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第七届粤港澳真空科技创新发展论坛暨2023年广东省真空学会学术年会

作者：张程林松盛石倩苏一凡代明江李剑微张飞宇广东省科学院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

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有无污染、转化效率高、快速启动以及低温运行等特点,可广泛应用于交通运输、备用电源以及空间设备等诸多领域。双极板是质子交换膜燃料电池的重要组成部分,在电堆中起到收集和传导电流、支撑电池、分配... 详细信息

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有无污染、转化效率高、快速启动以及低温运行等特点,可广泛应用于交通运输、备用电源以及空间设备等诸多领域。双极板是质子交换膜燃料电池的重要组成部分,在电堆中起到收集和传导电流、支撑电池、分配反应气体以及排除生成水等作用。不锈钢材料具有优越的成形性能、较高的机械强度、良好的抗振动性能以及抗气体渗透性能,是金属双极板的理想材料,有望取代传统的石墨双极板。然而不锈钢双极板在PEMFC内部环境中存在着接触电阻过大和耐腐蚀性能差等问题,制约了其在PEMFC中的应用。金属表面改性是降低接触电阻和提高耐腐蚀性的有效方法之一。本研究利用物理气相沉积技术在316L不锈钢试样表面制备了碳基薄膜,采用扫描电镜（SEM）、Raman光谱和X射线光电子能谱（XPS）分析薄膜的表面、截面形貌以及薄膜的结构,采用电化学阻抗（EIS）、动电位极化和恒电位极化评估薄膜的耐腐蚀性能,分析薄膜腐蚀机理,采用接触角测量仪对薄膜的疏水性进行表征。通过工艺参数和薄膜结构优化,在316L不锈钢试样表面制备了接触电阻为2.15-4.32mΩ·cm,腐蚀电流密度为0.118-0.156μA/cm,接触角>90°的碳基薄膜;在模拟PEMFC阴极环境中进行了0.6V （***）恒电位下耐久性测试,腐蚀电流密度小于1μA/cm,腐蚀后薄膜接触电阻为6.1-8.1mΩ·cm,仍然满足DOE接触电阻标准。将带有碳基薄膜的316L不锈钢双极板进行装堆测试,其电堆输出性能满足应用标准。

关键词：质子交换膜燃料电池不锈钢双极板表面改性接触电阻耐腐蚀性

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粉末粒径对等离子喷涂固体氧化物燃料电池阳极微观结构及性能的影响

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材料研究与应用 2023年第2期17卷 329-337页

作者：朱志刚宋琛胡永俊邓畅光刘太楷文魁董东东毛杰刘敏广东工业大学材料与能源学院广东广州510006 广东省科学院新材料研究所/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

作为固体氧化物燃料电池阳极材料,选用NiO/Gd_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)(GDC)替换传统NiO/Y_(0.16)Zr_(0.92)O_(2.08),其可有效扩展三相反应界面,提高电池性能。采用大气等离子喷涂技术,通过调控NiO/GDC团聚粉末粒径,研究阳极微观结构演变... 详细信息

作为固体氧化物燃料电池阳极材料,选用NiO/Gd_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)(GDC)替换传统NiO/Y_(0.16)Zr_(0.92)O_(2.08),其可有效扩展三相反应界面,提高电池性能。采用大气等离子喷涂技术,通过调控NiO/GDC团聚粉末粒径,研究阳极微观结构演变及对电池性能的影响。结果表明:粉末粒径影响粉末的熔化程度,当d50=24.7μm的小粒径粉末熔化充分时,涂层中会暴露更多的GDC,增加反应活性位点;d50=45.2μm的大粒径粉末熔化不充分时,堆叠产生的间隙会造成涂层中裂纹和孔洞增多,表现出更大的气通量,泄漏率为14.8×10^(-6)cm^(4)·gf^(-1)·s^(-1);小粒径和大粒径粉末阳极形成的单电池输出峰功率密度接近,在800℃时分别达到1 158.46和1 147.0 mW·cm^(-2)。阻抗谱拟合结果揭示了阳极界面电荷转移和气体传输能力的差异。通过分析粉末粒径对电化学性能的作用机理可知,小粒径粉末阳极具有更多界面活性位点而表现出更快的电荷转移速度,大粒径粉末阳极具有优异的透气性,能透过更多燃料而有效激发活性位点。因此,在大小粒径粉末阳极上形成的电池几乎表现出相同的电化学性能。

关键词：阳极粉末粒径等离子喷涂微观结构固体氧化物燃料电池

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PS-PVD制备YSZ热障涂层抗熔盐腐蚀研究

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材料研究与应用 2023年第3期17卷 503-511页

作者：曾卓见毛杰邓子谦戴红亮胡永俊汪克威广东工业大学材料与能源学院广东广州510006 广东省科学院新材料研究所/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

为提高舰船燃气轮机上热障涂在海洋环境中层的工作寿命,研究了新型热障涂层在模拟海洋环境下的腐蚀性能。采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)技术,在已喷涂粘结层(NiCoCrAlY)的DZ40M高温合金基体上制备7YSZ陶瓷层,然后用Na2SO_(4)(质... 详细信息

为提高舰船燃气轮机上热障涂在海洋环境中层的工作寿命,研究了新型热障涂层在模拟海洋环境下的腐蚀性能。采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)技术,在已喷涂粘结层(NiCoCrAlY)的DZ40M高温合金基体上制备7YSZ陶瓷层,然后用Na2SO_(4)(质量分数45%)+V2O5(质量分数55%)混合熔盐在1050℃下对涂层进行腐蚀实验。利用场发射-扫描电镜、X射线衍射仪、能谱仪对涂层表面和截面的组织结构及1050℃高温熔盐腐蚀后涂层的物相组织和熔盐渗透深度进行了分析。研究结果表明,硫酸盐与钒酸盐的混合盐对涂层中的TGO层破坏显著,t′-ZrO_(2)相变与TGO的生长是导致涂层脱落的主要原因。

关键词：海洋环境热障涂层 YSZ TGO 熔盐腐蚀

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Ti6Al4V钛合金表面Al2O3颗粒改性微弧氧化涂层制备及性能

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稀有金属材料与工程 2020年第3期49卷 755-760页

作者：李洪宋智辉唐鹏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 广东工业大学广东广州510006

通过在磷酸盐电解液中加入Al2O3陶瓷颗粒,使得在Ti6Al4V钛合金表面的微弧氧化涂层结构和性能得到改性。涂层的结构和性能通过扫描电镜和XRD进行表征和测试,涂层的抗高温氧化性能和热震性能通过高温热循环氧化试验和热震试验进行测试。... 详细信息

通过在磷酸盐电解液中加入Al2O3陶瓷颗粒,使得在Ti6Al4V钛合金表面的微弧氧化涂层结构和性能得到改性。涂层的结构和性能通过扫描电镜和XRD进行表征和测试,涂层的抗高温氧化性能和热震性能通过高温热循环氧化试验和热震试验进行测试。结果表明,通过在电解液中添加Al2O3陶瓷颗粒,涂层由Al2TiO5和TiO2组成,涂层更为致密,表现出更为优异的抗高温氧化和热震性能。电解液中游动的Al2O3陶瓷颗粒在微弧氧化过程中被吸入到样品表面并进入涂层,涂层的结构和性能得到改性。

关键词： Ti6Al4V钛合金微弧氧化 Al2O3颗粒抗氧化性能热震性能

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激光工艺参数对H13钢粉末单道成形特性的影响

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激光与红外 2021年第7期51卷 871-876页

作者：王岳亮钟永华李福海马文有陈兴驰卢冰文刘敏广东省科学院新材料研究所广东省现代表面工程技术重点实验室现代材料表面工程技术国家工程实验室广东广州510650

为了解激光工艺参数对H13钢表面再制造成型H13粉末层几何特征的影响规律,设计研究了工艺参数(激光功率、光斑直径)对单道成形层几何特征(成形层高度、宽度、基体熔化深度与宽度)影响的实验,根据实验结果归纳了工艺参数对成形层几何特征... 详细信息

为了解激光工艺参数对H13钢表面再制造成型H13粉末层几何特征的影响规律,设计研究了工艺参数(激光功率、光斑直径)对单道成形层几何特征(成形层高度、宽度、基体熔化深度与宽度)影响的实验,根据实验结果归纳了工艺参数对成形层几何特征的影响规律,并采用极差分析了各几何特征的主要影响因素,同时利用了激光再制造形成层几何特征模型对实验结果进行了分析。结果表明光斑尺寸对熔覆层宽度、基体熔化区宽度、深度影响更明显,而激光功率、光斑尺寸对熔覆层高度的影响无显著差别;此外,粉末综合利用率随辐照激光能量密度的增大先增大后维持基本不变。

关键词：激光再制造几何特征粉末综合利用率 H13钢

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Cr-CrN-Cr-CrAlN多层膜厚度对结构和性能的影响

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真空 2023年第4期60卷 1-7页

作者：林松盛刘若愚田甜吕亮苏一凡汪云程石倩云海涛唐鹏郑彩凤易出山广东省科学院新材料研究所、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 中国航发南方工业有限公司湖南株洲412000

采用电弧离子镀技术在TC4钛合金表面制备不同厚度的Cr-CrN-Cr-CrAlN多层膜,研究了多层膜厚度对其结构及性能的影响。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、划痕仪、应力测试仪、砂粒冲蚀试验仪和拉伸试验机检测分析了多层膜的... 详细信息

采用电弧离子镀技术在TC4钛合金表面制备不同厚度的Cr-CrN-Cr-CrAlN多层膜,研究了多层膜厚度对其结构及性能的影响。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、划痕仪、应力测试仪、砂粒冲蚀试验仪和拉伸试验机检测分析了多层膜的表面及截面形貌、微观结构、硬度、结合力、残余应力、抗砂粒冲蚀性能和拉伸性能等。结果表明:随着多层膜厚度的增加,膜层表面颗粒增多,表面质量略有下降,择优取向由(200)晶面逐渐向(111)晶面转变;随着厚度的增加,残余应力逐渐增加,膜层硬度、膜基结合力、裂纹扩展抗力先上升后下降,在厚度为10.58μm时达到最佳,其硬度为3404Hv、结合力为58.6N、裂纹扩展抗力为758.49,抗砂粒冲蚀性能提高3倍以上;TC4钛合金表面镀多层膜后,屈服强度和抗拉强度均略有提升,但断后伸长率降低,当膜层厚度为14.50μm时,断后伸长率较基材降低30%,断裂机制由韧性断裂转变为脆性断裂。在一定范围内增加膜层厚度有利于提升性能,但需合理控制其厚度以减小对钛合金基材的负面影响。

关键词： Cr-CrN-Cr-CrAlN多层膜抗砂粒冲蚀性能拉伸性能电弧离子镀钛合金

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等离子喷涂Al2O3-3%TiO2涂层结构及加载绝缘性能

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表面技术 2020年第8期49卷 63-72页

作者：杨焜牛少鹏邓春明宋进兵邓畅光刘敏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

目的研究等离子喷涂Al2O3-3%TiO2涂层的抗低温冲击性能和外部载荷下的绝缘性能等综合性能,探讨大气等离子喷涂技术作为核聚变反应堆磁体支撑结构绝缘涂层制备方法的可行性。方法采用大气等离子喷涂技术在喷砂处理的A286基体上制备Al2O3-... 详细信息

目的研究等离子喷涂Al2O3-3%TiO2涂层的抗低温冲击性能和外部载荷下的绝缘性能等综合性能,探讨大气等离子喷涂技术作为核聚变反应堆磁体支撑结构绝缘涂层制备方法的可行性。方法采用大气等离子喷涂技术在喷砂处理的A286基体上制备Al2O3-3%TiO2涂层并进行封孔处理,利用XRD、SEM等手段对涂层的微观结构和常规性能进行表征,重点关注了涂层的低温热冲击性能和加载绝缘性能。结果喷涂粉末充分熔融及铺展而沉积为典型的层叠状结构,涂层的结合强度达30 MPa,孔隙率可控制在5%以内。均匀涂刷在涂层表面的硅树脂封孔剂有利于填充涂层孔隙和微裂纹,封孔剂在涂层内部的渗透深度可达到大约100μm。从室温水浴到液氮进行10个循环的热冲击试验后,涂层未发现裂纹和剥落,且热冲击对绝缘性能没有显著影响。250 MPa压缩载荷下,涂层的表面电阻率明显降低,但仍高于30 MΩ/sqr。结论Al2O3-3%TiO2涂层可作为高载荷和低温环境下使用的潜在绝缘材料,而大气等离子喷涂将成为制备核聚变反应堆磁体支撑结构关键部件绝缘涂层的重要选择。

关键词：大气等离子喷涂 Al2O3-TiO2涂层磁体支撑结构显微结构绝缘性能

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MCrAlY高温防护涂层界面扩散行为研究进展

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稀有金属材料与工程 2020年第7期49卷 2240-2249页

作者：杨洪志邹俭鹏石倩林松盛代明江王迪中南大学粉末冶金国家重点实验室湖南长沙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510651

MCr Al Y涂层在高温环境下可在涂层表面生成致密连续的氧化层,以阻止阳离子和氧离子的扩散,在保护镍基高温合金基体免受高温氧化和腐蚀方面发挥着重要作用。氧化层主要由α-Al2O3组成,其具有较高的热稳定性和化学稳定性,同时在其六方密... 详细信息

MCr Al Y涂层在高温环境下可在涂层表面生成致密连续的氧化层,以阻止阳离子和氧离子的扩散,在保护镍基高温合金基体免受高温氧化和腐蚀方面发挥着重要作用。氧化层主要由α-Al2O3组成,其具有较高的热稳定性和化学稳定性,同时在其六方密堆积(HCP)结构中氧离子和金属离子具有较低的扩散系数。随着氧化铝层的生长,使得涂层/氧化层界面铝浓度降低,进一步抑制了连续的Al2O3层的生长,导致氧化层中形成混合氧化物和裂缝以及空隙。同时,伴随着界面扩散过程,使得氧化层的微观结构因化学成分的变化而转变,这将对涂层的抗氧化性能产生显著影响。在高温条件下,由于扩散的热活化特性及涂层与基体化学成分的差异,涂层/镍基合金基体界面扩散过程将对基体合金产生有害影响。此时,Al会从涂层内扩散至基体合金中,同时Ni会从基体合金扩散至涂层中,使得基体合金的微观结构发生相转变(γ-Ni相→γ’-Ni3Al相),形成互扩散区(IDZ)。镍基合金微观结构的相转变使得难熔元素析出,形成二次反应区(SRZ),其主要由富含难熔元素的拓扑密堆积(TCP)相组成,例如σ、μ和Laves相等,且具有枝状晶结构。因此,TCP相的析出将会对镍基合金的高温疲劳寿命产生严重影响。本文综述了MCr Al Y涂层界面扩散的详细过程,同时对界面扩散过程的影响进行了总结。这将有利于深入了解涂层在氧化过程中的组织结构变化和元素扩散行为,对提高涂层的高温抗氧化性能及研究涂层的失效机理具有借鉴意义。

关键词： MCrAlY涂层界面扩散互扩散区二次反应区

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铝基可磨耗封严涂层制备及性能评价研究进展

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材料研究与应用 2023年第5期17卷 967-982页

作者：王旭东王玉江张学敏杨焜张小锋陆静广西科技大学机械与汽车工程学院广西柳州545006 广东省科学院新材料研究所/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51065

随着航空航天技术的发展,人们对发动机效率的要求越来越高。减小涡轮机叶片尖端与机匣之间的缝隙,有利于发动机效率的提升。叶片尖端与发动机涡轮机机匣之间喷涂可磨耗封严涂层,不仅可封严气路、提高发动机效率,又可以减少对叶片的磨损... 详细信息

随着航空航天技术的发展,人们对发动机效率的要求越来越高。减小涡轮机叶片尖端与机匣之间的缝隙,有利于发动机效率的提升。叶片尖端与发动机涡轮机机匣之间喷涂可磨耗封严涂层,不仅可封严气路、提高发动机效率,又可以减少对叶片的磨损以保护叶片。对于可磨耗封严涂层而言,可磨耗性是其最重要、最本质的特性。综述了国内外铝基封严涂层的粉末制备、喷涂及可磨耗性能评价的研究现状,分析了粉体形式、喷涂参数对涂层组织的影响,以及涂层表面洛氏硬度、叶尖的进给速率/单道进给量、摩擦线速度等对涂层的可磨耗性能的影响,同时还对海洋环境下铝基封严涂层的腐蚀机理进行研究,指出了机器学习、仿真技术在可磨耗涂层性能预测及性能表征等方面的作用。最后,总结了近年来铝基可磨耗封严涂层的研究进展,并对未来的研究方向进行了展望。

关键词：粉体涂层可磨耗性耐腐蚀性能仿真技术

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固体氧化物燃料电池阴极的等离子喷涂制备及结构调控

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材料研究与应用 2023年第6期17卷 1117-1124页

作者：陈江杜柯朱志刚宋琛刘太楷文魁毛杰张小锋刘敏广东省科学院新材料研究所/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 华南理工大学环境与能源学院广东广州510006

固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种高效、环保的发电装置备受关注,金属支撑型SOFC因高鲁棒性和优异性价比而极具发展潜力。目前金属支撑型SOFC的制备方法(如湿化学法和镀膜技术),仍存在需高温烧结、效率低和工艺复杂等问题。大气等离子... 详细信息

固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种高效、环保的发电装置备受关注,金属支撑型SOFC因高鲁棒性和优异性价比而极具发展潜力。目前金属支撑型SOFC的制备方法(如湿化学法和镀膜技术),仍存在需高温烧结、效率低和工艺复杂等问题。大气等离子喷涂(APS)技术因具备成本低、效率高、对基体热输入少等特点,适合高效制备金属支撑型SOFC。本文采用APS技术制备金属支撑型SOFC,重点探究了不同喷涂参数在立方钙钛矿锶钴铁氧体(LSCF)阴极结构的调控作用。通过对APS制备的单粒子形貌进行表征,阐明了阴极沉积的机理,同时揭示了微观结构对电池性能的影响。研究结果表明:在14 kW条件下,采用APS制备的多孔阴极涂层,由熔融粒子和部分半熔化粒子构成,具有最佳电催化性能;在800℃下,电池整体的极化电阻仅为0.12Ω·cm^(2)、输出峰功率达到1074 mW·cm^(−2),表现出良好的输出能力。

关键词：固体氧化物燃料电池金属支撑型等离子喷涂阴极结构电池性能

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