钨基面对等离子体材料的制备和性能

利用等离子体喷涂技术和弥散增强粉末冶金方法制备钨基面对等离子体材料,并对其基本物理属性进行了分析,包括气孔率及其分布、硬度、抗弯强度、结合强度。同时,利用电子束实验装置对钨基复合材料高热负荷性能进行了研究。研究发现,VPS-W涂层能够承受10MW/m~2、100s的热负荷沉积,涂层开裂、分层是其失效原因;TiC和La_2O_3弥散相增强了钨基复合材料性能,在表面温度控制在1500℃以下可作为面对等离子体材料。     

聚变装置钨涂层面对等离子体材料的性能

对铜基体上真空等离子体喷涂1 mm的钨涂层进行了分析研究,主要包括微观结构、热力学属性以及成分分析.结果显示,钨涂层气孔率仅为7.6%,室温热导率达到79.7 W/(m·K),W/Cu结构界面结合强度高达45 MPa,这些结果对钨作为聚变装置面对等离子体材料的应用是令人鼓舞的.涂层材料的出气性能也是面对等离子材料的一个重要指标,钨涂层出气气体种类主要是氢气和水蒸气.而且在300℃经过4 h高温烘烤后出气率大幅度降低,更长时间的烘烤则对出气率影响不是太明显.因此可以看出钨涂层作为聚变装置面对等离子体材料的应用是可行的.     

Fe/Al2O3陶瓷梯度涂层的结合性能

以FeAl和FeAlNi两种混合粉体作为底层材料,将喷涂法和溶胶-凝胶相结合制备了Fe/Al_2O_3梯度涂层,分析了其与钢基表面的结合性能。结果表明:当烧结温度为1220℃时,两种过渡底层Fe/Al_2O_3陶瓷梯度涂层的界面结合强度分别达到21.2 MPa和25.3 MPa,涂层的物相组成分别为α-Al_2O_3、AlFeO_3、Al_2Fe_2O_6、Al_3Fe_5O_(12)和α-Al_2O_3、AlFeO_3、NiFe_2O_4等。与FeAl相比,以FeAlNi作为过渡底层制备的Fe/Al_2O_3梯度涂层材料结构致密度高、没有明显孔洞与宏观界面,且有树枝状组织生成,有利于涂层结合性能的提高。     

面向等离子体W/Cu功能梯度涂层的热应力模拟

应用有限元分析软件ANSYS研究了W/Cu功能梯度涂层的3D模型在不同热流密度的稳态冲击下的工作应力和分布以及在边缘局域模式下的瞬态热冲击的表面温度随热流持续时间的关系.结果表明,当钨涂层表面层厚度为2mm、梯度层为240μm时,最大等效应力得到有效缓解;W/Cu部件能承受高达500MW、持续时间为5ms的高热流冲击.     

W80/Cu-Al_2O_3复合材料的耐电弧侵蚀性能

采用粉末冶金和熔渗法制备W80/Cu-Al_2O_3复合材料,测试其密度、硬度和导电率,探究Al_2O_3对W80/Cu复合材料耐电弧侵蚀性能的影响。结果表明,添加Al_2O_3对复合材料的致密度和导电率影响不大,硬度有所增加;W80/Cu和W80/Cu-Al_2O_3复合材料在不同电流条件下燃弧时间和燃弧能量基本相同,但W80/Cu-Al_2O_3复合材料的稳定性更高;在30 V、30 A条件下,W80/Cu复合材料在电弧侵蚀过程中发生材料从阴极向阳极转移,加入Al_2O_3增强相后,材料的转移方向为阳极向阴极转移,且材料损耗量降低,喷溅现象减少,电弧侵蚀后触头表面更加平整。     

316L不锈钢基体表面钨功能梯度涂层残余应力的模拟分析

在钢基体(EUROFER、F82H、CLAM、316L)上喷涂钨涂层已成为制备面向等离子体材料的一个重要方法.为了防止钨涂层与钢基体间由于材料热膨胀不匹配而开裂失效,采用热应力缓和型功能梯度涂层是一种行之有效的解决方案.利用有限元分析软件(ANSYS 10.0)分析了梯度涂层厚度对W/316L功能梯度涂层残余应力的影响.模拟结果表明,纯钨层厚度确定时,制备厚的梯度涂层可降低残余应力.当顶层厚度为1mm、梯度涂层厚度为100～200μm时,将产生较大的轴向应力,制备涂层时应当避免此厚度范围.此模拟结果可为该涂层设计和制备提供理论依据和指导.     

稀土锆酸盐热障涂层的相稳定性和界面结合性能研究

采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)工艺制备了La_2Zr_2O_7(LZ)、La_2Zr_2O_7-3wt.%Y_2O_3(LZ3Y)、La_2(Zr_(0.7)Ce_(0.3))_2O_7(LZ7C3)和6~8wt.%Y_2O_3部分稳定化的Zr O_2(YSZ)四种陶瓷涂层,研究了稀土锆酸盐和YSZ热障涂层的高温相稳定性、涂层结合性能和热循环行为。借助X-射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)等表征手段分析了涂层的相组成、相结构稳定性、显微组织和化学成分。试验结果表明:经过1300℃长时间热处理后,LZ、LZ3Y和LZ7C3涂层粉末的XRD衍射峰均逐渐向2θ大角度方向偏移,涂层中共存的La_2O_3、t-Zr O_2和Ce O_2物相也产生了固溶现象,YSZ涂层则是出现了两个单斜相衍射峰且峰强度逐渐增大;在室温空气中放置336h后,LZ涂层出现了明显的片层状脱落现象;YSZ涂层的平均结合强度值最大,LZ涂层则是最小。同样,三种稀土锆酸盐涂层的热循环寿命均比YSZ涂层短。这可能与三种涂层中含有过量的La_2O_3有关,La_2O_3易于与空气中的H_2O或CO_2发生化学反应导致体积膨胀,从而削弱了陶瓷层与金属粘结层的界面结合性能,降低了陶瓷层的耐剥落寿命。     

钢表面TiC/Ni3Al复合涂层及其冲蚀性能

采用钨极氩弧焊熔覆技术在钢表面原位合成金属间化合物基复合涂层TiC/Ni3Al。研究了复合涂层的组织和抗冲蚀性能,探讨了涂层的形成及抗冲蚀机理。结果表明:采用钨极氩弧焊熔覆技术在钢表面制得的TiC/Ni3Al复合材料无杂质相,颗粒分布均匀;随着预置层中(Ti+C)含量的提高TiC颗粒的数量增加,材料的硬度提高;涂层与基体之间呈现良好的冶金结合,从熔合线到涂层外表面TiC颗粒的形态逐渐从细小球形转变为等轴状、树枝状;Al、Ni、Fe元素呈梯度变化,而Ti元素主要以TiC颗粒物的形式存在于涂层中。在不同冲蚀角度下复合涂层的冲蚀量均显著小于H13钢和0Cr17Ni7Al钢,表现出优异的抗冲蚀性能。     

La_2O_3弥散增强钨合金面对等离子体材料及其高热负荷性能

本论文通过粉末冶金方法制备La2O3弥散增强钨合金面对等离子体材料并对其进行了组织性能和电子束热负荷性能的分析。结果显示La2O3弥散增强相抑制钨粒子长大效果显著,而且使W-1wt.%La2O3合金材料的抗弯强度提高了约35.7%。同时,W-1wt.%La2O3也表现出较好的热负荷性能,能够承受6MW/m2热负荷功率密度;在更高热负荷条件下,较高的表面温度导致La2O3出现熔化及W-1wt.%La2O3合金材料表面出现微裂纹等损伤,因此面对等离子体材料直接水冷对延长材料使用寿命和提高热负荷性能是十分重要的。     

真空烧结纳米La_2O_3掺杂MoSi_2复合涂层的高温摩擦学性能

采用高温真空烧结法在高速钢基体表面上制备了纳米氧化镧掺杂二硅化钼基复合涂层;考察了温度(200~800℃)、纳米La_2O_3含量(1%、3%和5%)(质量比)对MoSi_2基复合涂层高温摩擦学性能的影响规律;采用X射线衍射表征了MoSi_2基复合涂层高温摩擦磨损前后的微结构,探讨了复合涂层的高温摩擦磨损机理。研究结果表明纳米La_2O_3掺杂MoSi_2基复合材料摩擦学性能在低温(200℃)和高温(800℃)下纳米La_2O_3含量为3%时较好,摩擦系数为0.1。通过引入纳米La_2O_3可有效地改善Mo Si2的高温摩擦学性能,其磨损机理主要为磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损的复合磨损。     

W2Cu面对等离子体梯度热沉材料的制备和性能

采用粉末冶金法制备了 W2Cu面对等离子体梯度热沉材料。对其显微组织、 界面以及重要的热学、 力学性能进行了研究。显微组织观察表明 : 截面成分呈梯度分布 , 并通过高温下元素的扩散 , 实现了组织的连续变化 , 层间没有明显界面 ; 烧结后 Cu形成了连续的网络结构 , 分布在 W颗粒周围。W2Cu梯度材料的化学元素分- 1布和热学、 力学性能沿厚度方向呈梯度变化 , 材料整体的热导率达 151. 4 W·(m·K) 。在 800 ℃ 温差条件下 ,对材料分别进行抗热震和耐热疲劳实验。热震实验后 , 界面处未发现裂纹和开裂现象 , 表现出良好的抗热震性能。经过 83次热循环冲击后 , 观察到了裂缝 , 并探讨了裂缝形成机制。     

溶液注入热等离子体中直接制备纳米结构热障涂层

采用一种新的方法,将Y2O3稳定的ZrO2前驱体溶液雾化注入直流等离子体中直接制备热障涂层.扫描电镜、透射电镜、X射线衍射分析、激光闪烁法分别观察分析了涂层的显微组织、纳米晶粒、相结构和热导率,排水法、冷热冲击法分别检测了涂层密度和热循环性能.实验结果显示等离子体喷涂液体制备出来的热障涂层不具有层状组织,晶粒尺寸小于100nm,组成相为四方相,硬度为350左右,热导率在1.2～1.5 W/m·K范围,涂层中存在16%左右的孔隙率,具有比常规微米结构热障涂层更优越的热循环性能.分析结果表明液体注入热等离子体中的雾化沉积既区别于物理化学气相沉积,又区别于粉末注入热等离子体中的熔化沉积,属于表面工程技术下的交叉领域.     

钼基体上真空等离子体喷涂钨涂层的研究

采用真空等离子体喷涂(VPS)技术制备出厚度超过0.8 mm的金属钨涂层,并对涂层进行了高温热处理.结果显示:金属钨涂层主要呈层状结构,其密度可达到理论密度的98%以上;工艺参数对喷涂涂层性能有较大影响,特别是对涂层密度、结合强度有影响;高温热处理引起界面结构变化,形成钨钼混合层,且再结晶形成细小的晶粒;和CVD方法以及常压等离子体喷涂方法制备的钨涂层相比,低压等离子体喷涂具有明显的优势.     

聚变堆装置中面向等离子体材料钨涂层的研究进展

钨具有高的熔点、不与氚发生共沉积、与等离子体好的兼容性和低的腐蚀率等优点,是最有前景的一种面向等离子体材料.为了解决面向等离子体材料的制备及其与热沉材料连接问题,涂层技术在实验聚变堆装置中得到广泛应用.评述了目前实验聚变堆装置中面向等离子体材料钨涂层的研究进展.     

超音速等离子高铝青铜磷光粒子复合发光涂层的性能研究

采用超音速等离子喷涂技术在45#钢基体表面制备了Cu-14Al-X与SrAl_2O_4∶Eu~(2+),Dy~(3+)复合发光涂层,研究了不同喷涂工艺参数(H_2气流量)对制备涂层性能的影响。利用XRD、SEM、EDS及荧光/磷光发光光度计研究分析了喷涂层物相组织、形貌结构及其发光性能。结果表明,涂层均由Al_(0.5)Fe_(0.5)、AlFe_3、Cu_9Al_4、SrAl_2O_4相及少量SrAl_4O_7和SrFe_2O_4构成。随着H_2气流量从1L/min到16L/min增加,喷涂材料沉积率增大,磷光粒子沉积率增加明显,同时,涂层的发光强度随H_2气流量增加而增强,涂层结合强度、显微硬度及致密性也随H_2气流量增加而显著提高。     

石墨表面TiC涂层对高定向石墨/Cu复合材料热导率和抗弯强度的影响

以高温盐浴法对天然鳞片石墨粉体(GF)进行表面TiC镀层处理,然后采用真空热压烧结法制备TiCGF/Cu复合材料,研究了粉体表面涂层和GF体积分数对复合材料微观结构、热导率及抗弯强度的影响。系列测试结果表明:随着GF体积分数的降低以及粉体表面TiC镀层的形成,TiC-GF/Cu复合材料平行于GF片层方向的热导率有所降低,抗弯强度有所提升。其中在GF的体积分数占TiC-GF/Cu复合材料70%时,这种变化最为明显,平行于GF片层方向的TiC-GF/Cu复合材料热导率下降幅度最大,从676W/(m·K)下降到526 W/(m·K)。同时,TiC-GF/Cu复合材料的微观结构进一步说明,GF表面的TiC涂层对GF/Cu复合材料的断裂模型起着重要的作用。     

双面结构电磁屏蔽材料的制备及抗氧化性能研究

采用磁控溅射法在纺织纤维基材的表面沉积了Cu薄膜以及Cu/Al_2O_3复合薄膜。对总溅射时间相等条件下所制备的单面Cu薄膜和双面Cu薄膜纤维屏蔽材料的屏蔽效能进行了测试与分析,并对双面Cu薄膜和Cu/Al_2O_3复合薄膜的纤维屏蔽材料的抗氧化性能进行了测试对比。结果表明:双面Cu薄膜屏蔽材料的屏蔽效能要明显优于单面Cu薄膜屏蔽材料的屏蔽效能;将双面Cu薄膜和Cu/Al_2O_3复合薄膜的纤维屏蔽材料放置在相同室温环境中60d,双面Cu薄膜纤维屏蔽材料发生了严重的氧化;而Cu/Al_2O_3复合薄膜纤维屏蔽材料仅有轻微氧化,整体性能良好。     

大气等离子喷涂环境障涂层镀Al表面改性

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。     

超细晶/纳米晶钨——未来聚变堆面向等离子体材料

钨为未来高参数准稳态运行聚变堆最有前景的面向等离子体材料。超细晶/纳米晶结构有可能提高钨材料的热力学性能和抗粒子辐照性能,因而成为一个很有前途的研发方向。深度塑性变形和粉末冶金均已在制备超细晶/纳米晶钨方面开始了初步探索,深度塑性变形的等通道角挤压法因能制备致密度高、韧脆性能优异、大尺度的块体超细晶/纳米晶钨,极有可能在钨基面向等离子体材料制备方面取得突破。     

Al_2O_3-TiO_2-ZrO_2含纳米结构等离子喷涂层的显微硬度及韧性

为了提高传统Al_2O_3+40%TiO_2等离子喷涂层的力学性能,将纳米结构的ZrO_2粉末引入热喷涂层,采用液相喷雾造粒的方法将纳米ZrO_2-准微米级Al_2O_3/TiO_2颗粒团聚成适用于等离子喷涂的微米级粉体,并用等离子喷涂技术制备出含有纳米结构的陶瓷涂层.利用X射线衍射仪、扫描电镜和显微硬度计等对涂层的微观结构和性能进行了检测.结果表明,最佳喷涂功率40 kW下制备的纳米陶瓷涂层的显微硬度和韧性比传统涂层有了明显提高.