Al-Y-Si氧化物涂层与Al_2O_3-SiO_2复合涂层的双辉技术制备与性能研究

发布时间：2017-07-07 14:38

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【摘要】：在316L不锈钢表面制备的α-Al2O3涂层能起到良好的阻氚渗透作用,能否在低温下制备出高含量的α-Al2O3是其最终用作聚变堆包层防氚渗透涂层的关键。为此,本课题先在316L不锈钢表面通过双层辉光等离子渗金属技术制备Al-Y-Si三元共渗铝化物涂层,然后,利用等离子氧化法制备氧化铝涂层。此外,为了提高Al2O3涂层的综合性能,本文探索了用双辉等离子渗金属技术和等离子氧化法在316L不锈钢表面制备Al2O3-Si O2复合涂层的工艺。利用正交试验优化了涂层制备的工艺参数,采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)、划痕仪、电化学工作站、热震试验等对涂层的组织结构和相关性能进行了表征,分析了靶材中稀土Y添加量对铝涂层的制备、等离子氧化以及涂层性能的影响。主要得出如下结论:在580℃成功制备了Al-Y-Si共渗涂层。涂层均匀致密,涂层中Al、Fe等元素呈梯度分布,从涂层表面到内部的物相依次为Fe Al3、Fe Al、Fe3Al,涂层与基体间形成冶金结,Y和Si元素均匀分布在涂层中。用Y含量为10%的合金靶材制得的涂层结合力最大,达到69.2 N,其耐蚀性能也得到明显提高,涂层抗热震性能优异。在580℃条件下,Al-Y-Si共渗涂层经过等离子氧化后制得Al2O3涂层。涂层中存在的物相主要为α-Al2O3、θ-Al2O3、γ-Al2O3以及α-Fe2O3相。用Y含量为10%的合金靶材制备的氧化铝涂层中α-Al2O3相的相对含量达65%,与相同条件下纯铝靶材制备的涂层相比,α-Al2O3相的相对含量增加了10%。涂层与基体间形成冶金结合,在不同Y含量的靶材中,Y含量为10%的合金靶材制备的氧化铝涂层和基体间结合力最大,达70.5 N,其耐腐蚀性能和抗热震性能也最佳。利用双辉等离子渗的方法依次在316L不锈钢基体上制备铝和硅复合涂层,再经过等离子氧化制备Al2O3-Si O2复合涂层。涂层中主要含有方石英(Si O2)相和较少的α-Al2O3与γ-Al2O3相。通过对不同温度制备的涂层分析,结果表明500℃下制备的涂层连续致密,界面没有孔洞和裂纹等缺陷,涂层与基体结合良好,其结合力为66.8 N,涂层的耐腐蚀性和抗热震性能也最佳。
【关键词】：双辉等离子渗金属技术 等离子氧化 Al-Y-Si共渗涂层 α-Al2O3 Al2O3-Si O2复合涂层
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 中文摘要4-5
• abstract5-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 研究背景12-15
• 1.1.1 阻氚渗透材料的应用背景12
• 1.1.2 阻氚渗透结构材料的选择12-13
• 1.1.3 阻氚涂层的种类13-14
• 1.1.4 α-Al_2O_3涂层制备技术及研究进展14-15
• 1.2 双辉等离子渗金属技术15-19
• 1.2.1 双辉等离子渗金属原理16-17
• 1.2.2 双辉等离子渗金属技术发展现状17-18
• 1.2.3 等离子复合渗技术优势18-19
• 1.3 Y和Si元素应用研究进展19-21
• 1.3.1 稀土元素Y应用研究进展19-20
• 1.3.2 合金元素Si的应用研究进展20-21
• 1.4 课题研究意义和研究内容21-24
• 1.4.1 课题来源21
• 1.4.2 研究意义21-22
• 1.4.3 实验内容22-24
• 第二章 实验方法24-30
• 2.1 实验材料24
• 2.1.1 基体材料24
• 2.1.2 源极材料24
• 2.2 双辉等离子渗设备24-27
• 2.2.1 实验设备24-25
• 2.2.2 电极结构设计25-26
• 2.2.3 实验步骤及操作规程26-27
• 2.3 测试方法27-30
• 2.3.1 涂层组织结构分析27
• 2.3.2 涂层结合力测试27-28
• 2.3.3 涂层抗热震性能测试28
• 2.3.4 涂层耐腐蚀性能测试28-30
• 第三章 Al-Y-Si涂层的制备及表征30-42
• 3.1 铝化物涂层制备工艺的优化30-34
• 3.1.1 试验参数对涂层厚度的影响31-33
• 3.1.2 试验参数对涂层结合力的影响33-34
• 3.2 Al-Y-Si涂层的相组成和组织组成34-36
• 3.3 Al-Y-Si涂层的表面形貌36-37
• 3.4 Al-Y-Si涂层的性能研究37-40
• 3.4.1 Al-Y-Si涂层的结合力37-39
• 3.4.2 Al-Y-Si涂层的耐腐蚀性能39-40
• 3.5 本章小结40-42
• 第四章 Al-Y-Si涂层等离子氧化及表征42-56
• 4.1 等离子氧化工艺的确定42-44
• 4.1.1 等离子氧化工艺参数对涂层物相的影响42-43
• 4.1.2 等离子氧化工艺参数对涂层结合力的影响43-44
• 4.2 靶材中Y含量对氧化铝涂层中相组成的影响44-45
• 4.3 靶材中Y含量对氧化铝涂层形貌的影响45-47
• 4.4 靶材中Y含量对氧化铝涂层性能的影响47-52
• 4.4.1 氧化铝涂层的结合力47-49
• 4.4.2 氧化铝涂层的抗热震性49-50
• 4.4.3 氧化铝涂层的耐腐蚀性能50-52
• 4.5 氧化铝涂层的生长过程中Y和Si的作用52-54
• 4.6 本章小结54-56
• 第五章 Al_2O_3-SiO_2复合涂层的制备及表征56-66
• 5.1 SiO_2涂层在金属防护方面的研究进展56-57
• 5.1.1 SiO_2涂层的制备方法56
• 5.1.2 SiO_2涂层的应用56-57
• 5.2 Al_2O_3-SiO_2复合涂层的制备57-58
• 5.3 Al_2O_3-SiO_2复合涂层的物相和组织组成58-59
• 5.4 Al_2O_3-SiO_2复合涂层的表面形貌59-61
• 5.5 Al_2O_3-SiO_2复合涂层的性能研究61-64
• 5.5.1 Al2O3-Si O2复合涂层的结合力61-63
• 5.5.2 Al2O3-Si O2复合涂层的耐腐蚀性能63-64
• 5.5.3 Al2O3-Si O2复合涂层的抗热震性能64
• 5.6 本章小结64-66
• 第六章 结论与展望66-68
• 6.1 研究结论66-67
• 6.2 研究展望67-68
• 参考文献68-75
• 致谢75-76
• 在学期间发表的学术论文76

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本文编号：530621