内能够在C/C复合材料表面制备碳化钽涂层,它由TaC和游离碳组成。提高沉积温度和H2/C3H6的流量比,TaC涂层中游离碳的含量减少;随着沉积温度的升高,TaC涂层的颗粒尺寸增大,均匀程度下降;在1573K时颗粒间出现明显的烧结界面,结构致密无裂纹。制备出成分波动的C2TaC复合涂层,该涂层与基体间具有良好的机械相容性。分析了低应力、无裂纹TaC复合涂层的形成机制。

反应等离子喷涂抽油机光杆C/TiNC涂层的力学性能

针对油田抽油机光杆容易出现腐蚀、磨损失效等问题,采用以廉价的石墨或炭黑粉为碳源与微米级Ti粉混合制备成适于喷涂的复合粉,送入含氮的高温等离子焰流,Ti与C、N发生自蔓延反应合成纳米TiCN涂层。通过在涂层中添加Cr、Mo等元素,形成微米−纳米多尺度结构的复合涂层,从而降低纳米TiCN涂层的应力。结果表明:C/TiCN复合涂层,硬度达到1500 HV以上,高于镀硬Cr层;涂层结合强度大于25 MPa;涂层厚度大于300μm。解决了纳米涂层硬度、韧性的倒置问题,得到具有良好强韧配合、耐磨减摩性能优良的涂层替代光杆表面的镀铬层,达到延长抽油机光杆和盘根的使用寿命和降低抽油机能耗的目的。

(Ti,Al)C涂层的液相脉冲放电制备及其滑动磨损性能

为了制备耐磨性和抗氧化性优良、结合力高的多元合金涂层,利用普通电火花机床通过液相脉冲放电法在调制态45钢基体上制备了(Ti,Al)C涂层,采用X射线衍射仪(XRD)分析了涂层的相组成,利用带有能谱分析仪的扫描电镜观察了涂层的界面组织、分析了涂层的元素成分,采用显微硬度计测试了涂层的硬度,采用摩擦磨损试验机考察了涂层的滑动磨损特性。结果表明:液相脉冲放电法制备的涂层厚约30μm,主要物相为(Ti,Al)C,从涂层到基体,试样硬度呈梯度递减,涂层表面硬度高达2 100 HV以上;与淬火低温回火45钢配副时,摩擦系数较低且稳定;摩擦磨损试验载荷为100～200 N时,涂层表面出现轻微塑性变形,磨损机制为塑性流变;载荷为300～400 N时,涂层磨损面出现浅而细的平行状犁沟,磨损机制为轻微磨粒磨损。

不锈钢表面涂覆C-SiC涂层及其阻氢性能的研究

采用磁控溅射结合离子束混合技术在不锈钢基体上制备C-(50～90)%SiC涂层,对涂层进行加热处理及氢离子注入。对各种条件下制备的涂层进行元素深度分布分析。结果表明,SiC组分含量高的涂层具有更好的阻氢性能,而C组分含量高的涂层与基体具有更好的结合性能,综合考虑今后在氚废物包装桶涂覆的实际使用工况来看,采用C-(75～85)%SiC作为涂层似乎更合适些。通过对涂层阻氢性能的分析发现,C-SiC涂层经加热处理后,涂层的阻氢能力得到进一步的提高,并且可以提高氢离子在涂层中的稳定性。

B_4C涂层作为等离子体面对材料的一些性质

介绍了利用等离子喷涂设备 ,B4C Cu梯度功能涂层及非梯度涂层的制备技术 ,在模拟实验装置中测量了在高能粒子 (3keV ,D+ )的作用下 ,B4C涂层的化学溅射产额、热解吸性能、热冲击性能及热导率。

沉积温度及走丝速度对SiC纤维拉伸强度和B_4C涂层厚度、表面形貌的影响

采用CVD工艺在W芯SiC纤维表面涂覆B4C涂层,通过扫描电镜和纤维拉伸测试研究沉积温度和走丝速度对W芯SiC纤维拉伸强度和B4C涂层厚度、表面形貌的影响规律。结果表明,在1100℃以下不能获得B4C涂层。在一定的涂层参数下,可以获得与W芯SiC纤维的拉伸强度最接近(达3339MPa)的带B4C涂层的SiC纤维。且在其他涂层参数不变的情况下,为优化工艺参数,应符合沉积温度>1210℃时,走丝速度>0.055m/s;或沉积温度<1210℃时,走丝速度<0.055m/s。沉积温度影响SiC纤维的拉伸强度和B4C涂层厚度、表面形貌,走丝速度影响SiC纤维的拉伸强度和B4C涂层厚度。

2．16 W／C涂层热处理中的扩散过程研究

钨和碳都是面对等离子体的主要候选材料，碳是目前国际聚变装置应用最广泛的材料，由于难熔金属的优越性能，钨又是未来聚变装置上倍受关注的候选材料，所以研究石墨基体上的钨涂层有其应用上的现实意义。目前在ASDEX-U装置上部分第一壁采用了石墨基钨涂层，TEXTOR装置的限制器和偏滤器靶板也采用钨涂层。

液相介质中脉冲放电制备(Ti,Al)C涂层及其高温磨损性能研究

将Ti、Al按一定比例混合压制烧结成电极,置于含碳的液相介质中,利用脉冲放电所产生的低温高能等离子体在45钢基体上沉积(Ti,Al)C硬质金属陶瓷涂层;并对涂层进行高温磨损试验。结果表明:试验温度高于200℃时,涂层的摩擦系数随温度的升高而降低;观察涂层磨损形貌发现,低温时,磨痕为平行犁沟,表明涂层的磨损机理为磨粒磨损;高温时,犁沟比室温时浅且表面有氧化物,其磨损机理为轻微磨粒磨损和氧化磨损。

激光熔覆(Ti,W)C增强镍基涂层的性能

为了提高热轧高速钢工作辊的耐磨性,通过激光熔覆技术,在球墨铸铁基体上制备了(Ti,W)C质量分数分别为0%,10%,20%,30%的Inconel 625合金涂层.研究了(Ti,W)C颗粒对涂层微观结构、硬度和耐磨性的影响.(Ti,W)C颗粒均匀分布在涂层中,并与Inconel 625有良好的结合;涂层的硬度随着(Ti,W)C颗粒含量增加从HV0.2280提高到HV0.2424;在摩擦磨损过程中,(Ti,W)C颗粒作为硬质相抑制了磨损中基体材料的局部塑性变形,质量分数30%(Ti,W)C颗粒的Inconel 625合金涂层磨损量仅为0.015 mm^(3),平均摩擦系数为0.0616.证明添加适量的(Ti,W)C颗粒会显著提高Inconel 625合金涂层的硬度及耐磨性,并降低了摩擦系数.

粉末中C抑制FeAl熔滴氧化机制及其对等离子喷涂层组织与性能的影响

大气等离子喷涂(APS)金属时,熔滴不可避免地发生氧化是难以获得粒子间结合充分的致密涂层的主要原因。以FeAl金属间化合物为例,提出一种在粉末中添加亚微米金刚石颗粒引入碳源,以期利用碳在高温下优先氧化的特性抑制等离子喷涂飞行粒子中Fe、Al元素的氧化,获得无氧化物的高温熔滴从而制备低氧含量(质量分数)、粒子间充分结合的FeAl金属间化合物涂层的新方法。采用APS制备Fe Al涂层,研究金刚石的添加对涂层氧含量、碳含量、涂层内粒子间结合质量与硬度的影响规律,探讨FeAl熔滴飞行中的氧化行为。采用商用热喷涂粒子诊断系统测量APS喷涂中的粒子温度,通过SEM与XRD表征了涂层的组织结构,并表征涂层的结合强度与硬度。结果表明,在等离子射流的加热和Fe、Al元素放热反应的联合作用下,飞行中FeAl熔滴的表面温度可达2 000℃以上,满足C原位脱氧的热力学条件。与不含碳的传统Fe Al涂层中的氧含量随喷涂距离的增加而显著增加的规律完全不同,用Fe/Al/2.5C粉末喷涂时涂层中的氧含量随距离的增加而减小,表明飞行中熔滴的氧化得到抑制,实现了C原位脱氧抑制金属元素氧化的自清洁氧化物的效应。FeAl/2.5C涂层氧含量由传统FeAl涂层的3.67 wt.%显著降至0.62 wt.%以下,涂层中有限的氧化物主要来源于粒子沉积后氧化。因Fe Al/2.5C熔滴温度超过2 100℃,实现了熔滴碰撞引起同质涂层粒子表面熔化的自冶金结合效果,提升了涂层的致密性,其表观孔隙率由2.2%降至0.28%;涂层结合强度高于59.2 MPa,且因涂层由FeAl相及Fe3AlCx渗碳体相组成,其硬度达到590 HV0.3,约为传统Fe Al涂层的2倍。