等离子渗法低温制备α-Al2O3薄膜及其性能研究

摘要

α-Al2O3涂层被认为是核聚变结构件表面阻氚渗透涂层的理想材料。但是，稳态α-Al2O3相变所需的高温（大于1000℃）会严重影响基体材料的机械性能。为了在低温下（580℃）制备α-Al2O3涂层，本课题同时引入高能离子轰击和α-Al2O3晶种添加两种途径。采用复合处理法，先采用双层辉光等离子渗金属技术在316L不锈钢表面制备含有不同含量α-Al2O3晶种的铝涂层，然后，通过等离子氧化，制备氧化铝涂层。此外，还探索了用加弧辉光等离子镀铝+等离子氧化的方法制备α-Al2O3涂层。
　　通过小角度X射线衍射（GAXRD）、X射线光电子能谱分析（XPS）及扫描电子显微镜（SEM）等研究涂层微观结构、化学成分及显微形貌。不仅优化了涂层制备的工艺参数还表征了涂层与基体间的结合力、耐摩擦磨损性能以及耐电化学腐蚀性能。进而分析了靶材中纳米α-Al2O3添加量对铝涂层的沉积、等离子氧化过程以及涂层性能的影响，得出主要结论如下：
　　首先，成功制备了α-Al2O3晶种弥散分布的铁铝化合物涂层。涂层均匀致密，形成FeAl3/FeAl/Fe3Al梯度结构，界面呈冶金结合，α-Al2O3均匀分布在涂层中。随着靶材中α-Al2O3含量的增加，所制备的涂层中α-Al2O3相对含量也增加。用α-Al2O3含量为20％的靶材制得到的涂层结合力最大，达到65.13 N。α-Al2O3颗粒的存在弥散强化了铝渗层，表现出较好的耐磨性。涂层的耐腐蚀性能与涂层中的α-Al2O3晶种含量成正比。
　　其次，含有晶种的铁铝化合物涂层经过等离子氧化得到了Al2O3涂层。涂层中除了存在γ-Al2O3、θ-Al2O3以及α-Fe2O3相之外，在580℃下成功得到了α-Al2O3相。用含有α-Al2O310%的靶材制备的氧化铝涂层，α-Al2O3相相对含量达65.54%，与纯铝涂层同条件氧化结果相比，α-Al2O3相含量增加10.34%。随铝涂层中晶种含量增多，其诱导作用有所减弱。涂层与基体间呈冶金结合，使用α-Al2O3含量为20%的靶材制备的氧化铝涂层和基体间结合力最大，达71.4N。使用含α-Al2O310%的靶材制备的氧化铝涂层展现出最小的磨损体积和最好的耐蚀性。
　　最后，为了加快铝涂层沉积速率，去除涂层表面的铁等杂质元素，采用加弧辉光等离子镀铝技术制备表面铝含量为100%的纳米晶铝涂层。在600℃下热处理+等离子氧化，得到α-Al2O3含量约60.24%的氧化铝涂层。涂层显示了优异的耐磨性能和耐腐蚀性能，摩擦系数（0.55）、磨损体积（5.28×106μm3）和自腐蚀电流（0.197μA?cm-2）均低于同等条件下双辉技术所制备的氧化铝涂层。

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图表清单

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2低温制备α-Al2O3涂层的研究进展

1.3 双辉技术及其研究现状

1.4 课题的意义、目的和技术路线

第二章 实验与方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3测试方法

第三章 含有Al2O3晶种的Al涂层的制备及表征

3.1 涂层制备工艺参数的优化

3.2 含Al2O3颗粒铝涂层的相组成和组织组成

3.3 含Al2O3颗粒铝涂层的表面形貌

3.4 含Al2O3颗粒铝涂层的性能研究

3.5 本章小结

第四章 含有Al2O3晶种Al涂层的等离子氧化及表征

4.1 等离子氧化工艺的确定

4.2 靶材中α-Al2O3含量对氧化铝涂层中相组成的影响

4.3 靶材中α-Al2O3含量对氧化铝涂层表面形貌的影响

4.4 靶材中α-Al2O3含量对氧化铝涂层性能的影响

4.5 晶种诱导氧化铝涂层形成的机理分析

4.6 本章小结

第五章 加弧辉光等离子镀Al2O3涂层的制备与表征

5.1引言

5.3 铝涂层的相组成和组织组成

5.5 氧化铝涂层的性能研究

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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