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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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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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氢能航空发动机研究现状及发展制约因素

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材料研究与应用 2024年第2期18卷 299-308页

作者：刘佳育罗纳李俊辰罗奎林张小锋新余学院新能源科学与工程学院江西新余338000 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 国营川西机器厂再制造与叶片修理中心四川成都611937

为应对全球气候变暖和温室效应加剧,欧美中等多国纷纷提出各自碳中和发展战略,在航空航天、交通运输等多个领域推动新能源技术的应用。氢能源是航空业中较为理想、可取代传统石化燃料的能源,目前全球各大航空公司都在着手布局氢能航空... 详细信息

为应对全球气候变暖和温室效应加剧,欧美中等多国纷纷提出各自碳中和发展战略,在航空航天、交通运输等多个领域推动新能源技术的应用。氢能源是航空业中较为理想、可取代传统石化燃料的能源,目前全球各大航空公司都在着手布局氢能航空体系。氢能源在航空领域的应用十分广泛,但其最重要的1个研究方向—氢燃料航空发动机,仍处于大力发展和技术创新阶段。总结了近期氢燃料发动机在航空领域的新发展,综述了氢燃料发动机在材料应用方面的短板和现实阻碍,具体从氢能航空发展现状、氢能航空发动机关键技术、氢能航空发动机发展的主要制约因素3大方面进行介绍。氢燃料一直备受关注和青睐,国外早已启动开发氢能飞机的研究项目,并在研发氢能飞机、推动氢能航空相关产业方面已取得一定实质性进展,而我国相关研究主要集中在制氢(风能、光能等电解制氢)、储氢、供氢(氢燃料加注站)及氢燃料电池和汽车领域。为推动氢能航空发动机的大力发展,未来必须突破氢动力推进技术、机载氢燃料存储技术及氢燃料生产制备技术等技术壁垒,而提供飞行动力的航空发动机是其中首要核心点。尽管氢能航空的发展前景备受瞩目,但如要大规模推行,仍面临诸多挑战。若要实现氢能航空飞机大范围应用推广,还需在核心动力、交叉技术等方面开展更加深入的研究与开发。

关键词：氢能航空氢能源氢燃料发动机研究现状制约因素氢涡轮发动机 E-TBCs TGO

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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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等离子喷涂-物理气相沉积防护涂层及其失效机理研究进展

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材料研究与应用 2023年第2期17卷 234-250页

作者：董浩梁兴华王玉张小锋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510650 佛山桃园先进制造研究院/广东省现代表面工程技术重点实验室广东佛山528200

防护涂层在航空发动机和燃气涡轮发动机免受水氧腐蚀和盐雾侵蚀、耐高温、抗冲刷和服役寿命方面发挥着重要的作用。等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)技术以其大功率、喷射范围广、能够使粉末原料以气相甚至离子化和非视线沉积特性等特... 详细信息

防护涂层在航空发动机和燃气涡轮发动机免受水氧腐蚀和盐雾侵蚀、耐高温、抗冲刷和服役寿命方面发挥着重要的作用。等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)技术以其大功率、喷射范围广、能够使粉末原料以气相甚至离子化和非视线沉积特性等特点被广泛应用在热/环境障涂层制备领域,形成的涂层具有沉积效率高、孔隙率较高、热导率低、应变容限高等特点。首先,对PS-PVD热障涂层的表面形貌、柱状晶特点和等离子射流特性进行了探讨。然后,讨论了PS-PVD YSZ热障涂层表面镀铝改性对涂层抗CMAS侵蚀、减少孔隙和裂纹、TGO的生成和提高热循环寿命方面的重要作用,结果表明表面镀铝能显著减少涂层表面孔隙、凹坑、微裂纹和熔融盐对于热障涂层的不利影响。其次,简要概述了近年来SiCf/SiC CMCs代替镍基高温合金在航空发动机基体上抗高温高压和快速失效方面发挥的重要作用。SiCf/SiC CMCs与T/EBCs的结合,有效延长了航空发动机的使用寿命,是我国航空事业的又一次重大突破。此外,重点介绍了PS-PVD非视线沉积特性和涂层阴影效应在涂层沉积方面这一特色,总结了TGO、残余应力、热膨胀失配、微裂纹和粗糙度是涂层失效的主要影响因素。最后,对PS-PVD技术未来在制备热/环境障涂层方面的前景进行了展望。

关键词：等离子喷涂-物理气相沉积热障涂层环境障涂层涂层防护失效机理

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基于DIW工艺的PDMS+SiC浆料性能研究

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当代化工研究 2023年第9期 154-156页

作者：王志岳廷谱徐兵张美烨周圣辉张光磊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510651 石家庄铁道大学材料科学与工程学院河北050043

本文采用SiC粉、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、固化剂为原料制备浆料,研究了SiC含量对浆料黏度、流动性和悬浮稳定性的影响规律;采用气动式墨水直写打印设备,探索SiC含量、挤出压力和喷嘴直径对浆料挤出性能的影响规律。结果表明,随着SiC含量... 详细信息

本文采用SiC粉、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、固化剂为原料制备浆料,研究了SiC含量对浆料黏度、流动性和悬浮稳定性的影响规律;采用气动式墨水直写打印设备,探索SiC含量、挤出压力和喷嘴直径对浆料挤出性能的影响规律。结果表明,随着SiC含量的增加,浆料的黏度逐渐增加、流动性逐渐降低。不同SiC含量的浆料在实验范围内均具有较好的沉降稳定性。增大喷嘴直径以及提高挤出压力均使得浆料挤出量增加。当喷嘴直径为0.33mm时,浆料能够稳定挤出。

关键词： SiC PDMS 墨水直写技术浆料性能

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化学前处理对硬质合金基材及金刚石涂层性能的影响

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材料研究与应用 2023年第1期17卷 130-135页

作者：傅上林松盛范舒瑜苏一凡曾瑞霖石倩代明江硬质合金国家重点实验室株洲硬质合金集团有限公司湖南株洲412000 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

为提高金刚石涂层与硬质合金基体的适配性,采用热丝化学气相沉积技术在YG6硬质合金表面制备金刚石涂层,利用扫描电镜、能谱仪、原子力显微镜和固体颗粒冲蚀试验仪分析检测了试样的表截面形貌、成分深度分布、表面粗糙度、抗砂粒冲蚀性能... 详细信息

为提高金刚石涂层与硬质合金基体的适配性,采用热丝化学气相沉积技术在YG6硬质合金表面制备金刚石涂层,利用扫描电镜、能谱仪、原子力显微镜和固体颗粒冲蚀试验仪分析检测了试样的表截面形貌、成分深度分布、表面粗糙度、抗砂粒冲蚀性能等,研究了不同化学前处理对基材和涂层性能的影响。结果表明:两步法前处理去除钴的深度约4—5μm,并且形成了厚约1—2μm的脱钴脆性层;三步法前处理去除钴的深度约14—15μm,没有出现脱钴脆性层;三步法化学前处理后沉积的金刚石涂层抗砂粒冲蚀时间为两步法化学前处理的4倍以上,并且涂层脱落区宽度仅为两步法化学前处理的1/8,说明三步法化学前处理后所沉积的金刚石涂层的性能比两步法的更优越。

关键词：化学前处理硬质合金金刚石涂层热丝化学气相沉积

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使役环境涡轮叶片EB-PVD热障涂层失效机制

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材料研究与应用 2022年第1期16卷 19-28页

作者：邓畅光张小锋邓春明毛杰况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

运用场发射扫描电镜、能量色散光谱仪和金相显微镜等测试表征手段,详细检查退役高温发动机涡轮叶片表面涂层残存状况,发现带气膜孔的高温发动机涡轮叶片经服役2000 h后,表面各部位EB-PVD涂层承受CMAS攻击、硬质物撞击和冷热应力冲击程... 详细信息

运用场发射扫描电镜、能量色散光谱仪和金相显微镜等测试表征手段,详细检查退役高温发动机涡轮叶片表面涂层残存状况,发现带气膜孔的高温发动机涡轮叶片经服役2000 h后,表面各部位EB-PVD涂层承受CMAS攻击、硬质物撞击和冷热应力冲击程度各异,导致退役叶片表面共存多种损伤.通过对这些损伤现象的分析,了解使役环境下叶片各部位的失效模式和失效机理.研究结果表明:叶棱为受CMAS攻击最严重处,同时也是受硬质点撞击最密集处,存在大面积涂层脱落;气膜孔周围的TBCs涂层受CMAS攻击发生本质性固化,受交变热应力和机械应力共同作用而呈规律性脱落;叶棱周围气膜孔表面(无论是叶背或是叶盆)均存在硬质物碾压划过叶片表面而压实CMAS,引起表面TBCs脱落的现象,同时在气膜孔内发现飞落的TBCs柱和CMAS块,从侧面反应对叶片表面造成实质性伤害的硬质物可能为脱落的TBCs柱或固化的CMAS块.

关键词：发动机涡轮叶片 CMAS腐蚀侵蚀 EB-PVD涂层柱状结构

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超音速火焰喷涂WC-17Co涂层氧化行为研究

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材料研究与应用 2022年第3期16卷 418-424页

作者：王超牛少鹏黄益聪戴红亮毛杰邓春明宋进兵曾威黄科文魁江舟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

WC-17Co涂层由于其优异的耐磨性能,被广泛用于工件的摩擦防护,但其在较高温度下服役存在过早氧化失效的问题。采用超音速火焰喷涂在45#钢表面制备WC-17Co致密涂层,将其置于400、500、600和700℃的温度下进行恒温热暴露,研究超温服役氧... 详细信息

WC-17Co涂层由于其优异的耐磨性能,被广泛用于工件的摩擦防护,但其在较高温度下服役存在过早氧化失效的问题。采用超音速火焰喷涂在45#钢表面制备WC-17Co致密涂层,将其置于400、500、600和700℃的温度下进行恒温热暴露,研究超温服役氧化行为对其结构及性能的影响。采用X射线衍射、扫描电镜和显微硬度计等手段表征喷涂态及不同氧化温度下涂层的物相和微观结构的演变,对其物相和性能变化进行讨论。研究结果表明:喷涂过程中WC的分解及过冷使喷涂态WC-17Co涂层形成少量的Co基非晶;400℃热暴露后,涂层物相和结构无明显变化,当热暴露温度提高到500℃以上时,涂层表面CoWO_(4)、WO_(3)和Co_(3)O_(4)等氧化相开始生成,在700℃氧化处理2 h后,氧化物生长层增厚到10μm;氧化促使涂层内部的Co元素向表面扩散,导致涂层内部WC硬质相的浓度提高,故内部涂层的显微硬度也大幅提高,在距离表面50μm深度涂层显微硬度增加到1400 HV_(0.3)以上;表层显微硬度升高则主要是由于氧化相的生成。高温氧化后,由于Co粘结相的减少使涂层断裂韧性降低,涂层在高速摩擦环境下,疏松的氧化物层易粉化失效,故WC-17Co涂层的服役温度应保持在500℃以下。

关键词：超音速火焰喷涂 WC-17Co 氧化服役性能失效机制

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激光选区熔化制备梯度多孔镍电极及其电解水制氢性能

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材料研究与应用 2024年第3期18卷 487-494页

作者：王见宋嘉薇董东东刘太楷王先彬闫星辰毛杰邓春明张楠楠沈阳化工大学化学工程学院辽宁沈阳110870 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 沈阳工业大学材料学院辽宁沈阳110870

镍是目前应用最广泛的碱式电解水制氢电极材料之一。对镍电极进行多孔化处理,可有效提高其析氢效率并降低制氢能耗。然而,现有报道仅研究了孔隙率、平均孔径等对电极析氢性能的影响,缺乏针对梯度多孔电极孔隙尺寸和分布等影响的研究。为... 详细信息

镍是目前应用最广泛的碱式电解水制氢电极材料之一。对镍电极进行多孔化处理,可有效提高其析氢效率并降低制氢能耗。然而,现有报道仅研究了孔隙率、平均孔径等对电极析氢性能的影响,缺乏针对梯度多孔电极孔隙尺寸和分布等影响的研究。为此,设计了4组具有不同孔隙尺寸和排布方式的多孔电极模型,并且采用激光选区熔化技术制备高精度成型电极样品,表征了样品的表面形貌、截面微观组织、电化学性能及稳定性,深入分析和研究了样品的析氢性能。结果表明,4组样品均呈现出粗糙微观表面,为析氢反应提供更多的活性位点。所有样品均表现出优异的电解稳定性,经测试后未见明显的性能衰减。梯度多孔结构有利于气液传质,减小气泡层电阻,降低析氢过电位。当电流密度为10 mA∙cm^(−2)时,梯度多孔样品的析氢过电位虽仅为406 mV,但气液传质效果较差,而气泡层电阻较大的均匀多孔样品的析氢过电位却高达766 mV。梯度多孔结构的构筑可显著提高镍电极的析氢动力学特性,梯度多孔样品的Tafel斜率最低为129 mV∙dec^(−1),明显低于均匀多孔电极的Tafel斜率168和211 mV∙dec^(−1)。析氢过程受Volmer步骤控制,尽管镍电极析氢动力学特性得到提升,但并未改变镍电极的析氢机理,所有样品的Tafel斜率均高于120 mV∙dec^(−1)。因此,引入梯度多孔结构可有效降低镍电极材料的析氢过电位,提升析氢性能。本研究为镍电极的结构优化设计及析氢性能的提升,提供了新思路。

关键词：碱式电解水激光选区熔化梯度多孔结构孔隙尺寸电解性能析氢动力学气液传质析氢性能

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