一般问题/焊接科学和技术的发展及前景

纳米材料具有许多优异的特性，利用热喷涂技术制备纳米结构涂层是一种应用纳米材料的有效办法。介绍了纳米结构涂层喷涂材料的制备，包括液体喂料制备纳米材料、纳米粉末材料和纳米药芯丝材的制备，以及热喷涂制备纳米结构涂层的种类，其中包括纳米结构陶瓷涂层、金属一陶瓷纳米复合涂层和金属纳米结构涂层。[第一段]     

热喷涂纳米结构涂层的研究

纳米材料具有许多优异的特性,利用热喷涂技术制备纳米结构涂层是一种应用纳米材料的有效办法.文中介绍了纳米结构涂层喷涂材料的制备,包括液体喂料制备纳米材料、纳米粉末材料和纳米药芯丝材的制备,以及热喷涂制备纳米结构涂层的种类,纳米结构涂层的种类包括纳米结构陶瓷涂层、金属-陶瓷纳米复合涂层和金属纳米结构涂层.简要介绍了制备这些涂层所采用的工艺方法,以及涂层的结构和性能.指出了目前热喷涂制备纳米结构涂层存在的问题,并对其应用和发展前景作了展望.     

纳米Ti膜形成过程的扫描隧道显微镜观察

用磁控溅射方法在聚合物薄膜基体上制备出不同厚度的纳米Ti膜,扫描隧道显微镜（STM）的观察结果表明,初期膜是由直径小于2nm的形核粒子和粒子团聚体组成,粒子沉积呈岛状生长形成纳米晶粒结构,随薄膜厚度增加,平均晶粒尺寸增加,形成大尺寸晶粒的连续薄膜,分析和讨论薄膜生长过程的结构特征及溅射条件对薄膜结构的影响。     

等离子喷涂纳米粒子混合WC-Co涂层性能研究

采用等离子喷涂技术制备了WC-Co涂层,所采用2种喂料分别为普通微米材料和混合纳米粒子的材料.分析了涂层的显微形貌、物相成分以及显微硬度、耐磨性等.研究结果表明:喷涂态的纳米WC粒子混合WC-Co涂层中的WC晶粒尺寸小于100 nm.纳米WC粒子混合涂层晶粒尺寸更小,WC颗粒分布更加均匀.WC颗粒的弥散强化和细晶强化作用使得涂层韧性、塑性更好.减缓了应力的集中,使微裂纹的产生和扩展几率降低.纳米WC粒子混合涂层更易生成高硬度的η1相以及立方结构物质,改善了涂层的塑性,使滑移方向更多,提高了涂层抵抗磨损的能力.纳米WC粒子混合涂层的细晶强化效应使得WC颗粒的接触数量更多,提高了涂层的硬度.普通涂层的磨损表面存在很多细小的裂纹,容易产生脆性断裂.纳米WC粒子混合涂层韧性较好,抗磨损能力更强.     

纳米晶NiSi2/Ti5Si3复合涂层耐磨耐蚀性能研究

采用双阴极等离子溅射技术在TC4合金表面制备了纳米晶NiSi2/Ti5Si3复合涂层。利用XRD、SEM和TEM研究了复合涂层的微观组织特征,利用纳米压入和声发射划痕仪考察了复合涂层的硬度、弹性模量以及涂层与基体的结合力。结果表明：纳米晶NiSi2/Ti5Si3复合涂层由外层厚度为7 μm的NiSi2沉积层和其下3 μm厚的Ti5Si3扩散层组成,沉积层的平均晶粒尺寸约为40 nm,而扩散层的平均晶粒尺寸约为70 nm,且存在大量的栅栏状孪晶。纳米晶NiSi2/Ti5Si3复合涂层硬度呈梯度分布,与基体具有较高的结合强度,其结合力为49 N。纳米晶NiSi2/Ti5Si3复合涂层的比磨损率较TC4合金降低一个数量级以上,且对载荷和温度不具敏感性。与TC4合金相比,纳米晶NiSi2/Ti5Si3复合涂层的腐蚀电流密度降低了两个数量级,且具有更大的容抗弧值     

TiAlN/CrN多层膜的组织结构及耐蚀性机理

目的研究Ti AlN/CrN多层膜及Ti AlN、Cr N单一膜层的微观组织和电化学性能区别,分析不同结构薄膜材料的耐腐蚀性影响因素。基于电化学参数、组织结构和腐蚀形貌特征,为开发新型腐蚀性薄膜提供理论依据。方法采用多弧离子镀方法,在316不锈钢基底上先沉积150 nm Cr薄膜作为过渡层,然后交替沉积Cr N薄膜和Ti AlN薄膜,制备单层厚度为10 nm的Ti AlN/CrN多层膜。作为对比,制备单一Ti AlN、CrN薄膜。通过SEM、XRD表征薄膜断面形貌、组织结构,并分析耐蚀机理,结合极化曲线和阻抗谱对三种涂层进行电化学性能分析,最后对涂层进行浸泡腐蚀试验。结果 Ti Al N/Cr N纳米多层膜为面心立方结构,呈现共格外延生长,且呈(200)择优取向。纳米多层膜的动电位极化曲线测量结果与不锈钢基体和单层薄膜相比,其腐蚀电位正移为-0.36 V,腐蚀电流密度降低为0.501μA/cm~2,极化电阻为120 kΩ·cm~2。阻抗谱试验结果表明,相比较于单层膜和基体,Ti Al N/Cr N多层膜的CPE值最低,为29.83×10~(-6)Ω~(-1)·cm~(-2)·sn,n值为0.922,电阻为1.50×1~06Ω·cm~2。腐蚀形貌分析可得出,多层薄膜腐蚀后表面形貌与沉积态涂层形貌最为接近,认为其具有较高的耐腐蚀性。结论纳米层状结构改变了单一薄膜的原始生长模式,抑制了粗大柱状晶的生长,减小了薄膜的固有缺陷、晶粒尺寸,对薄膜的耐蚀性有正面积极的作用。     

大气等离子喷涂的YSZ纳米热障涂层的微观结构

采用YSZ(8％Y2O3-Zr02，质量分数)纳米粉末，经大气等离子喷涂(APS)方法制备得YSZ纳米热降涂层(TBC)．喷涂前的粉末额粒直径为30—50nm，晶粒尺寸约12nm．对涂层的分析结果表明：YSZ纳米涂层平均晶粒尺寸在20—30nm，有个别粗晶直径达200—300nm．涂层由立方相c—ZrO2和四方相t′—ZrO2组成，t′相内存在畴结构．涂层内孔洞细小弥散，多呈闭合式．TEM下可见位错缠结和富层错的板条带结构．     

Al-TiB2纳米晶薄膜中的反Hall-Petch效应

多种微结构因素作用的相互交织使纳米晶合金中是否存在与纯金属类似的反Hall-Petch现象难以得到实验证实。选用Al-TiB_2体系,采用二维结构纳米多层膜的方法,实现了对晶粒尺寸因素的孤立和使其独立地改变,研究了晶粒尺寸对薄膜力学性能的作用规律。结果表明:Al-TiB_2过饱和固溶纳米晶薄膜也与纳米晶纯金属Al一样,存在硬度随晶粒尺寸减小从遵从Hall-Petch关系提高转变为偏离Hall-Petch关系,并进一步出现反Hall-Petch效应的3个阶段,实验得到了偏离Hall-Petch关系为32 nm,产生反Hall-Petch现象的临界晶粒尺寸为8 nm,这2个临界晶粒尺寸与分子动力学方法对纳米晶纯金属A1计算的结果相当。     

激光表面合金化原位制备Ti-Cu纳米晶金属间化合物涂层

利用激光表面合金化技术以铜粉为初始原料,在纯钛表面通过激光表面合金化原位反应成功制备了Ti-Cu纳米晶金属间化合物涂层。采用X-射线衍射仪(XRD)和高分辨透射电镜(HRTEM)分析了涂层的组成和组织结构,测试了涂层在不同载荷下的摩擦磨损性能。结果表明:通过激光表面合金化制备的涂层主要成分为Ti和金属间化合物TiCu、TiCu3、Ti3Cu相。涂层含有纳米晶Ti-Cu金属间化合物,晶粒尺寸为10~500nm。Ti-Cu金属间化合物涂层的摩擦因数随载荷增加而减小,体积磨损率在10-6~10-5 mm3/Nm数量级范围并随载荷的增加而增大,与纯钛底材相比,Ti-Cu金属间化合物涂层具有良好的耐磨性。     

模拟PEMFC环境下纳米晶ZrC涂层钛合金双极板的性能研究

采用双阴极等离子溅射沉积技术,在Ti-6A1-4V合金表面制备了厚度为10μm、平均晶粒尺寸为12 nm的ZrC纳米晶涂层。研究了改性前后钛合金双极板在质子交换膜燃料电池环境中的耐腐蚀性能、导电性能以及憎水性能。结果表明:在模拟PEMFC阴/阳极环境中,纳米晶ZrC涂层的腐蚀电位明显高于Ti-6A1-4V合金,而腐蚀电流密度较Ti-6A1-4V合金降低约4个数量级。在+0.6 V阴极工作电极电位下,纳米晶ZrC涂层具有更快的成膜速率以及更高的钝化膜稳定性;而在–0.1 V阳极工作电极电位下,ZrC纳米晶涂层则呈现出阴极保护特征。     

爆炸压涂制备纳米氧化锆涂层及其组织与性能研究

运用爆炸压涂技术在钢基体上制备了较大面积的纳米氧化锆涂层。利用扫描电镜、X射线衍射等手段研究了纳米氧化锆涂层的微观组织、孔隙率和晶粒度。结果表明,制备的纳米氧化锆涂层结构致密,涂层的孔隙率为5%;与基体结合紧密;爆炸压涂前后氧化锆成分未发生变化;涂层中的氧化锆仍然以稳定的单斜相存在,不存在立方相;涂层中的氧化锆晶粒与粉末晶粒尺寸基本一致。爆炸压涂制备的陶瓷涂层能够保持纳米粉末材料的尺寸和特性。     

电弧喷涂铁基非晶涂层的结构与性能

用电弧喷涂技术在低碳钢基体上制备一种含非晶和纳米晶的Fe基涂层.采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、显微硬度仪分析测量涂层的组织和性能.并用谢乐公式计算晶粒尺寸.结果表明,涂层呈典型的层状组织结构,由变形良好的带状粒子相互搭接堆积而成.涂层结构致密,孔隙率低,氧化物含量较少,涂层含有非晶和纳米晶,晶粒尺寸为10~40 nm,利用X射线衍射强度比较法测量涂层中非晶相的含量为55.3%.涂层具有很高的硬度,其显微硬度最高达到1 260 HV0.1.     

纳米金属铜靶材的微结构与性能

采用自悬浮定向流方法制备金属Cu纳米粉体,在25℃和1.0~1.75 GPa的高压下,单向模压成型,制备含量高于95%的高密度纳米金属Cu晶体材料。用透射电镜、X射线衍射谱和场发射扫描电子显微镜对样品的结构进行表征。结果表明:X射线衍射分析的平均晶粒尺寸未退火时为19.9 nm,退火后为30.5 nm(TEM观察约为60 nm),颗粒基本为球形;样品中除了纳米晶粒外,还出现孪晶结构;孪晶是纳米Cu粉在超高压作用下形变的重要特征之一;纳米晶体Cu样品的电阻率在室温下约为1.56×10-7Ω.m,是粗晶Cu在室温下电阻率(0.167×10-7Ω.m)的9.3倍。     

等离子喷涂钼基非晶-纳米晶复合涂层的组织与性能

一种多元素钼基非晶-纳米晶合金粉末(含C、Si、B、Cr、Fe、Ni、Mo等)作为喷涂材料,用大气等离子喷涂在316L不锈钢基体上制备涂层,用X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、显微硬度仪分析测量涂层的组织和性能,并用谢乐公式计算晶粒尺寸。结果表明：所制备的涂层均匀致密,涂层含有非晶和纳米晶,颗粒尺寸为10～50nm;这种非晶纳米晶复合涂层的硬度和弹性模量分别高达1055HV和214．40GPa。     

低碳钢表面抛丸加速制备纳米铝化物涂层的研究

将粉末包埋渗铝与抛丸过程相结合,在440-600℃相对较低的温度范围内,在低碳钢表面制备纳米结构的铝化物涂层.涂层为单层结构,均匀致密,呈现纳米结构特征,晶粒尺寸20nm左右.涂层由富铝相Fe-Al化合物组成,主要有η-Fe2Al5相和少量的θ-FeAl3相和β-FeAl相.合金球的冲击作用导致表面纳米化,加速表面原子扩散过程,使铝化物涂层可以在相对较低的温度下形成.     

等离子喷涂纳米FeS-SiC复合涂层的显微结构研究

以自制的纳米FeS-SiC复合粉末为原料，采用等离子喷涂技术制备了纳米结构FeS-SiC复合涂层。纳米粉末及涂层的形貌、成分、结构和物相组成分别由SEM，EDS，XRD表征。实验结果表明，纳米FeS-SiC复合粉末经造粒后的颗粒尺寸分布在20-80μm，流动性好，适于等离子喷涂。等离子喷涂纳米FeS-SiC复合涂层的晶粒呈现两种尺寸分布，一种是30．80nm的小晶粒，另一种是100-200nm的大晶粒。涂层的物相主要由FeS和SiC组成，还含有少量的Fe1-xS和氧化物。涂层的气孔率大约为19％。     

钛上阳极氧化生成TiO2光催化薄膜的结构与性能

研究了电化学阳极氧化在钛上制备的纳米晶多孔TiO2光催化薄膜的结构与光催化特性。将工业纯钛片或钛箔暴露于电介质溶液并加一定电压，钛表面将氧化生长多孔TiO2薄膜。适当控制氧化电压、溶液温度，得到非晶氧化膜，再进行晶化处理，得到锐钛矿相纳米晶TiO2薄膜。其晶粒尺寸约在10nm～30nm。用SEM，TEM，XRD表征TiO2薄膜的形貌与相结构。用光谱仪测定了薄膜对入射光的吸收特性，表明电化学氧化制备的纳米晶二氧化钛薄膜对近紫外入射光产生强烈的吸收，显示纳米结构的量子效应。测定了薄膜对酸性红溶液的光催化降解效率，结果表明反应30min后薄膜对酸性红的光催化降解率可达95％以上。     

低温球磨和真空热压技术制备的纳米晶纯铝块体的强化机理

利用液氮球磨和真空热压技术制备了纳米晶纯铝块体材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对材料的晶粒尺寸和微观组织进行研究,分析了影响热稳定性的因素和强化机理。研究表明,液氮球磨以后材料晶粒尺寸为37nm,经过真空热压和热挤压后晶粒有所长大,晶粒大小约300nm,纳米晶结构基本得到保持。分析晶粒热稳定性的原因在于球磨过程中生成的AlN等粒子的晶界钉扎以及引入的杂质溶质的拖拽作用。纳米晶纯铝块体的拉伸强度极限σb为173MPa,伸长率fε为17.5%。     

超音速火焰喷涂制备钼基非晶纳米晶涂层的研究

利用超音速火焰喷涂(HVOF)技术，在0Cr13Ni5Mo不锈钢基体上成功的制备出了一种Mo基非晶纳米晶复合涂层。这种涂层组织均匀致密，孔隙率小，约为3．4％，呈典型的层状分布；涂层是由非晶和纳米晶组成，在非晶基体中均匀分布了纳米晶粒。根据衍射峰的半高宽，计算出Mo基涂层中的晶粒平均尺寸为25～70nm，与通过透射电镜的观察得到晶粒大小数20～70nm相符；涂层具有较高的硬度，平均显微硬度为859．0HV50；所获得的非晶纳米晶涂层具有较高的热稳定性，在1020．1℃以下使用，不会发生晶型转变。     

电沉积新型纳米复合MCrAl(Y)涂层的研究进展

热生长保护性Cr2O3膜或Al2O3膜的MCrAlY涂层,因其与高温金属结构材料的物理相容性好,被广泛用于航空航天等领域的热端结构件的高温防护。目前主要采电子束物理气相沉积、磁控溅射、离子镀、热喷涂等物理方法制备。系统总结了采用纳米复合电沉积技术制备新型纳米复合型MCrAlY涂层的相关研究工作,对其中涉及的纳米复合电沉积和“电泳+电沉积”2种不同的制备方法进行了介绍,概述了基于MCrAl(Y)纳米复合涂层结构特征的选择性氧化模型,阐明了这类涂层相较于传统MCrAlY涂层具有更加优异的抗高温腐蚀性能的“纳米尺寸效应”,重点评述了涂层的组成结构与其高温腐蚀行为之间的关联,以及在此基础上构建的代表涂层成分与表面氧化膜类型关系的涂层氧化图,最后提出了该技术后续可拓展应用于涂层/金属-陶瓷扩散障体系的一体化制备,并对这种新型的纳米复合MCrAlY涂层的未来研究方向与应用前景进行了展望。