Abstract ：

热喷涂涂层由熔化和半熔化粒子流撞击基体后经铺展与快速冷却凝固形成，涂层组织一般呈层状结构。作为可喷涂材料最广泛的热喷涂方法，等离子喷涂制备的金属合金涂层通常因粒子层间界面结合有限，限制了喷涂材料所具有的优越耐腐蚀性能及耐磨损性能的发挥。增强涂层界面间结合以获得致密、类块体涂层是提升热喷涂金属合金涂层服役性能的有效方法。通过高熔点金属Mo包覆Fe基或Ni基合金粉末制备壳核结构复合粉末，利用高熔点的包覆壳层，抑制低熔点合金元素在高温等离子射流中快速加热时的蒸发，可大幅度提高低熔点合金熔滴的温度，从而引起粒子碰撞基体表面时基体的熔化而产生界面间冶金结合，显著增强涂层界面间结合，获得致密、类块体涂层，提升热喷涂金属合金涂层服役性能。然而发展满足工业化应用的钼包覆合金粉末制备方法是发挥钼包覆壳核结构复合粉末设计潜力的基础。本课题开发钼包覆合金粉末制备方法的需求，针对工业领域应用广泛的奥氏体不锈钢与镍铬合金粉末，以Mo包覆制备壳核结构粉末为目标，系统地研究了包括球磨机转速、球磨时间、球料比、磨球尺寸等球磨参数及被包覆粉末粒径与热处理工艺等因素对壳核结构粉末包覆均匀性、完整性的影响规律，研究了Mo包覆Ni20Cr粉末粒子在等离子射流中的加热特性、涂层的结合强度与内聚强度，为工业化制备包覆层完整、连续均匀且壳核结合良好的复合粉末提供依据。 研究结果表明，球磨能量对钼包覆的均匀性与包覆层致密性影响显著。随球磨机转速与球磨时间的增加，钼包覆均匀性呈现先增加后降低的趋势，而包覆层致密性则随球磨能量的增加而增加；在高球磨能量参数下，被包覆合金颗粒变形严重、致密性包覆层塑性变差，致使包覆层发生开裂脱落而劣化包覆层完整性。 被包覆合金表面氧化膜与包覆工艺中的氧化显著降低包覆完整性及包覆粉末核壳间的结合。机械球磨及后续热处理参数对壳核结构304SS-Mo及NiCr-Mo粉末的微结构具有显著影响。在优化的球磨参数和热处理参数条件下，单次单罐可生产1.2 kg核壳间通过扩散层冶金连接，且包覆层完整致密的304SS-Mo及NiCr-Mo粉末。 壳核粉末在等离子射流中的温度测试结果表明，通过Mo包覆Ni20Cr的壳核结构复合NiCr-Mo粉末粒子的温度主要分布在2200°C ~2800°C ，平均温度为2400°C，比Ni20Cr粒子升高约300°C。 采用热处理NiCr-Mo粉末等离子喷涂制备的NiCrMo涂层组织致密、涂层与基体间及涂层粒子层间界面结合良好，涂层显微维氏硬度为351 HV，结合强度超过73.8 MPa，内聚强度可达304.4 MPa。

Keyword ：

等离子喷涂 界面结合 壳核结构粉末 粒子温度

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

TRT叶片长期服役于高炉煤气环境中，受到高温高压气流并携带煤灰颗粒的冲刷作用，叶片表面易冲蚀失效。研究表明采用热喷涂陶瓷涂层表面硬度显著提高，对小角度颗粒冲击具有一定抗冲蚀效果，但因陶瓷涂层与基体材料的理化性能差别较大，热喷涂过程中会产生一定量的氧化物夹杂、气孔、微裂纹，涂层与基体结合力较差，难以抵御高炉煤气呈紊流多角度的冲击作用,尤其叶片大角度迎面易遭受冲蚀，引起涂层开裂剥落，导致叶片失效。而镍基自熔合金涂层与金属基材理化性能差别较小、热匹配性较好、润湿性好等特性，具有较好的强韧性、耐磨、耐蚀、耐高温氧化性能，广泛应用于机械零部件的表面防护、修复和再制造。 针对目前TRT叶片耐蚀性差、服役寿命短等亟待解决的难题，本文提出在叶片基材2Cr13表面，采用超音速等离子喷涂结合真空重熔技术制备以NiCrBSi为底层、NiCrMoY为面层的镍基合金复合涂层体系，利用原位合成原理在真空重熔过程中形成硬质相，并利用循环加热淬火技术对微结构进行调控，使基体得到板条马氏体和细化晶粒，以期基材和涂层的强度、塑性和韧性协同提高。本文通过对重熔过程中低熔点液相的铺展填充行为研究，分析了涂层致密化机理；对涂层内及涂层与基体间元素互扩散合金化行为、硬质相的演化进行研究，探索了涂层的强韧化、耐蚀及抗冲蚀机制。通过实验对涂层的综合性能进行了全面研究，结果表明： 真空重熔极大地改善了喷涂态涂层的显微结构和力学性能。重熔处理中涂层中的低熔点液相在毛细驱动力作用下渗透填充，同时颗粒表面局部溶解，并在液相中重排，从而消除了喷涂态涂层中的层状结构、愈合了涂层中的缺陷，使喷涂态涂层的3%孔隙率下降为重熔态的0.3%，并降低了涂层表面粗糙度。此外，真空重熔使得涂层内合金元素发生扩散，形成新硬质相，（如金属间化合物Ni3B等），且喷涂态的CrB2转变成更加稳定的CrB。涂层结构的致密化以及新硬质相的弥散强化作用，使涂层的显微硬度从喷涂态的844HV提高到重熔态的875HV，从基体到涂层表面的截面硬度呈梯度变化，这有助于缓和涂层的热应力和冲击应力。与此同时，涂层在真空重熔过程中低熔点的液相在相邻硬质点间形成“液桥”，对硬质相起到拉拽作用，从而提高了涂层的内聚强度；涂层与基体间发生元素互扩散，使得涂层/基材界面由喷涂态的机械结合转变为重熔后的冶金结合，涂层内形成的硬质相阻碍位错移动，增加了变形抗力，从而提高了涂层的结合强度，使喷涂态涂层的剪切强度25MPa，变为重熔态涂层的剪切强度180MPa，提高约6倍。由于涂层的致密度、硬度与内聚强度的提高，真空重熔后涂层的耐磨性与喷涂态涂层相比提高约9倍。 真空重熔可以明显提高涂层的耐蚀性能。在盐雾腐蚀过程中，真空重熔后涂层表面形成一层致密的Cr2O3钝化层，阻止了腐蚀介质的渗入，从而提高了抗盐雾腐蚀性能。Ecorr-t及极化曲线结果显示，重熔后的镍基复合涂层的自腐蚀电位高于喷涂态约30mV，高于2Cr13基体126mV；重熔后的镍基复合涂层的自腐蚀电流密度为喷涂态涂层的57.8%，是基体的9%；重熔后的镍基复合涂层的极化电阻是喷涂态涂层的1.5倍，是基体的6.8倍。真空重熔极大地提高了喷涂态涂层的腐蚀电阻，重熔态涂层的膜电阻Rct 为3.992×104 Ω•cm2，是喷涂态涂层的1.67倍，是2Cr13钢的4.8倍。EIS分析表明真空重熔后涂层有明显钝化趋势，界面反应阻力高且稳定，其耐蚀性和抗介质渗透力远优于喷涂态涂层。 真空重熔对提高涂层抗固体颗粒冲蚀性能效果显著。在低攻角（≤15°）冲蚀时，涂层和基材的损伤机制均以微切削为主，涂层伴有少量剥落，涂层的耐冲蚀性优于基材。随攻角增大，2Cr13基材冲蚀率略有上升，在45°达到峰值，随后下降；但涂层冲蚀率上升趋势较为明显，喷涂态涂层的冲蚀率高于基材，而真空重熔涂层的冲蚀率低于基材。在低于45°攻角下，与基材和喷涂态涂层相比，真空重熔涂层由于结构的致密化和硬质相的弥散强化作用，抗冲蚀性能显著提高。真空重熔使涂层在不同冲蚀攻角下兼具强韧性特征，在大攻角下有良好的弹塑性，拓宽了喷涂态涂层的抗冲蚀攻角范围。 本文研究结果为高性能材料表面强化层的设计开发提供基础性数据，这不仅为TRT叶片和其它设备关键零部件的表面强化及失效件的修复实际应用打下坚实基础，而且对工业过程中的材料、能量回收循环再利用，发展循环经济，实现资源、能源节约型和环保自然的目标提供技术支撑。

Keyword ：

超音速等离子喷涂 冲蚀 腐蚀 镍基复合涂层 真空重熔

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

热障涂层应用于涡轮发动机叶片表面起隔热作用，目前外来沉积物CaO-MgO- Al2O3-SiO2（CMAS）渗入热障涂层（TBCs）而导致TBCs失效的现象受到人们越来越高的重视。CMAS渗入涂层后会引起涂层物理和化学性质的变化，从而影响涂层的热循环寿命。因此，为了提高热障涂层的寿命，必须提高热障涂层抵抗CMAS腐蚀的能力。 本文采用具有高结构稳定性的La2Ce2O7（LC）陶瓷材料为外层、以氧化钇部分稳定氧化锆（YSZ）为内层（内层与外层统称为陶瓷层）、钴基合金为粘接层组成层级高效热障涂层系统。首先研究YSZ内层结构对其抗CMAS腐蚀性能的影响，使用普通大气等离子喷涂（APS）和超音速大气等离子喷涂（SAPS）两种工艺制备了四种不同结构的YSZ涂层；然后研究LC/YSZ整体结构在CMAS腐蚀条件下的结构演变，使用SAPS工艺制备了LC/YSZ双层涂层和梯度涂层。实验结果表明： 降低YSZ热障涂层中缺陷的含量，能够有效地提高热障涂层的寿命。其中对CMAS渗入影响最大的是涂层中垂直于涂层表面的纵向裂纹的含量。且CMAS渗入涂层后会促进纵向裂纹（贯穿陶瓷层）的产生。CMAS渗入YSZ热障涂层后，加速了涂层的烧结，促进了涂层的相变，即：t’相转变为t相和c相，然后t相进一步转变为m相和c相。在CMAS腐蚀条件下对涂层的热循环使用寿命进行评价，CMAS渗入涂层后，涂层的热循环寿命降低了近80 %。涂层的内聚强度较弱时，呈现层状剥落，反之，呈现块状剥落。在CMAS渗入后，涂层中纵向裂纹含量增加，孔隙含量降低。其中未溶颗粒含量较高的试样，纵向裂纹含量增大了近19倍，孔隙含量降低了近40 %。CMAS渗入涂层后，涂层断裂韧性降低。LC/YSZ梯度结构涂层与其双层结构涂层相比，抗CMAS腐蚀能力明显提高。两种涂层的隔热温度相近，在CMAS腐蚀条件下，随着涂层的逐渐剥落，涂层的隔热温度降低。LC/YSZ涂层中LC与CMAS反应生成一层反应层，其主要成分为高熔点的Ca2(LaxCe1-x)8(SiO4)6O6-4x相，CeO2，CaAl2Si2O8和MgAl2O4，该反应层能够阻止CMAS的继续渗入。与传统的YSZ涂层相比，LC/YSZ涂层在CMAS腐蚀条件下的热循环寿命提高了一倍以上。

Keyword ：

CMAS腐蚀 LC涂层 YSZ涂层 热障涂层 失效机制

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

本发明公开了一种高结合强度及内聚强度金属涂层及热喷涂制备方法和应用，属于材料加工技术领域。采用高熔点金属包覆低熔点金属颗粒而构成复合结构粉末；将复合结构粉末作为热喷涂粉末，通过等离子喷涂或火焰喷涂的热喷涂方法在基体表面沉积涂层，制得高结合强度及高内聚粘结强度涂层。经本发明方法制备的高结合强度及内聚强度金属涂层因界面结合显著增强而承载能力提高，可发挥涂层材料自身的优异的耐磨损性能，因无贯通孔隙存在，可完全隔离腐蚀介质、阻止其从涂层表面到达涂层与基体界面，发挥涂层材料自身的优异耐腐蚀性能。既可作为合金涂层使用，也可作为其他涂层材料的粘结层或打底层使用。

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

生物材料可以提高人类的健康质量和延长寿命。金属材料在强度、塑性及其它方面都超过陶瓷或聚合物，成为骨科和正畸领域的首选材料。细菌感染是金属植入体在手术期间和手术后的一种严重并发症，威胁植入体的长期固定，甚至导致过早失效。为了防止感染，需要对金属植入体进行抗菌功能表面改性。 本文研究的主要目的是通过表面改性方法，提高钛、Ti6Al4V合金、镍钛合金和不锈钢的抗菌活性，同时维持或改善其化学、生物及力学性能。溶胶-凝胶涂层方法具有易于控制膜层的组成、厚度和形貌，不依赖于基体形状，易于操作等优点。采用溶胶-凝胶法在这些基体上涂覆含银的TiO2??、生物玻璃和MgO薄膜。 采用热重和差示扫描量热法（TG-DSC）对干燥的凝胶粉末进行热分析。采用扫描电镜（SEM）观察涂层试样的表面形貌，采用X射线衍射（XRD）分析试样的晶体结构，采用X射线光电子能谱（XPS）和俄歇电子谱（AES）分析试样的元素组成和化学结合状态。在无钙Hank's平衡盐液中采用动电位极化法评价试样的耐腐蚀性能。通过测量试样的水接触角，评价其亲水性。采用显微压痕实验评价涂层试样的力学性能。采用抑菌圈法评价试样对大肠杆菌的抗菌活性。主要研究结果如下： 1）采用NaOH-HCl处理对钛合金Ti6Al4V进行表面粗化，再采用溶胶-凝胶法把Ag-TiO2薄膜（Ag/Ti= 0, 3.3, 9.1at%）涂覆在表面粗化的合金基体表面，以改善其抗菌性能。干燥凝胶的热分析表明，添加9.1at.%的银使锐钛矿-金红石的转变温度从618?C降低到586?C。SEM观察表明，NaOH-HCl处理的Ti6Al4V合金表面为网状多孔结构，孔径随着NaOH溶液浓度的升高而增加。表面粗化基体上的Ag-TiO2薄膜附着性好、无裂纹。XPS和AES分析表明Ag以金属态存在，而薄膜完全覆盖了粗化的基体。XRD检测到基体和锐钛矿型二氧化钛的峰。在压痕试验中，粗化基板上的Ag-TiO2薄膜展现出良好的附着性和高的内聚强度。动电位极化实验表明，TiO2和Ag-TiO2薄膜提高了基体的耐蚀性。 2）采用NaOH-HCl处理对NiTi合金进行表面粗化，再采用溶胶-凝胶法在粗化的基体上涂覆含银的TiO2薄膜（Ag/Ti=0, 3.3, 9.1at.%），以改善其抗菌性能。形态观察表明，表面粗化和添加银改善了TiO2薄膜的结构完整性。X射线衍射分析表明，银的加入没有明显改变锐钛矿型薄膜的结晶度。X射线光电子能谱分析结果表明，银在薄膜中以金属态存在，薄膜完全覆盖了表面粗化的合金基体。压痕实验表明，粗化基体上的含银TiO2薄膜具有比抛光基体上的薄膜更高的内聚强度。在无钙Hank's平衡盐液中的动电位极化实验表明，TiO2和含银TiO2薄膜为合金基体提供了良好的保护。3小时的紫外线照射处理可以增强镍钛涂层试样的表面亲水性，使水接触角从65?降低到20?。 3）生物医用316L不锈钢经过等离子体氮化后，采用溶胶-凝胶法涂覆TiO2和含银TiO2薄膜(Ag/Ti=0, 3.3 at.%)。等离子体渗氮产生的粗糙表面和银的加入改善了二氧化钛薄膜的结构完整性。XRD显示在煅烧过程中发生了氮化层的氮丢失和氧化，没有检测到银或其氧化物的峰。XPS分析表明，银在薄膜中以金属态存在。紫外线照射处理后，涂层试样的水接触角下降。在无钙Hank's平衡盐液中的动电位极化实验表明，由于氮化层的氮流失和氧化，TiO2涂层试样的耐腐蚀性能下降。为了提高复合处理316L不锈钢的耐蚀性，需要尝试减少或避免氮化层结构变化的使TiO2凝胶层结晶化的方法。 4）采用溶胶-凝胶法在钛基体上涂覆含银的生物玻璃薄膜(Ag/Ca原子比0, 5%, 10%)。未掺杂的玻璃凝胶粉末在610?C烧结后是非晶的，但也检测到少量Ca3SiO5。生物玻璃薄膜的表面是多孔的，孔径约200nm。SEM、XRD和XPS分析确定含银玻璃薄膜表面存在银纳米颗粒。在无钙Hank's平衡盐液中的动电位极化实验表明，涂层试样具有比抛光更好的耐蚀性，但银的溶解在极化曲线0.8 V SCE处出现峰值电流。抗菌实验表明含银薄膜和压片试样对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有抗菌活性。 5）采用溶胶-凝胶法在钛基体上涂覆MgO和含银MgO薄膜（AgMgO, 3.3, 9.1 at%Ag），以提高其抗菌性能。对MgAc2?4H2O粉末的热分析表明，MgO在400?C结晶。X射线衍射分析表明，MgO在空气中陈化时，转化为Mg(OH)2或Mg5(CO3)4(OH)2?4H2O。SEM和XPS分析确定AgMgO薄膜表面的存在银的纳米颗粒。MgO薄膜约厚1.5?m。在无钙Hank's平衡盐液中的动电位极化实验表明，涂层试样的耐蚀性优于抛光试样。纳米银粒子的溶解使极化图中出现电流峰值。在对大肠杆菌的抗菌实验中，含0, 3.3, 9.1at% Ag涂层试样的抑制区宽度分别为0.3，1.6，2mm。讨论了MgO和AgMgO薄膜的杀菌机理。本工作可为钛基骨科植入体的生物活性和抗菌性能表面改性提供一种简便方法。 6）采用溶胶-凝胶法在钛基体上涂覆ZnO和含银ZnO薄膜（Ag/Zn摩尔比3.3和9.1%）。XRD分析表明，随着试样烧结温度的升高，氧化锌峰增加。SEM分析表明，400?C烧结的AgZnO试样表面观察到白色颗粒（300~750nm），EDX分析表明白色颗粒的银含量高于薄膜的银含量。AgZnO试样的XPS分析表明，锌以氧化锌、银以金属态存在于薄膜中，而氧来自氧化锌晶格的氧和羟基基团。ZnO和AgZnO薄膜试样表现出相似的紫外光诱导亲水性转换，因此Ag的加入不影响ZnO薄膜的亲水性转化速率。在无钙Hank's平衡盐液中的动电位极化测试表明，ZnO薄膜及烧结过程中热生长的二氧化钛薄膜为钛基体提供了良好的保护。采用模拟体液进行体外生物活性测试，AgZnO薄膜试样在浸泡12天后表面逐渐沉积了一层磷酸钙涂层。MTT法检测结果表明，ZnO和AgZnO薄膜试样与L929细胞的相容性较低。采用盘扩散法进行的大肠杆菌抑菌试验表明，试样的抗菌活性随着薄膜银含量的增加而增加。

Keyword ：

二氧化钛 抗菌薄膜 溶胶-凝胶 生物玻璃 医用金属

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

对于现代重型燃气轮机的发展趋势，当基底高温金属已接近其使用极限温度时，人们逐渐认识到热障涂层（Thermal Barrier Coatings，简称TBC）技术对于进一步提高燃气轮机进口温度和热效率的重要作用。热障涂层通过粘结层的过渡作用覆盖于高温金属表面，能有效减轻热冲击载荷和高温腐蚀，延长热端部件使用寿命和降低能耗，越来越多地被应用于航空发动机和工业的燃气轮机当中。几十年来，热障涂层技术的研究取得了突飞猛进的发展，但是由于热障涂层系统本身结构的多样性和非均质性，加上其应用服役环境的严酷性，目前人们对热障涂层系统复杂的失效机理尚未有清楚的认识和合理的解释。实践表明，热障涂层的失效模式通常表现为从基底上发生分层、脱粘或剥落。因此，从涂层使用的可靠性角度出发，如何对热障涂层的结合强度进行定量测试和表征一直是该研究领域中非常重要的课题。目前国内外学者对热障涂层的力学测试方法进行了大量研究，但仍未形成统一的实验标准，因此亟需建立一套能对热障涂层系统的断裂特性进行可靠分析和定量表征的实验方法。为使实验模拟接近TBC服役的热&#61485力耦合环境，发展高温实验测试用于研究热障涂层的高温力学特性和失效行为具有重要的意义和应用价值。在这一研究背景下，本文采取实验方法研究、有限元模拟和解析公式推导相结合的技术路线，在室温和高温环境下，对两类大气等离子喷涂热障涂层系统的断裂失效行为和结合强度进行了系统的测试和表征。主要工作如下：（1）发展了一种修正四点弯曲（MFPB）试样，并用于新制备的未氧化热障涂层系统断裂行为的实验测试。该修正试样与标准四点弯曲试样的不同之处是，仅在层合端的一侧产生单边裂纹，其优点在于：无须控制分层裂纹严格按对称扩展，从而避免了实验中仪器振动或外加载荷不平衡带来的测量误差；无须实时测量分层裂纹的长度，实验过程快捷方便；可以采用解析法计算得到试样材料的断裂韧性。在室温下，利用该修正弯曲法对TBC试样进行了分层断裂测试，通过分析载荷&#61485位移曲线和使用扫描电镜（SEM）对试样的断面形貌进行观测，确定了8YSZ/NiCrAlY/Q235热障涂层系统弯曲破坏的失效模式。通过有限元方法（FEM）计算得到了裂纹启裂时刻的界面应力场，研究发现，可以将界面端附近的峰值应力作为表征YSZ/NiCrAlY界面启裂的拉伸强度和剪切强度。根据欧拉–伯努利梁理论和广义胡克定律，推导得出了以能量释放率表征陶瓷层断裂韧性的解析公式，并利用该解析公式确定所测试8YSZ陶瓷层的断裂韧性值（临界能量释放率，Gc）约为17&#6148535J/m2。（2）采用修正四点弯曲法，测量了含TGO热障涂层系统的断裂特性与结合强度。考虑到热障涂层在服役的工作循环中会带来粘结层的氧化和结构性能的演变，首先通过实验室高温热循环处理在新制备的8YSZ/NiCoCrAlTaY/Inconel718热障涂层试样中生成一定厚度的热生长氧化层（TGO）；然后，在室温下继续采用MFPB法对氧化后TBC试样进行了分层破坏的实验测试。在这项工作中，对实验加载方式进行了部分改进，即采用刚性块和滚针代替仪器上夹具，以防止实验过程中因试样柔度变化而带来内加载点的滑动。加载完成后，对试样破断面进行了SEM观察和能谱（EDS）分析；再结合对载荷&#61485位移曲线断裂阶段的分析，确定了预氧化TBC系统的失效模式。然后使用FEM数值模拟了上述实验的加载过程，得到了表征TC/TGO界面启裂的拉伸强度和剪切强度。再结合对TBC系统失效模式的判断，给出了对应此断裂方式的涂层断裂韧性的理论表达式。研究发现，所测试8YSZ/TGO/NiCoCrAlTaY/Inconel718热障涂层系统的断裂韧性值约为14&#6148524J/m2。（3）发展了修正三点弯曲试样，并用于未氧化热障涂层系统的高温断裂特性的实验测试。考虑到热障涂层服役的高温环境及实际运行中会受到热和机械载荷的联合作用，首先在实验室制备了含YSZ/NiCoCrAlTaY分层界面端的TBC试样。然后在高温（100℃）环境下，利用该修正试样对热障涂层进行了分层断裂测试。加载完成后，通过载荷&#61485位移曲线分析了试样的断裂过程，加上对试样断面的SEM微观分析和EDS成分分析，由此确定了100℃下8YSZ/NiCoCrAlTaY/SUS304热障涂层系统的失效模式。之后，通过FEM数值模拟了界面裂纹萌生时刻的加载过程，确定了表征YSZ层内界面启裂的拉伸强度和剪切强度。再根据对TBC系统失效模式的判断，推导出对应此断裂方式的TBC系统断裂韧性的解析表达式，通过计算得到100℃高温下该热障涂层系统的断裂韧性值约为5&#6148515J/m2。（4）发展了高温纳米压痕测试，用于研究热障涂层的高温力学特性。首先制备了8YSZ/NiCoCrAlTaY/Inconel718和经预氧化处理的8YSZ/TGO/NiCoCrAlTaY/Inconel718热障涂层试样，然后对TBC试样的表面和侧面进行了磨抛处理，分别在25℃、250℃和450℃下对YSZ陶瓷层表面、以及在25℃下对陶瓷层侧面进行了纳米压痕测试。卸载之后，通过分析实验所测得的载荷–深度曲线，应用Oliver和Pharr方法，推导出了高温压痕所测陶瓷层的硬度H和杨氏模量E的理论表达式。根据计算结果，分析了陶瓷层E和H随氧化处理和测试温度变化的规律。最后，使用SEM微观分析确定了压痕裂纹的长度，并依据Lawn等人的方法推导出了以应力强度因子表示的陶瓷层断裂韧性的解析公式。利用该公式，计算得到了YSZ陶瓷层在25℃、250℃和450℃下的压痕断裂韧性分别约为6&#6148512 MPa m1/2、6&#6148510 MPa m1/2和5&#614856 MPa m1/2。（5）应用指数内聚区模型（CZM），模拟研究了含TGO热障涂层系统界面分层破坏过程。首先，为了探讨CZM应用于微小尺寸材料界面破分析的适用性，对纳米悬臂梁实验的加载过程进行了建模分析和数值模拟。通过该项研究，分别考察和确认了指数、双线性和梯形CZMs的适用范围和合理性，确定了获取内聚区参数的选取、校准及优化的分析方法。然后，采用指数CZM对氧化TBC系统的修正四点弯曲破坏开展了数值模拟，初步得到了表征该TBC系统结合强度的应力和能量指标，即内聚强度和断裂能分别约为30&#6148560MPa和40&#6148560J/m2。研究表明，这种基于宏观力学的内聚区模型的数值模拟，对于进一步深入理解前述热障涂层实验测试结果是十分有益的。

Keyword ：

结构完整性与可靠性热障涂层系统修正四点弯曲修正三点弯曲高温纳米压痕失效模式启裂强度断裂韧性内聚区模型

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

实验测试表明[Thin Solid Films 516:1925-1930],纳米悬臂梁Si/Cu/SiN/Pt/C在弯曲载荷作用下发生沿Si/Cu界面的分层破坏,其载荷-位移曲线表现出明显的非线性行为.本文基于连续介质力学模型,对该实验观察到的界面裂纹萌生和沿界面扩展过程进行了数值模拟计算与分析.模拟计算中,采用指数型内聚力来表征Si/Cu界面本构关系,对Cu薄层分别按照线弹性和遵守Ramberg-Osgood型弹塑性本构关系来处理.通过与实验结果校准的方法,确定了该纳米悬臂梁中Si/Cu界面的结合强度诸参数.研究发现,内聚强度和内聚能是该内聚力模型的主导性参数;Cu薄膜层遵从线弹性本构关系更为适合于描述Si/Cu界面的分层破坏;与块体材料相比,纳米尺寸的Cu材料表现出很高的屈服应力和硬化指数,因此在整个过程中产生的塑性变形很小,这与前述的实验结果是一致的.

Keyword ：

Si/Cu界面 界面分层 纳米悬臂梁 内聚力模型 弹塑性

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

镁及其合金的耐磨和耐蚀性差严重制约了其广泛应用。针对这一问题，本文采用微弧氧化技术在镁表面制备出了耐磨和耐蚀性好的保护膜，研究了微弧氧化工艺参数对膜层结构与性能的影响规律，优化了微弧氧化工艺，分析了膜层的结构与性能，并探讨了膜层的形成过程和机理。主要结果如下：在NaAlO2体系电解液中，不同的NaAlO2浓度、电参数和氧化时间条件下，制备出了MgAl2O4/MgO微弧氧化膜。研究表明，这种膜的表面呈多孔形貌。随着NaAlO2浓度和电压的升高，膜层表面微孔的数量减少。负电压、频率、占空比和氧化时间对膜层表面形貌的影响不显著；膜层的厚度随时间延长和电压的升高而增加；膜层主要由MgAl2O4和MgO相组成。随着NaAlO2浓度和电压的升高、氧化时间的延长，膜层中MgAl2O4的含量增加；随着NaAlO2浓度和电压的升高，膜层表面的硬度增大；随着NaAlO2浓度的升高，所得膜层的耐蚀性增强，与镁基体相比，膜层的耐蚀性有较大的提高。膜层的形成过程分为三个阶段：初期生成钝化膜阶段、微弧氧化膜快速生长阶段和微弧氧化膜局部生长阶段。在不同的电压条件下制备出了MgF2/ZrO2微弧氧化膜。研究表明，这种膜致密、厚度均匀，由MgF2、t-ZrO2和少量的m-ZrO2、MgO相组成。随着电压的升高，膜层的致密性增强、厚度增加，膜层中t-ZrO2的含量增加，而m-ZrO2的含量降低，MgF2的含量没有明显变化。膜层的组成相呈不同的分布，从膜层内部层到外表层，t-ZrO2和MgF2的含量增加，而m-ZrO2和MgO的含量减少。膜层与基体之间结合牢固，随着电压的升高，膜层的内聚强度增大，550 V时制得膜层的膜基结合强度大于20.3 MPa。随着电压的升高，膜层表面的硬度增大。膜层横断面的硬度呈梯度分布，最高可达Hv 490。随着电压的升高，膜层的耐磨和耐蚀性增强，与镁基体相比，膜层的耐磨和耐蚀性大幅提高。在K2ZrF6体系电解液中制备出了MgF2/Mg2Zr5O12/ZrO2微弧氧化膜，与在NaAlO2、Na2SiO3体系电解液中制得的微弧氧化膜进行了对比研究。结果表明，在K2ZrF6体系电解液中制得的膜层致密，由t-ZrO2、MgF2和Mg2Zr5O12相组成；而在NaAlO2、Na2SiO3体系电解液中制得的膜层多孔，前者比后者更不致密，前者由MgAl2O4和MgO相组成，而后者由Mg2SiO4和MgO相组成。在K2ZrF6、NaAlO2和Na2SiO3体系电解液中制得的膜层表面的硬度分别为Hv 697、1235和635。这三种膜层表面粗糙、均与基体结合牢固。与镁基体相比，膜层的耐磨和耐蚀性显著提高。这三种膜层中，在K2ZrF6体系电解液中制得的膜层的表面粗糙度最小、内聚强度最高、耐蚀性最好。而在NaAlO2、Na2SiO3体系电解液中制得的膜层，前者的表面粗糙度最大、耐磨性最好、耐蚀性最差，后者的内聚强度最低、耐磨性最差。采用两步微弧氧化法制备出了含MgAl2O4/ZrO2膜层。研究表明，这种膜致密，厚度均匀，由MgF2、Mg2Zr5O12、MgAl2O4、t-ZrO2和少量的m-ZrO2、MgO相组成，其中MgAl2O4和t-ZrO2是主要组成相。随着第二步微弧氧化处理时间的延长，膜层的厚度增加，膜层中Mg2Zr5O12、MgAl2O4和MgF2的含量增加，而t-ZrO2的含量降低。这种膜层的组成相呈不同的分布，组成膜层的物相中，Mg2Zr5O12主要存在于外表层，MgAl2O4则主要存在于中间层，而m-ZrO2和MgO主要存在于内部层，t-ZrO2和MgF2则主要分布于外部层和内部层。膜层与基体之间结合牢固。与镁基体相比，膜层表面的硬度显著增大，最高达到Hv 1263。与镁基体和第一步微弧氧化处理制得的膜层相比，这种膜层的耐磨和耐蚀性大幅提高。随着第二步微弧氧化处理时间的延长，这种膜层的内聚强度、表面硬度、耐磨和耐蚀性均呈下降趋势。经第二步微弧氧化处理5 min制得的保护膜也是本文制得的所有膜层中耐磨和耐蚀性最好的。试样表面气体放电，继而引起介电击穿形成微弧放电，在高温高压环境下发生等离子体和热化学反应是这种含MgAl2O4/ZrO2微弧氧化膜形成的原因。

Keyword ：

工艺参数 镁 微观结构 微弧氧化 性能

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

摘 要针对现有的锆及锆合金表面复合氧化锆陶瓷涂层的技术无法在锆及锆合金表面生成具有较大厚度，较高的硬度，较好的强韧性进而优良的耐磨损性能的“氧化锆-氧化铝”双相陶瓷涂层，提出了微弧氧化法制备锆基“氧化锆-氧化铝”双相梯度耐磨涂层的方法，并对其制备方案进行了工艺探索，研究了不同的电参数条件及电解液浓度条件对涂层结构组态及力学性能的影响，实现了本课题的涂层结构设计，建立了微弧氧化制备该涂层的最佳工艺方案，并考察了该最佳工艺方案下所得涂层的摩擦磨损性能及其结构与性能的时效稳定性，取得了如下结果：对电参数进行的工艺设计本质上是改变单脉冲的作用能量，单脉冲放电能量的增大有利于铝酸盐体系电解液中的Aln(OH)4n+2(n+2)-聚合凝胶层向&#61537-Al2O3的晶化转变，从而使涂层中的&#61537-Al2O3增多；而涂层中t-ZrO2的形成除了取决于单脉冲能量的大小与作用时间外，还依赖于涂层中对其生长起抑制作用的&#61537-Al2O3的量的多少，探索得到优化的涂层制备的电参数方案为正脉冲电压400V，频率100Hz，占空比25％，处理时间30min。在该电参数方案下，在配方为NaAlO2和Na2HPO4的铝酸盐体系电解液中对纯锆进行微弧氧化处理，通过调节NaAlO2浓度，实现了本课题提出的涂层结构设计：涂层由针状&#61537-Al2O3、纳米结晶的t-ZrO2和少量m-ZrO2构成，厚度最大可达90 &#61549m，表面呈粗糙多孔结构，铝元素的含量沿涂层表面向基体梯度减少。其中，NaAlO2浓度0.3M条件下所获得的“氧化锆—氧化铝”复相陶瓷梯度涂层以其自身的结构优势内部最高硬度峰值达到了1600 Hv0.2 N，且具有较高的涂层内聚强度，达到了55MPa，由此得到优化的电解液配方方案为：电解液NaAlO2浓度0.3M，Na2HPO4浓度0.03M。微弧氧化优化工艺方案条件下在锆基表面构建的“氧化锆－氧化铝”双相梯度陶瓷涂层显著提高了纯锆基体的耐磨损性能。油润滑条件下，纯锆与淬火45号钢对磨摩擦系数高达1.4，涂层的摩擦系数仅为0.117，且涂层的磨损体积与比磨损率均远远低于纯锆试样。同时涂层在较大的实验载荷下，其摩擦系数均稳定在一个比较小的值且随着载荷增大呈现略有下降的趋势，涂层的磨损体积与比磨损率则随着载荷的增大而增大，但远未磨至金属基体，涂层表现出了在较大载荷条件下良好的耐磨损性能。微弧氧化优化工艺方案条件下在锆基表面构建的“氧化锆－氧化铝”双相梯度陶瓷涂层经水热老化处理后，涂层内富含的弥散分布的&#61537-Al2O3可使基体对t-ZrO2的约束力得到增强，抑制了ZrO2的晶粒长大，涂层的结合强度、显微硬度均有小幅降低，摩擦系数及磨损体积呈小幅增大，但其摩擦系数均大大低于OxZr及TZP材料，磨损体积更是较之OxZr及TZP低两个数量级，涂层具备良好的结构与性能的长期稳定性。关 键 词：硬质耐磨涂层；氧化锆-氧化铝双相涂层；微弧氧化；摩擦磨损；时效稳定论文类型：应用研究

Keyword ：

硬质耐磨涂层氧化锆-氧化铝双相涂层微弧氧化摩擦磨损时效稳定

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

实验测试表明，在基板上沉积的多层薄膜结构和微岛体结构容易沿着双相材料界面端开裂并发生分层破坏。基于连续介质力学理论的内聚力模型，是模拟界面裂纹启裂和扩展的有力工具，通过采用内聚力模型进行模拟分析能够提取界面的特征内聚力参数。因此，本文采用指数型、双线性和梯形等三种不同内聚力模型，对沉积于基体上的多层薄膜结构和微岛体结构中的界面分层破坏进行了研究分析，主要工作如下：首先，根据已有的单晶硅基板上磁控溅射沉积的多层薄膜材料(Cr/PZT/PLT/Pt/Ti)中的界面分层破坏实验结果，分别采用指数型、双线性和梯形等内聚力模型，借助有限元方法分析了沿Cr/PZT界面的裂纹萌生和扩展过程，通过与实验数据的校准的方法确定了该薄膜界面的内聚力参数。具体地，首先将该界面表征为一个遵从指数、双线性或梯形内聚力模型本构关系的薄层，然后将该本构关系用Fortran编写为用户子程序UEL，再使用ABAQUS分析软件进行有限元模拟计算。研究发现，在内聚力模型的各参数中，内聚强度和内聚能是最为关键的内聚参数；双线性内聚力模型更适合于描述Cr/PZT界面破坏；与毫米量级厚度的薄膜材料相比，该多层薄膜材料中的Cr/PZT界面的内聚能较低，属于弱结合界面，沿着该界面的分层破坏为脆性断裂过程。其次，以微岛体结构（Cr/SiO2/Si）中的界面分层破坏实验为基础，采用指数内聚力模型，并将原有的二维内聚力模型子程序扩展为三维内聚力模型子程序，采用有限元分析软件ABAQUS对沿着Cr/SiO2界面分层破坏的过程进行了模拟计算。通过与实验结果进行比较，确定了该界面的内聚力参数。通过对计算结果进行分析发现，在三维内聚力模型中，内聚强度和内聚能同样为主要影响因素；与Cr和SiO2的块体材料的强度相比，Cr/SiO2界面内聚能很低，仍然属于弱结合界面；实验中，加载点处的塑性变形及破坏，对最终的计算结果有一定的影响。因此，塑性变形在模拟计算中的影响仍待进一步的研究。对上述两类微纳米结构的界面破坏模拟研究发现，宏观力学的内聚力模型对处于微纳米量级的薄膜结构和微岛体结构中的界面分层破坏同样是适用的，而且能对界面的结合强度等特征力学参数做出准确的评价。同时，在选用内聚力模型时需要做慎重分析，因为并非任何一类内聚力模型均适用于所研究的微结构界面。

Keyword ：

界面分层内聚力模型薄膜微岛体

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。