合金元素Y及离子轰击对α-Al2O3涂层的影响

摘要

低温条件下在结构材料表面制备高含量的α-Al2O3防氚渗透涂层是聚变堆包层技术发展中的难题。为此，本文提出采用磁控溅射技术在316L不锈钢表面制备Al-Y涂层并对其进行氧化获得α-Al2O3涂层，研究稀土元素Y和离子轰击对α-Al2O3涂层组织结构及性能的影响，对低温下制备性能优异的高含量α-Al2O3防氚渗透涂层具有重要的意义。
　　本文利用磁控溅射技术在316L不锈钢表面制备Al-Y涂层，并经过L16(43)正交试验，得到优化的工艺参数为：溅射功率300w，溅射时间3h，溅射气压5pa。在该工艺参数下制备的Al-Y涂层表面平整光滑，均匀致密，为连续的非晶态薄膜。随后对磁控溅射Al-Y涂层分别进行等离子氧化和热氧化，经过L9(34)正交试验获得的等离子氧化优化的工艺参数为：温度800℃，氧气流量50sccm，渗氧时间3h，氩气流量50sccm，电压830V~840V，电流4.0~4.5A，气压55Pa；而热氧化温度为900℃，其他参数与等离子氧化参数一致。磁控溅射Al-Y涂层经等离子氧化和热氧化后均有稳态α-Al2O3生成。
　　研究了氧化过程中离子轰击对α-Al2O3涂层组织结构及性能的影响。发现同样条件下磁控溅射所获得的涂层经800℃等离子氧化后比900℃热氧化后表面稳态α-Al2O3含量更高，因离子轰击是一种活化过程，在这个过程中会产生很多的晶体缺陷，这些缺陷能储备一定的能量，在一定温度下能量释放，可以抵消部分反应能垒，促进稳态α-Al2O3的形成。同时，离子轰击还可使氧化涂层组织更加细密，结合性能、耐腐蚀性能和抗热震性能更好。
　　研究了稀土元素Y对α-Al2O3涂层组织结构及性能的影响。XRD测试结果表明，不同含Y量的氧化涂层中α-Al2O3含量不同，其中含30％Y元素靶材磁控溅射Al-Y涂层经氧化后稳态α-Al2O3含量较高，这可能是当添加适量稀土元素Y时，在氧化初期形成了Y的氧化物质点，这些质点可以为Al元素直接形成稳定的α-Al2O3相提供形核点，促进了稳态α-Al2O3的择优生成。SEM观察发现，适量Y元素的加入可细化α-Al2O3涂层组织，使涂层表面组织更加均匀、致密。此外，热震试验、划痕法和电化学测试结果表明，适量的Y元素的加入还可提高涂层的结合性能、抗热震性能和耐腐蚀性能。

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图表清单

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 磁控溅射技术

1.3 稀土元素在涂层中的应用研究

1.4 本文研究意义和研究内容

第二章 试验过程及研究方法

2.1 Al-Y涂层的制备

2.2 磁控溅射Al-Y涂层的氧化

2.3 组织结构与性能测试方法

第三章 离子轰击对316L不锈钢表面α-Al2O3涂层的影响研究

3.1 磁控溅射Al-Y涂层的制备及表征

3.2 磁控溅射Al-Y涂层的氧化研究

3.3 离子轰击对α-Al2O3涂层组织结构及性能的影响

3.4 本章小结

第四章 Y对316L不锈钢表面α-Al2O3涂层的影响研究

4.1 Y对等离子氧化涂层的影响

4.2 Y 对热氧化涂层的影响

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

参考文献

致谢

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