多因素耦合作用下α-Al2O3阻氚涂層形成規(guī)律及機理研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、在316L不銹鋼表面涂覆一定厚度的陶瓷阻氚涂層是目前開發(fā)聚變能的關鍵科學與技術問題之一。眾多陶瓷涂層中,α-Al2O3由于其具有較低的氚滲透率成為當前阻氚涂層研究重點。但穩(wěn)態(tài)α-Al2O3相變所需的高溫(大于1000℃)會嚴重影響基體材料的機械性能。本課題提出了低溫下(580℃)采用雙輝等離子滲金屬技術在316L不銹鋼表面制備Fe-Al/α-Al2O3涂層,形成的Fe-Al過渡層可以提高涂層與基體的結合強度。同時,通過引入α-Al2O3

2、晶種及稀土元素Y來降低α-Al2O3涂層的形成溫度。
  利用掠射角X射線衍射儀(GAXRD)、場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、能譜儀(EDS)、X射線光電子能譜儀(XPS)及場發(fā)射透射電鏡(FETEM)等分別對涂層相組成、組織結構和微觀形貌行了表征,研究了α-Al2O3涂層的生長機理,探討了單因素(離子轟擊)、雙因素(離子轟擊、添加α-Al2O3晶種)及多因素耦合作用下(離子轟擊、添加α-Al2O3晶種和稀土元素Y)對α-Al2O

3、3的誘導機理,最后研究不同因素對氧化涂層的結合力、硬度、耐磨性能和耐腐蝕性能的影響,對比分析了摻雜α-Al2O3晶種及共摻雜α-Al2O3晶種與稀土元素Y制備的氧化涂層的阻氘滲透性能。論文的主要研究成果有:
  1)通過計算機模擬與實驗相結合的方法研究了O2-在Al涂層中的擴散機理,研究表明,實驗結果與SRIM軟件模擬的O2-離子在Al涂層中的分布情況相吻合,高能O2-離子可以擴散到涂層的內(nèi)部。進一步通過分子動力學模擬O2-離子在

4、涂層中的擴散機理,結果表明,涂層中形成的空位促進了O2-離子的擴散。利用雙輝等離子滲金屬技術在純鐵表面制備了Al涂層,通過擴散形成Fe-Al間隙化合物,在580oC下對涂層進行了等離子氧化。研究表明,在實驗初始階段,由于濺射和重濺射及沉積的同時發(fā)生,F(xiàn)eAl和Fe3Al很容易在界面處產(chǎn)生;隨著雙陰極電壓的穩(wěn)定,沉積和擴散占主導地位,這導致了Al與Fe之間形成了相互擴散。尤其是離子轟擊下空位的形成,促使了擴散速率更快。最終形成的涂層是由很

5、多納米晶組成的,通過 FETEM測試發(fā)現(xiàn),涂層中存在大量的缺陷,如空位、位錯和晶界。正是由于這些缺陷的存在,為O2-離子的擴散提供了快速通道,在等離子氧化后,氧化涂層中的相主要為α-Al2O3,γ-Al2O3和Fe2O3;此外,由于Fe和Al的本征擴散系數(shù)不同產(chǎn)生了柯肯達爾效應,在氧化涂層中形成了大量的孔洞,這些孔洞被一些氧化物所填充。
  2)為了在316L不銹鋼表面獲得較厚且均勻致密的α-Al2O3涂層,采用正交實驗分析了雙輝

6、等離子技術沉積參數(shù)——源極電壓、工件極電壓、工作氣壓及極間距對涂層厚度的影響規(guī)律。結果表明極間距對沉積涂層的厚度影響最大;在最優(yōu)工藝參數(shù)下制備的涂層致密未發(fā)現(xiàn)任何裂紋與缺陷,厚度約為11.6μm。氧流量對涂層結構及性能的影響表明,隨著氧流量的增加促進了α-Al2O3的形成;FETEM研究發(fā)現(xiàn),沉積的涂層氧化前有α-Al2O3晶種的存在,形成的Fe-Al間隙化合物依附在晶種上,等離子氧化后,在高能離子轟擊及α-Al2O3晶種的誘導下,涂層

7、表面為純的α-Al2O3,而內(nèi)層主相為α-Al2O3并含有少量γ-Al2O3相。涂層中的α-Al2O3晶種為α-Al2O3的形成提高更多的形核點,而離子轟擊為表面的涂層提供更多的能量,促使α-Al2O3形成溫度降低了。由于Fe和Al的擴散形成了間隙化合物相,涂層最終結構為 SS/FeAl/(Al2O3+Fe2O3)/Al2O3,這一結構可以避免基體與沉積涂層因為熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生裂紋。
  3)在引入α-Al2O3晶種的基礎上

8、,通過添加稀土元素Y研究多因素耦合作用對α-Al2O3涂層的形成規(guī)律的影響。通過FETEM研究發(fā)現(xiàn),Y在涂層中是不連續(xù)分布的,主要集中在涂層的晶界處;在等離子氧化下,Y被氧化形成了Y2O3;在等離子轟擊、α-Al2O3晶種及稀土元素Y多因素耦合作用下,AlYα氧化涂層中存在大量α-Al2O3。
  4)隨著Y元素的加入,涂層的結合力有所提高。AlYα氧化涂層和Alα氧化涂層腐蝕電流比316L不銹鋼基體降低了近3個數(shù)量級;600℃下

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