射频/直流磁控溅射不锈钢/Al_2O_3复合薄膜组织与性能研究

利用射频 /直流磁控溅射法 ,制备了 31 6L不锈钢 /Al2 O3 陶瓷复合薄膜 ,研究了 31 6L不锈钢 /Al2 O3 陶瓷复合膜的组织形貌 ,测试了薄膜的显微硬度和耐磨性。结果表明 :直流磁控溅射 31 6L不锈钢薄膜呈柱状晶结构 ,主要有 Fe- Cr和γ- Fe相构成 ,在 Fe- Cr( 1 1 0 )晶面出现明显的择优取向 ;由于射频溅射 Al2 O3 陶瓷的掺合 ,使 31 6L不锈钢 /Al2 O3 陶瓷复合薄膜柱状晶细化 ,并出现二次柱状晶 ,在 Fe- Cr( 2 1 1 )晶面出现明显的择优取向 ,31 6L不锈钢膜硬度明显高于 31 6L块体 ,掺合了 Al2 O3 的金属 /陶瓷复合薄膜耐磨性有显著的提高。     

显微结构对Y-TZP/Al2O3复合陶瓷磨料磨损性能的影响

以不同Y2O3加入方式(如化学共沉淀和机械混合)制备的Al2O3增强Y-TZP陶瓷(AZD)为研究对象，研究了显微结构对陶瓷耐磨性的影响。结果表明：化学共沉淀法制备的CYADZ与机械混合的MYADZ的硬度和断裂韧性值相近：CYADZ结构均匀、品粒细小，而由于Y2O3的不均分布，MYADZ结构不均、晶粒相差较大。球磨磨料磨损后，CYADZ复合陶瓷较MYADZ复合陶瓷耐磨性好，宏观力学性能如硬度和断裂韧性对陶瓷材料耐磨性的影响应以显微结构为先决条件。     

纳米耐磨和减摩复合镀层的研究

分析了将纳米三氧化二铝(Al2O3)和聚四氟乙烯(PTFE)颗粒加入常规电刷镀液中制备纳米耐磨和减摩复合镀层的组织、显微硬度、耐磨性和摩擦因数。结果表明：纳米颗粒的加入使复合镀层组织明显细化和致密。随着纳米Al2O3颗粒含量的增加，复合镀层的显微硬度和耐磨性有明显的提高，纳米PTFE的加入有助于减少复合镀层的摩擦因数。     

不同温度下沉积TiN/TiCN/Al_2O_3/TiN复合涂层的物相结构和性能

采用高温化学气相沉积技术,于1 000～1 100℃在WC-6%Co硬质合金基体表面制备了TiN/TiCN/Al2O3/TiN复合陶瓷涂层,研究了复合涂层的物相、表面和横截面形貌、显微硬度、界面结合强度和耐磨损性能。结果表明:沉积温度为1 000℃时,复合涂层中Al2O3层为κ相和α相共存;当沉积温度升至1 050℃和1 100℃时,Al2O3层为单一的α相;1 050℃下沉积复合涂层的表面平整、结构致密,1 000℃沉积复合涂层中的TiCN层存在少量孔洞,1 100℃下沉积复合涂层中TiCN层的柱状晶沿某一方向生长比较明显,较高的沉积温度加速了钛元素向Al2O3层的外扩散;1 050℃下沉积复合涂层的显微硬度最大,为1 828HV,该涂层的耐磨损性能最佳,其与基体间的结合强度最高,临界载荷为135.2N。     

等离子喷涂耐磨陶瓷涂层的组织研究

为了满足表面冶金强化零件的各项性能要求,本论文主要研究了等离子喷涂Al2O3-13wt%TiO2复合陶瓷涂层的微观组织结构以及涂层的硬度和摩擦磨损等性能。研究表明:Al2O3-13%TiO2涂层具有良好的致密度,结合强度相对较低;而硬度又较大;涂层中有硬质相或颗粒,虽然宏观硬度并不特别高,但具有很高的耐磨性。     

过渡层类型对类金刚石薄膜性能的影响

采用电子回旋微波等离子体气相沉积和磁控溅射法相结合的方法,通过石墨靶材和金属钛靶在不锈钢和Al2O3陶瓷基片上沉积了具有不同过渡层的含钛的C薄膜,研究了不同薄膜与衬底的中间层类型对薄膜的表面形貌、硬度、摩擦磨损性能、表面能的影响.结果表明,导电基底更有助于成膜的致密性和均匀性,薄膜为衬底/Ti/TiN/TiCN/C结构时硬度最高.     

镍-磷-纳米Al2O3复合镀层的摩擦学性能

用化学镀的方法制备了镍-磷-纳米Al2O3复合镀层，研究了热处理温度对镀层硬度和磨损性能的影响，并与二元镍-磷镀层以及镍-磷-Al2O3复合镀层进行了性能对比。结果表明：含有纳米Al2O3微粒的复合镀层具有更高的硬度和耐磨性，经400℃处理后的镀层耐磨性最好。     

脉冲电沉积Ni/纳米Al_2O_3复合镀层的组织结构与性能

采用脉冲电沉积方法制备Ni/纳米Al2O3复合镀层。利用扫描电镜(SEM)观察分析Ni/纳米Al2O3复合镀层的组织结构,对Ni/纳米Al2O3复合镀层的硬度、摩擦磨损性能和铝液在复合镀层表面的铺展性能进行测试。结果表明:复合镀层的硬度随镀液中Al2O3悬浮量的增加而升高;纳米Al2O3悬浮量为20g/L的Ni/纳米Al2O3复合镀层的摩擦因数为0.459;铝液在Ni/纳米Al2O3复合镀层表面的亲润性比淬火45#钢差,具有良好的耐铝液侵蚀性能。     

优化TiN/MT-TiCN/Al2O3/TiN多层涂层摩擦磨损性能的研究

通过研究微喷砂处理和使用TiOCN、ZrCN替代TiN顶层对TiN/MT-TiCN/Al2O3/TiN多层涂层摩擦磨损性能的影响,进一步提高TiN/MT-TiCN/Al2O3/TiN涂层刀具的性能.采用化学气相沉积(CVD)在硬质合金基体上沉积TiN/MT-TiCN/Al2O3/TiN、TiN/MT-TiCN/Al2O3/TiOCN和TiN/MT-TiCN/Al2 O3/ZrCN多层涂层,并进行微喷砂处理.采用扫描电子显微镜(SEM)表征涂层的组织结构,采用显微硬度计、划痕测试仪和往复式多功能摩擦磨损实验机(UMT-3)分别对涂层的硬度、结合强度和摩擦磨损性能进行测试.结果 表明:微喷砂处理后,TiN/MT-TiCN/Al2O3/TiN多层涂层的顶层TiN被完全去除,摩擦系数增大,且涂层发生剥落、疲劳磨损严重,耐磨性下降.经微喷砂处理的TiN/MT-TiCN/Al2 O3/TiOCN涂层硬度最高,磨粒磨损程度最轻,且无明显剥落,耐磨性最好.经微喷砂处理的TiN/MT-TiCN/ Al2O3/ZrCN涂层摩擦系数最小,但硬度低,磨粒磨损严重,且涂层存在明显剥落,耐磨性较差.     

Fe-W-Al2O3纳米复合镀层的结构及其耐磨性

利用复合电沉积工艺制备了Fe-W-Al2Q3纳米复合镀层，采用扫描电镜及附带的能谱仪、X射线衍射仪和显微硬度计等研究了复合镀层的表面形貌、成分、结构、显微硬度和耐磨性能。结果表明：Fe-W-Al2O3纳米复合镀层仍呈非晶态，Al2O3纳米粒子在复合镀层中分布均匀，镀层组织致密；Al2O3纳米粒子的添加提高了复合镀层的显微硬度，室温下该复合镀层的耐磨性是Fe-W合金镀层的2倍，并且有效减轻了镀层的内应力，避免了镀层裂纹的出现。     

润滑条件对Al2O3基陶瓷材料摩擦磨损性能的影响

本文对Al2O3基陶瓷材料/45#钢摩擦副的摩擦系数与45#钢/45#钢的摩擦系数作了对比滑动摩擦试验研究,观测分析了Al2O3基陶材料磨痕形貌,并就干摩擦,油润滑状态下Al2O3基陶瓷材料的磨损机理进行了分析。结果表明,分别在干摩擦和20#机油润滑下,Al2O3基陶瓷材料/45#钢的摩擦系数均比45#钢自配副时的低,在干摩擦条件下,Al2O3基陶瓷材料的磨损机理是脆性微剥落和磨粒磨损,油润滑条件下,该材料的磨损机理是脆性脱落和耕犁,但磨损量小于干摩擦条件下的磨损量,说明油润滑对Al2O3基陶瓷材料有明显的减磨作用。     

增强体与粉末冶金316L不锈钢的反应性

在316L不锈钢粉中分别添加10％的TiC、WC、NbC、Al2O3、Si3N4五种增强体，研究了各种增强体与不锈钢基体的反应性及对烧结过程的影响。结果表明：TiC、WC、NbC与不锈钢基体有良好的相容性，能均匀分布到不锈钢基体中，可以有效提高其强度，添加TiC的不锈钢还表现出优越的耐腐蚀性；由于Al2O3与基体不锈钢相容性过差，不能发挥增强体的作用，使材料的强度和耐蚀性不良；添加Si3N4的不锈钢在烧结过程中Si3N4发生分解，弥散强化了基体，硅有促进烧结的作用，而氮均匀渗透到不锈钢中，有利于形成高强度的高氮钢，从而使其相对密度、硬度及耐蚀性都高于其他材料。     

Al2O3/TiC/CaF2自润滑陶瓷刀具切削过程中的减摩机理

在Al2O3/TiC陶瓷刀具基体内加入固体润滑剂CaF2来改善其摩擦学特性,制备出Al2O3/TiC/CaF2自润滑陶瓷刀具.以该陶瓷刀具对45钢进行干切削试验,结果表明添加固体润滑剂的Al2O3/TiC/CaF2自润滑刀具的摩擦因数比未添加固体润滑剂的Al2O3/TiC陶瓷刀具显著降低,表现出了良好的减摩效果.在切削过程中,Al2O3/TiC/CaF2自润滑陶瓷刀具中的固体润滑剂由于受到摩擦和挤压作用而析出,能在刀具前刀面上形成润滑膜,可阻止刀-屑间的粘着,显著降低前刀面与切屑间的平均摩擦因数.对自润滑陶瓷刀具切削后磨损表面显微分析表明,前刀面在切削过程中形成了自润滑膜的生成、破损、脱落和再生的循环过程.因此,Al2O3/TiC/CaF2自润滑陶瓷刀具在其整个生命周期内始终具有润滑效果.     

SiC颗粒掺杂对激光直接成形Al2O3陶瓷裂纹敏感性的影响

为抑制激光直接成形Al2O3陶瓷过程中的裂纹,利用SiC未熔颗粒的增韧原理,在Ti-6Al-4V合金基底上进行添加SiC颗粒的Al2O3同轴送粉激光直接成形实验,分析了激光直接成形Al2O3+ SiC复相陶瓷的可行性以及成形件裂纹敏感性的影响因素.利用光学显微镜观察薄壁成形试样的裂纹扩展、显微组织和两相结合情况,并使用X射线衍射仪(XRD)进行相分析.结果表明:SiC颗粒可在激光直接成形Al2O3+SiC陶瓷中起到抑制裂纹的作用,并可形成各成分结合良好,无明显化学反应,含有较完整SiC未熔颗粒的复相陶瓷材料.单因素实验显示:SiC比例f、激光功率P、扫描速度v和送粉率n对裂纹敏感性均有显著影响,最后采用工艺参数:f =10％(重量百分比)、P=186 W、v=300 mm/min及n=1.78 g/min成形了裂纹敏感性低,无明显缺陷的长×高×厚约为17 mm×6 mm×2 mm的薄壁件.     

功能梯度Al2O3涂层残余热应力分析

Al2O3/316L功能梯度材料是一种聚变反应堆第一壁的候选材料。为避免制备过程中因材料之间热物理性能差别产生的热应力过大造成材料的失效,须对梯度材料进行合理的热应力缓和设计。运用有限元软件,分析成分分布指数、梯度涂层厚度和梯度层数目等参数对Al2O3/316L功能梯度材料残余热应力的影响。分析结果表明：体积分布指数p=1.0时所受热应力最小,涂层承受压应力作用;梯度层数为9时热应力缓和效果最好;梯度层厚度不宜过大;将非功能梯度材料与优化后的功能梯度材料的残余热应力进行比,结果显示：功能梯度材料缓和热应力效果十分显著。最后利用等离子喷涂方法制备了梯度涂层测试涂层残余应力,并与有限元结果进行对比,以验证模拟的准确性。     

Characteristics of Sputter-deposited Gadolinia-doped Ceria Thin Films on Al2O3/SiO2/Si Systems

Metal oxide films prepared by thin film technology have been reported for the potential applications on thin solid electrolyte layers for solid oxide fuel cells(SOFCs). Gadolinia-doped ceria(GDC) thin films and Al2O3 layers on SiO2/Si substrates are successively deposited by RF reactive magnetron sputtering from a cerium-gadolinium (90:10 at.%) alloy target and Al target in O2/Ar gas mixture and then perform post-thermal treatments at 300-700 ℃ and 900 ℃ for 2 h, respectively. Materials characteristics and chemical compositions of GDC films and Al2O3 layers are investigated by X-ray photoelectron spectroscopy(XPS), cross-sectional scanning electron microscopy(SEM), X-ray diffraction(XRD), and atomic force microscopy(AFM). Stoichiometric Al2O3 layers with polycrystalline structures are firstly prepared onto SiO2/Si substrates. A cubic fluorite structure with columnar crystallites of GDC films is successfully deposited on Al2O3/SiO2/Si systems. The chemical composition of 700 ℃-annealed GDC films is (Ce0.91Gd0.09)O1.94 and possesses a higher film density of 7.257 g/cm3. As a result, GDC thin films prepared by RF reactive magnetron sputtering and post-thermal treatments can be used as thin solid electrolyte layers for intermediate temperature SOFCs system as compared to the well-known yttria-stabilized zirconia(YSZ).     

Multi-pass scratch test behavior of modified layer formed during plasma nitriding

316L stainless steel and Ti6Al4V alloy were plasma nitrided at different treatment parameters, and the wear behaviors of the modified layers formed on the surface during nitriding were investigated by multi-pass scratch test. Phase structure and cross-sections of modified layers were also examined with XRD and SEM. While a single modified layer formed on surface of the 316L stainless steel, both modified and diffusion layers were observed on the surface of the Ti6Al4V alloy after nitriding. As a result, it was observed that phase structure and thickness for modified layers of 316L stainless steel and Ti6Al4V alloy, respectively, were the significant parameters for friction coefficient and wear rate. In addition, diffusion layer formed during the nitriding process caused on increase of wear resistance of Ti6Al4V alloy by supporting the modified layer on the surface.     

不同环境介质下氧化铝陶瓷与耐蚀金属摩擦磨损行为

为优选海水淡化高压泵关键零部件耐磨性能材料,以Al_2O_3陶瓷与TC4钛合金、316不锈钢、2205双相不锈钢组成的配对摩擦副作为研究对象,利用立式万能摩擦磨损试验机开展干摩擦、纯水及海水3种环境介质下配对材料的摩擦磨损试验,定量得到各摩擦副摩擦因数、磨损量,并对摩擦试样的表面形貌进行分析;采用正交试验法分析载荷、转速、环境介质对摩擦因数和磨损量的影响规律。结果表明:在相同的条件下,TC4钛合金与陶瓷配副摩擦因数较小,2205双相不锈钢与陶瓷配副磨损量较小;环境介质对摩擦因数影响较大,载荷对磨损量的影响较大;海水环境下2205双相不锈钢和316不锈钢磨痕较浅,磨损机制为疲劳磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损的交互作用。     

尖晶石—硼玻璃陶瓷内衬钢管的研究

采用Fe2O3-Al Na2B4O7系铝热离心法制备了陶瓷内衬钢管。研究了Na2B47添加剂对自蔓延过程和陶瓷致密化的影响。在自蔓延过程中,作为稀释剂存在的Na2B4O7,降低燃烧温度和燃烧速度,增加了陶瓷中FeAl2O4含量;Na2B4O7添加剂形成了玻璃相,延长了陶瓷的熔融期,可显著改善陶瓷致密度和内表面光整度;Na2B4O7添加剂作为除锈剂,促使过渡金属与钢管纹。对陶瓷层孔隙率和组织结构进行了分析,结果表明：陶瓷层由大量铁铝尘晶石（FeAl2O4),少量刚玉（Al2O3）以及基体玻璃相组成,孔隙率为4．6％。     

Interface study by dual-beam FIB-TEM in a pressureless infiltrated Al(Mg)–Al2O3 interpenetrating composite

This paper considers the microstructures of an Al(Mg)–Al₂O₃ interpenetrating composite produced by a pressureless infiltration technique. It is well known that the governing principle in pressureless infiltration in Al–Al₂O₃ system is the wettability between the molten metal and the ceramic phase; however, the infiltration mechanism is still not well understood. The objective of this research was to observe the metal–ceramic interface to understand the infiltration mechanism better. The composite was produced using an Al-8 wt% Mg alloy and 15% dense alumina foams at 915°C in a flowing N₂ atmosphere. After infiltration, the composite was characterized by a series of techniques. Thin-film samples, specifically produced across the Al(Mg)–Al₂O₃ interface, were prepared using a dual-beam focussed ion beam and subsequently observed using transmission electron microscopy. XRD scan analysis shows that Mg₃N₂ formed in the foam at the molten alloy–ceramic infiltration front, whereas transmission electron microscopy analysis revealed that fine AlN grains formed at the metal–ceramic interface and MgAl₂O₄ and MgSi₂ grains formed at specific points. It is concluded that it is the reactions between Al, Mg and the N₂ atmosphere that improve the wettability between molten Al and Al₂O₃ and induce spontaneous infiltration.