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TFC'19第十五届全国薄膜技术学术研讨会

作者：石倩汪唯郭朝乾李洪唐鹏苏一凡韦春贝林松盛代明江广东省新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广东省现代表面工程技术重点实验室

MCrAlY (M=Ni、Co、Fe或CoNi)涂层是航空发动机叶片上最常用的抗高温氧化和热障涂层黏结层材料,具有良好的塑性、较高的高温强度、优异的抗氧化性能以及抗腐蚀性能等,可有效提高涡轮叶片在1050℃的抗高温氧化和抗腐蚀的性能,已在多个型... 详细信息

MCrAlY (M=Ni、Co、Fe或CoNi)涂层是航空发动机叶片上最常用的抗高温氧化和热障涂层黏结层材料,具有良好的塑性、较高的高温强度、优异的抗氧化性能以及抗腐蚀性能等,可有效提高涡轮叶片在1050℃的抗高温氧化和抗腐蚀的性能,已在多个型号发动机上实现应用。然而随着航空事业的迅猛发展,对材料性能的要求越来越高,新一代发动机叶片的热端部件材料已具有耐1050℃以上高温力学性能(高温强度,蠕变持久性能,疲劳性能)。然而在大于1050℃时,MCrAlY表面会生成相对较厚的氧化膜,导致应力集中而发生剥落,引起涂层的过早失效。因此MCrAlY涂层已无法满足该材料的防护需求,需要开发耐更高温度的抗氧化涂层。常用的高温防护涂层制备技术有低压等离子喷涂(Lowpressureplasma spraying,LPPS)、电子束物理气相沉积(Electron beam-physical vapor deposition,EB-PVD)、电弧离子镀(Arc ion plating,AIP)等。对于涂层的厚度均匀性、致密性和粗糙度要求较高的叶片而言,采用电弧离子镀技术是一个很好的选择,AIP具有绕镀性好,膜基结合强度高和沉积速率快等优点,在很多领域已得到广泛应用。本研究采用改良的电弧离子镀技术在航空发动机叶片镍基高温合金材料表面制备活性元素掺杂的NiCrAlY涂层以及NiAlHf涂层,考察其在更高温下的氧化行为,结果表明:1)不同元素掺杂的NiCrAlY涂层在1100℃时出现明显的元素聚集,从而导致较大差异的抗高温氧化性;2)电弧离子镀制备的NiAlHf涂层与NiCrAlY涂层相比表面粗糙度小,致密度高,在1150℃时仍保持良好的抗高温氧化性。总之,本研究从制备技术、涂层成分与涂层结构、性能关系的角度阐述了本团队在MCrAlY涂层改性方面的研究进展,为航空发动机叶片下一代高温防护涂层的选择和应用提供可靠依据。

关键词：电弧离子镀高温防护 NiCrAlY涂层掺杂改性 NiAlHf涂层

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等离子喷涂物理气相沉积稀土高温功能陶瓷涂层及其表征

等离子喷涂物理气相沉积稀土高温功能陶瓷涂层及其表征

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第九届国际稀土开发与应用研讨会暨2019中国稀土学会学术年会

作者：邓春明张小锋邓子谦牛少鹏毛杰刘敏周克崧广东省新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广东省现代表面工程技术重点实验室

稀土高温功能陶瓷材料因其在高温隔热、高温离子导电或抗高温热腐蚀等方面具有优异的性能而受人们所重视,广泛作为高温热障涂层、SOFC以及混合导体透氧膜材料。而随着要求的不断提高,为提高应用的性能,获得不断薄化、结构可靠的稀土高... 详细信息

稀土高温功能陶瓷材料因其在高温隔热、高温离子导电或抗高温热腐蚀等方面具有优异的性能而受人们所重视,广泛作为高温热障涂层、SOFC以及混合导体透氧膜材料。而随着要求的不断提高,为提高应用的性能,获得不断薄化、结构可靠的稀土高温功能涂层是近年来材料学领域最为关注的热点。等离子喷涂-物理气相沉积是近10年来发展起来的新型涂层制备技术,因其在超低压条件下拉长的等离子弧以及高功能的等离子喷枪,可以使注入的粉体材料实现液相、气液以及气相沉积,因此可获得具有致密结构、柱状结构的陶瓷涂层,在制备稀土高温功能涂层方面具有独特的优势。本文介绍了广东省新材料研究所近年来围绕高温热障涂层、SOFC、混合导体透氧膜,采用等离子喷涂-物理气相沉积稀土高温功能陶瓷涂层所做的工作。通过对稀土高温功能陶瓷特种粉体的优化、喷涂工艺控制,结合涂层结构的要求分别沉积了致密的YSZ、Yb2Si2O5、GDC和柱状结构的YSZ、Gd2Zr2O7等涂层,研究了涂层沉积机理。根据涂层要求,对其典型的性能指标如致密度/气密性、结合强度、热冲击等进行了表征。研究结果表明,等离子喷涂-物理气相沉积可获得性能优良的稀土高温功能陶瓷涂层,是一种高效的稀土高温功能涂层制备方法。

关键词：等离子喷涂物理气相沉积热/环境障涂层双层柱状结构致密涂层混合导体透氧膜

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电弧离子镀NiCrAlYSi涂层抗高温氧化行为

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中国表面工程 2018年第1期31卷 81-87页

作者：杜伟石倩代明江易健宏林松盛侯惠君昆明理工大学材料科学与工程学院昆明650093 广东省新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广东省现代表面工程技术重点实验室广州510650

采用电弧离子镀技术,在镍基高温合金DZ22B表面沉积一层NiCrAlYSi抗高温氧化涂层。利用SEM、XRD、EDS和电子探针等,分析了涂层的微观形貌、组织结构、物相和元素分布规律。研究了涂层和基体在1050℃的静态空气环境中恒温氧化200 h的氧化... 详细信息

采用电弧离子镀技术,在镍基高温合金DZ22B表面沉积一层NiCrAlYSi抗高温氧化涂层。利用SEM、XRD、EDS和电子探针等,分析了涂层的微观形貌、组织结构、物相和元素分布规律。研究了涂层和基体在1050℃的静态空气环境中恒温氧化200 h的氧化动力学规律和抗氧化性能。结果表明:沉积态涂层致密均匀,无孔洞等明显缺陷。经热处理后,涂层发生了β-NiAl向γ'-Ni_3Al的转变,主要物相为γ'-Ni_3Al/γ-Ni、β-NiAl和α-Cr相。恒温氧化200 h后,与基体相比,平均氧化速度由0.096 7g/(m^2·h)降到0.0340g/(m^2·h),显著提高了基体的抗高温氧化性能。氧化初期,涂层表面形成了一层均匀致密的α-Al_2O_3保护层,阻止氧向涂层内部扩散,从而大大提高了抗氧化性能。氧化过程中,涂层与基体的界面处发生了元素互扩散现象;主要为Cr元素从涂层向基体的内扩散和Co、W和Y元素从基体向涂层的外扩散。

关键词：电弧离子镀防护涂层抗高温氧化镍基高温合金互扩散

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APS制备PFA/Al_2O_3复合陶瓷疏水涂层的性能及沉积机制

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表面技术 2018年第4期47卷 64-72页

作者：高硕洪刘建武刘敏张小锋邓春明梁兴华庞晓军广东工业大学材料与能源学院广州510006 广东省新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广东省现代表面工程技术重点实验室广州510650 中国航发湖南动力机械研究所湖南株洲412002

目的在铝合金表面制备含氟疏水涂层,改善其综合性能。方法以Al_2O_3∶PFA质量比为4∶1、3∶1的混合粉末为热喷涂粉末,采用大气等离子喷涂(APS)技术,调整工艺参数,于铝基体上制备不同的PFA/Al_2O_3复合疏水涂层,对涂层的相组成、显微结... 详细信息

目的在铝合金表面制备含氟疏水涂层,改善其综合性能。方法以Al_2O_3∶PFA质量比为4∶1、3∶1的混合粉末为热喷涂粉末,采用大气等离子喷涂(APS)技术,调整工艺参数,于铝基体上制备不同的PFA/Al_2O_3复合疏水涂层,对涂层的相组成、显微结构、结合强度、显微硬度及疏水性能等进行了评价。根据两种粒子在等离子焰流当中的特征及沉积状态,讨论并分析其对疏水性能的影响。结果涂层的相组成均以γ-Al_2O_3为主,其中还含有少量α-Al_2O_3微晶及非晶。涂层表面都有一定的疏水性,其静态水接触角均达到了100°以上,结合强度达到23 MPa以上,显微硬度最高能达到760 HV0.3。结论两种混合粉末制得的涂层相比,Al_2O_3∶PFA质量比为3∶1的混合粉末制备的涂层的疏水性有明显提升,说明表面F元素的含量是影响疏水性的重要因素,但其结合强度、显微硬度有所下降。两种粉末粒子经焰流加热后以熔融或半熔融的状态于基体上沉积,形成了团聚扁平状的复合结构,同时,在扁平状结构的表面与四周也存在着未熔或半熔融的椭球形粒子。

关键词： PFA 氧化铝大气等离子喷涂疏水涂层沉积机理

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大气等离子喷涂环境障涂层镀Al表面改性

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中国材料进展 2018年第12期37卷 978-984,993页

作者：张小锋周克崧刘敏李洪阳海棠牛少鹏邓春明邓畅光广东省新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室及广东省现代表面工程技术重点实验室广东广州510650 中南大学航空航天学院湖南长沙410083

陶瓷基复合材料(CMC)由于具有较低的密度(高温合金的1/3～1/4)、较高的服役温度(比高温合金高200～240℃)以及良好的结构强度(高温合金的2倍),已成为未来大推重比航空发动机热端部件的首选材料。发动机服役过程中,热端部件完全暴露于空... 详细信息

陶瓷基复合材料(CMC)由于具有较低的密度(高温合金的1/3～1/4)、较高的服役温度(比高温合金高200～240℃)以及良好的结构强度(高温合金的2倍),已成为未来大推重比航空发动机热端部件的首选材料。发动机服役过程中,热端部件完全暴露于空气气氛中,服役环境恶劣,以Si C/Si C为代表的CMC部件直接面临着腐蚀、烧蚀、冲刷等问题,因此急需开展一类高性能CMC热防护涂层即环境障涂层(EBCs)的研究。通过大气等离子喷涂在SiC/SiC CMC基体表面制备硅/莫来石/硅酸镱(Yb2SiO5)三层结构EBCs。为提高EBCs服役性能,对涂层样品进行镀Al表面改性即采用磁控溅射技术在涂层表面镀Al全包覆,然后对其进行真空热处理。在高温低真空下,涂层表面Al膜发生熔融并在毛细管力的作用下往多孔涂层内部渗透并与Yb_2SiO_5发生原位反应,在涂层表面形成一层致密α-Al_2O_3层。对喷涂态及镀Al表面改性涂层进行典型模拟服役环境性能对比实验,发现镀Al表面改性EBCs具有较好的抗高温水氧及耐CMAS(CaO-MgO-Al_2O_3-Si O_2)腐蚀性能。另外,通过实验观察,原位形成的α-Al_2O_3致密层对涂层的热循环性能无明显影响。

关键词：环境障涂层大气等离子喷涂镀Al改性水氧腐蚀 CMAS腐蚀热循环

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喷雾干燥法制备PS-PVD用8YSZ纳米团聚粉末

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表面技术 2018年第10期47卷 275-282页

作者：殷建安刘敏张小锋邓春明邓子谦曾德长华南理工大学材料科学与工程学院广州510640 广东省新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广州510651 广东省新材料研究所广东省现代表面工程技术重点实验室广州510651

目的通过喷雾干燥法制备用于等离子喷涂-物理气相沉积法(Plasma Spray-Physical Vapor Deposition,PS-PVD)多相沉积柱状/致密涂层的Zr O_2-8%Y_2O_3(8YSZ)纳米团聚粉末。方法采用平均粒度为20 nm的8YSZ纳米粉为原料并配制成浆料,球磨后... 详细信息

目的通过喷雾干燥法制备用于等离子喷涂-物理气相沉积法(Plasma Spray-Physical Vapor Deposition,PS-PVD)多相沉积柱状/致密涂层的Zr O_2-8%Y_2O_3(8YSZ)纳米团聚粉末。方法采用平均粒度为20 nm的8YSZ纳米粉为原料并配制成浆料,球磨后通过喷雾干燥法制备出8YSZ的纳米团聚粉末,并研究不同含量粘结剂(NJ-3)对粉末的影响。利用TEM、SEM表征粉末及涂层的微观结构。通过XRD、激光粒度及拉伸试验对粉末及涂层性能进行表征。结果纳米8YSZ粉末在添加适当种类及含量的分散剂、粘结剂并通过喷雾干燥加工后,成功制备出球形度高、粒度小且适用于气/液/固多相沉积的PS-PVD用喷涂粉末。当粘结剂含量低于8%时,粉末球形度低,表面存在明显坑孔。而当粘结剂含量高于12%时,PS-PVD气相沉积效率低,涂层质量差。当粘结剂含量为10%时,粉末球形度高,D90=12.24μm,可气/液/固多相沉积制备形貌良好的柱状涂层及致密涂层。其中气相沉积所制备柱状涂层结合强度可达33 MPa,且原始粉末中的m-ZrO_2完全转变为t-ZrO_2。结论当粘结剂含量为10%时,所制备粉末能够流畅送粉,并进行气/液/固多相沉积,且涂层质量最优。粘结剂在粉末内部分布均匀,并主要起粘结和支撑作用,同时可改善粉末表面形貌。喷雾干燥后粉末粒度随着粘结剂含量增加而增大,但非线性变化。

关键词：喷雾干燥等离子-物理气相沉积 8YSZ 纳米团聚柱状涂层致密涂层多相沉积

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不同稀土掺杂固体渗铬对Cr-RE渗层结构及性能的影响

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表面技术 2018年第10期47卷 157-164页

作者：唐相国代明江韦春贝匡同春林松盛侯惠君华南理工大学材料科学与工程学院广州510640 广东省新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广州510651 广东省新材料研究所广东省现代表面工程技术重点实验室广州510651

目的改善GCr15轴承钢的表面性能,以满足其在重载恶劣工况下服役的要求。方法采用固体包埋法对GCr15轴承钢进行渗铬处理,通过添加不同的稀土氧化物La_2O_3、Y_2O_3和Ce O_2,获得三种Cr-RE渗层。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD... 详细信息

目的改善GCr15轴承钢的表面性能,以满足其在重载恶劣工况下服役的要求。方法采用固体包埋法对GCr15轴承钢进行渗铬处理,通过添加不同的稀土氧化物La_2O_3、Y_2O_3和Ce O_2,获得三种Cr-RE渗层。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)、显微维氏硬度计、Rockwell-C硬度计及球-盘式摩擦磨损试验机,对Cr-RE渗层的表面形貌、截面形貌、物相组成、渗层成分、显微硬度、结合强度和摩擦磨损性能分别进行表征。结果不同稀土元素添加都能在GCr15轴承钢表面形成一层致密、连续的稀土改性渗铬层,其厚度为10μm,其中Cr-La渗层韧性和结合强度最好,其压痕等级为HF1。Cr-RE渗层主要由Cr_7C_3、Cr_2C和(Cr,Fe)_7C_3等相组成。Cr-RE渗层能显著提高基体表面硬度,其中Cr-Y渗层表面硬度最大可达1520 HV。三种Cr-RE渗层均有提高耐磨性和减摩作用,其中Cr-La渗层具有最好的摩擦学性能,其平均摩擦系数为0.4714,磨损率为4.4806×10^(-7 )mm^3/(N?m),其磨损机理为粘着转移和氧化磨损。结论稀土掺杂渗铬能有效改善渗铬层的韧性和耐磨性,其中Cr-La渗层综合性能最好。

关键词： GCr15轴承钢 Cr-RE渗层稀土氧化物摩擦磨损性能固体包埋法

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调制比对MoS2-Ti/Cu-Ni-In多层膜微动磨损性能影响

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金属功能材料 2019年第3期26卷 21-26页

作者：李琪代明江韦春贝刘凤美熊敏广东省焊接技术研究所(广东省中乌研究院)广东省现代焊接技术重点实验室广东广州510650 广东省新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广东省现代表面工程技术重点实验室广东广州510650

为了改善钛合金表面的抗微动磨损性能,采用非平衡磁控溅射技术在钛合金(TC4)表面沉积了不同调制比(2∶1、1∶1、1∶2)的MoS2-Ti/Cu-Ni-In多层固体润滑膜(调制周期均为2μm)。利用扫描电镜、划痕仪、XRD、维氏显微硬度计、微动摩擦磨损... 详细信息

为了改善钛合金表面的抗微动磨损性能,采用非平衡磁控溅射技术在钛合金(TC4)表面沉积了不同调制比(2∶1、1∶1、1∶2)的MoS2-Ti/Cu-Ni-In多层固体润滑膜(调制周期均为2μm)。利用扫描电镜、划痕仪、XRD、维氏显微硬度计、微动摩擦磨损试验机、3D表面轮廓仪对多层膜的形貌、结合力、物相、硬度、抗微动磨损性能、磨痕形貌进行分析测试。结果表明,所制备的MoS2-Ti/Cu-Ni-In多层膜交替结构清晰,结构致密,在12000个微动循环周期后,测得MoS2-Ti/Cu-Ni-In多层膜在调制比为工艺2∶1、1∶1时,多层膜的室温平均微动系数分别为0.071、0.065,其最终磨损总量分别为0.087mm3、0.045mm3,多层膜具有良好的抗微动磨损效果。

关键词：调制比微动磨损固体润滑膜微动磨痕多层膜

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基体偏压对高功率脉冲磁控溅射AlCrN涂层结构及其性能的影响

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材料研究与应用 2019年第4期13卷 257-262页

作者：唐鹏王启民林松盛代明江广东省新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广东省现代表面工程技术重点实验室广东广州510650 广东工业大学机电工程学院广东广州510006

为了获得性能更加优异的刀具涂层,采用高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)在Ar/N 2混合气氛下制备了AlCrN涂层,研究了不同基体偏压对于涂层的结构和力学性能的影响.XRD图谱表明:AlCrN涂层中存在立方CrN(200),CrN(220)和六方AlN(110)的衍射... 详细信息

为了获得性能更加优异的刀具涂层,采用高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)在Ar/N 2混合气氛下制备了AlCrN涂层,研究了不同基体偏压对于涂层的结构和力学性能的影响.XRD图谱表明:AlCrN涂层中存在立方CrN(200),CrN(220)和六方AlN(110)的衍射峰,其中CrN(220)的衍射峰在偏压大于等于-60 V时才会出现,六方AlN(110)的衍射峰在偏压大于等于-100 V时才会出现;Al元素加入会使所有CrN的衍射峰都向更低的角度偏移.随着基体偏压的升高,涂层表面的大颗粒数量和尺寸都呈现逐渐减小趋势.AlCrN涂层的硬度及弹性模量随着偏压的上升先增加后减小,在偏压为-150 V时均达最大值32.5±2.0 GPa和490±111.0 GPa.随着基体偏压增加,涂层的临界载荷先上升后减小,在偏压为-100 V时有最大值约40 N.

关键词： AlCrN涂层高功率脉冲磁控溅射基体偏压力学性能

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PS-PVD等离子射流特性和YSZ粉末蒸发行为的光谱诊断

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材料研究与应用 2019年第4期13卷 287-294页

作者：张岩邓畅光毛杰邓子谦罗志伟中南大学材料科学与工程学院湖南长沙410083 广东省新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广东省现代表面工程技术重点实验室广东广州510650

采用PS-PVD工艺在不同送粉速率下沉积YSZ陶瓷涂层,通过光学发射光谱(OES)对不同送粉速率下的等离子射流特性进行诊断,同时分析光谱发射强度分布并计算出等离子射流平均温度及电子密度值,结合射流照片以及涂层微观结构研究不同送粉速率下... 详细信息

采用PS-PVD工艺在不同送粉速率下沉积YSZ陶瓷涂层,通过光学发射光谱(OES)对不同送粉速率下的等离子射流特性进行诊断,同时分析光谱发射强度分布并计算出等离子射流平均温度及电子密度值,结合射流照片以及涂层微观结构研究不同送粉速率下YSZ粉末在射流中的加热蒸发行为.研究结果表明:少量粉末通入后几乎全部被加热蒸发,大量处于高激发态甚至发生电离,射流温度较低但保持着较高电子密度;气相状态下涂层沉积速率很低,涂层多为单根柱状晶且宽大,直接由纳米柱状晶组成;增大粉末送粉速率,射流高温区发生宽化,粉末蒸发量提高,但射流的能量不再足以蒸发所有粉末,会存在少量未融颗粒.气相、团簇甚至熔融粒子共同作用下的混合相沉积使得沉积效率迅速增大.表面扩散较不充分,单根柱状晶尺寸变窄,在固体颗粒与阴影效应的共同作用下产生分支.

关键词： OES PS-PVD 热障涂层 YSZ粉末蒸发等离子射流特性

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