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等離子物理氣相沉積硅酸鐿涂層&高性能鐵基非晶合金

2019-04-28 15:03:30 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：4月24日博士宣講會(huì) 分享至：

等離子物理氣相沉積硅酸鐿涂層的制備及其抗氧化腐蝕性能

研究主講人：肖杰博士

導(dǎo)師：徐惠彬院士

傳統(tǒng)鎳基單晶高溫合金最高使用溫度1150℃，無(wú)法滿足一些特定應(yīng)用場(chǎng)合下更高的需求，因此必須開(kāi)發(fā)出具有更高溫度能力的新型高溫結(jié)構(gòu)材料，以Si3N4、C/SiC、SiC/SiC為代表的陶瓷基復(fù)合材料（Ceramic Matrix Composite，CMC）因?yàn)樵诟邷丨h(huán)境下表現(xiàn)出高比強(qiáng)度、高比模量、低膨脹系數(shù)、抗燒蝕性以及抗蠕變性而成為下一代耐高溫部件的理想材料。

在高溫干燥的環(huán)境中，SiC基復(fù)合材料表面在氧氣的作用下生成一層穩(wěn)定且致密的SiO2薄膜保護(hù)層，抑制它的進(jìn)一步氧化。然而在發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境中，燃油燃燒產(chǎn)生水蒸氣與CMC表面SiO2發(fā)生反應(yīng)形成氣態(tài)Si（OH）4，表面氧化層快速揮發(fā)，CMC基體尺寸呈線性減小，使用涂層-環(huán)境障涂層來(lái)阻擋燃?xì)夂突w的接觸可以提高陶瓷基復(fù)合材料壽命和抗水汽腐蝕能力。

第一代環(huán)境障涂層：主要指以莫來(lái)石（3Al2O3·2SiO2）為主的涂層體系，第一代環(huán)境障涂層的缺點(diǎn)在于，由于莫來(lái)石具有較高的SiO2活度（約0.4），在高溫燃?xì)猸h(huán)境下會(huì)同基體一樣發(fā)生水汽腐蝕，生成氣態(tài)Si（OH）4并留下多孔的Al2O3層造成涂層的失效。針對(duì)這一問(wèn)題，NASA小組利用Y2O3摻雜的ZrO2（YSZ）涂覆在莫來(lái)石表面，形成莫來(lái)石/YSZ面層的環(huán)境障涂層體系。YSZ可以有效防護(hù)莫來(lái)石的水汽腐蝕，但面層與莫來(lái)石層熱膨脹系數(shù)的不匹配造成了涂層的開(kāi)裂失效。

第二代：NASA研發(fā)了一種以Si粘結(jié)層、莫來(lái)石+BSAS中間層以及BSAS面層（成分：1-xBaO-xSrO-Al2O3-2SiO2）組成的多層環(huán)境障涂層結(jié)構(gòu)。其中粘結(jié)層Si起到增強(qiáng)與基體間結(jié)合力的作用，中間層起到抗高溫氧化、水汽腐蝕和成分過(guò)渡的作用，面層BSAS的熱膨脹系數(shù)與莫來(lái)石匹配較好，且具有較低的彈性模量，盡量減少了涂層在使用過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力，有效防止了中間層SiO2的揮發(fā)。第二代環(huán)境障涂層存在的最大問(wèn)題是BSAS面層在高溫氣流中的大量揮發(fā)，導(dǎo)致使用溫度較低（不超過(guò)1400℃）；同時(shí)，粘結(jié)層Si氧化形成的SiO2與BSAS反應(yīng)生成低熔點(diǎn)玻璃相，使涂層過(guò)早失效。

第三代環(huán)境障涂層：使用新型面層材料來(lái)代替BSAS。而Yb2SiO5因其熱膨脹系數(shù)與莫來(lái)石非常接近，熱導(dǎo)率較低，高溫下沒(méi)有相變反應(yīng)，成為國(guó)內(nèi)外環(huán)境障涂層面層材料研究的熱點(diǎn)之一。

先進(jìn)制備技術(shù)是獲得高性能EBCs的保障，目前采用的方法主要有等離子噴涂（APS，LPPS，VPS，SPPS）和電子束物理氣相沉積（EB-PVD）。其中，APS制備Yb2SiO5或Yb2Si2O7過(guò)程中不可避免地出現(xiàn)雙相面層結(jié)構(gòu)，噴涂時(shí)液化粒子中SiO2的平衡蒸氣壓最高，造成SiO2的大量揮發(fā)，致密性差。PS-PVD制備過(guò)程中，等離子射流在軸向和徑向上發(fā)生大尺度膨脹，可以形成大面積均勻沉積，PS-PVD噴涂區(qū)域可達(dá)到常規(guī)噴涂區(qū)域100倍以上，在不同位置的射流中可以實(shí)現(xiàn)液、固、氣多相的快速?gòu)?fù)合沉積，PS-PVD為制備長(zhǎng)壽命高致密性涂層提供了可能。

肖杰博士在自己的研究中發(fā)現(xiàn)PS-PVD兼具EB-PVD和APS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，為制備長(zhǎng)壽命高致密性涂層提供了可能；PS-PVD高功率（65KW）制備Yb2SiO5涂層以氣相沉積為主，呈準(zhǔn)柱狀結(jié)構(gòu)，退火后，涂層主要為硅酸焦鐿且富硅相含量較高；低功率（40KW）以液相沉積為主，呈層狀結(jié)構(gòu)，退火后，涂層主要為硅酸鐿和硅酸焦鐿的混合物，且形成了少量的富硅相和富鐿相；1300℃大氣氧化和1100℃水汽（90%H2O）腐蝕100h后，涂層均完好無(wú)剝落，說(shuō)明PS-PVD制備Yb2SiO5涂層具有良好的抗高溫氧化和水汽腐蝕性能。

高性能鐵基非晶合金軟磁性能研究

主講人：史植廣博士

導(dǎo) 師：張濤教授

非晶合金，又稱為金屬玻璃，它是20世紀(jì)70年代問(wèn)世的一種新型材料，是利用急冷技術(shù)，將鋼液一次成型為厚度為30微米的薄帶，得到的固體合金（薄帶）是不同于冷軋硅鋼材料中原子規(guī)則排列的晶體結(jié)構(gòu)，正是這種合金其原子處于無(wú)規(guī)則排列的非晶體結(jié)構(gòu)，使其具有狹窄的B-H回路，具有高導(dǎo)磁性和低損耗的特點(diǎn)；同時(shí)非晶合金原子排列的不規(guī)則限制了電子的自由通行導(dǎo)致電阻率比晶體合金高出2-3倍，這樣也有利于減少渦流損耗。因此，鐵基非晶合金具有優(yōu)異的軟磁性能（高飽和磁化強(qiáng)度、低的矯頑力、高磁導(dǎo)率、低損耗）、高強(qiáng)度以及優(yōu)異的耐腐蝕性能三大特性。鐵基非晶被廣泛的用于開(kāi)關(guān)電源、變壓器鐵芯、磁粉芯以及磁屏蔽材料中。

以非晶合金為原料制成的變壓器鐵心，其空載損耗與采用硅鋼片的傳統(tǒng)變壓器相比，減少了75%左右，使非晶合金變壓器具有十分顯著地節(jié)能和環(huán)保效果，當(dāng)非晶合金變壓器鐵心用于油浸變壓器時(shí)，可明顯減排多種有害氣體。所以，越來(lái)越多的生產(chǎn)廠商采用非晶合金來(lái)作為變壓器鐵心的原材料。