Al-Y-Si氧化物涂层与Al2O3-SiO2复合涂层的双辉技术制备与性能研究

摘要

在316L不锈钢表面制备的α-Al2O3涂层能起到良好的阻氚渗透作用，能否在低温下制备出高含量的α-Al2O3是其最终用作聚变堆包层防氚渗透涂层的关键。为此，本课题先在316L不锈钢表面通过双层辉光等离子渗金属技术制备 Al-Y-Si三元共渗铝化物涂层，然后，利用等离子氧化法制备氧化铝涂层。此外，为了提高 Al2O3涂层的综合性能，本文探索了用双辉等离子渗金属技术和等离子氧化法在316L不锈钢表面制备Al2O3-SiO2复合涂层的工艺。
　　利用正交试验优化了涂层制备的工艺参数，采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)、划痕仪、电化学工作站、热震试验等对涂层的组织结构和相关性能进行了表征，分析了靶材中稀土Y添加量对铝涂层的制备、等离子氧化以及涂层性能的影响。主要得出如下结论：
　　在580℃成功制备了Al-Y-Si共渗涂层。涂层均匀致密，涂层中Al、Fe等元素呈梯度分布，从涂层表面到内部的物相依次为FeAl3、FeAl、Fe3Al，涂层与基体间形成冶金结，Y和Si元素均匀分布在涂层中。用Y含量为10％的合金靶材制得的涂层结合力最大，达到69.2 N，其耐蚀性能也得到明显提高，涂层抗热震性能优异。
　　在580℃条件下，Al-Y-Si共渗涂层经过等离子氧化后制得Al2O3涂层。涂层中存在的物相主要为α-Al2O3、θ-Al2O3、γ-Al2O3以及α-Fe2O3相。用Y含量为10%的合金靶材制备的氧化铝涂层中α-Al2O3相的相对含量达65%，与相同条件下纯铝靶材制备的涂层相比，α-Al2O3相的相对含量增加了10%。涂层与基体间形成冶金结合，在不同Y含量的靶材中，Y含量为10%的合金靶材制备的氧化铝涂层和基体间结合力最大，达70.5 N，其耐腐蚀性能和抗热震性能也最佳。
　　利用双辉等离子渗的方法依次在316L不锈钢基体上制备铝和硅复合涂层，再经过等离子氧化制备Al2O3-SiO2复合涂层。涂层中主要含有方石英(SiO2)相和较少的α-Al2O3与γ-Al2O3相。通过对不同温度制备的涂层分析，结果表明500℃下制备的涂层连续致密，界面没有孔洞和裂纹等缺陷，涂层与基体结合良好，其结合力为66.8 N，涂层的耐腐蚀性和抗热震性能也最佳。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2双辉等离子渗金属技术

1.3 Y和Si元素应用研究进展

1.4课题研究意义和研究内容

第二章 实验方法

2.1实验材料

2.2双辉等离子渗设备

2.3测试方法

第三章 Al-Y-Si涂层的制备及表征

3.1铝化物涂层制备工艺的优化

3.2 Al-Y-Si涂层的相组成和组织组成

3.3 Al-Y-Si涂层的表面形貌

3.4 Al-Y-Si涂层的性能研究

3.5本章小结

第四章 Al-Y-Si涂层等离子氧化及表征

4.1等离子氧化工艺的确定

4.2靶材中Y含量对氧化铝涂层中相组成的影响

4.3靶材中Y含量对氧化铝涂层形貌的影响

4.4靶材中Y含量对氧化铝涂层性能的影响

4.5氧化铝涂层的生长过程中Y和Si的作用

4.6本章小结

第五章 Al2O3-SiO2复合涂层的制备及表征

5.1 SiO2涂层在金属防护方面的研究进展

5.2 Al2O3-SiO2复合涂层的制备

5.3 Al2O3-SiO2复合涂层的物相和组织组成

5.4 Al2O3-SiO2复合涂层的表面形貌

5.5 Al2O3-SiO2复合涂层的性能研究

5.6本章小结

第六章 结论与展望

6.1研究结论

6.2研究展望

参考文献

致谢

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