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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：本網整理來源：4月24日博士宣講會分享至：

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

導師：徐惠彬院士

傳統鎳基單晶高溫合金最高使用溫度1150℃，無法滿足一些特定應用場合下更高的需求，因此必須開發出具有更高溫度能力的新型高溫結構材料，以Si3N4、C/SiC、SiC/SiC為代表的陶瓷基復合材料（Ceramic Matrix Composite，CMC）因為在高溫環境下表現出高比強度、高比模量、低膨脹系數、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。

在高溫干燥的環境中，SiC基復合材料表面在氧氣的作用下生成一層穩定且致密的SiO2薄膜保護層，抑制它的進一步氧化。然而在發動機的實際工作環境中，燃油燃燒產生水蒸氣與CMC表面SiO2發生反應形成氣態Si（OH）4，表面氧化層快速揮發，CMC基體尺寸呈線性減小，使用涂層-環境障涂層來阻擋燃氣和基體的接觸可以提高陶瓷基復合材料壽命和抗水汽腐蝕能力。

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

第二代：NASA研發了一種以Si粘結層、莫來石+BSAS中間層以及BSAS面層（成分：1-xBaO-xSrO-Al2O3-2SiO2）組成的多層環境障涂層結構。其中粘結層Si起到增強與基體間結合力的作用，中間層起到抗高溫氧化、水汽腐蝕和成分過渡的作用，面層BSAS的熱膨脹系數與莫來石匹配較好，且具有較低的彈性模量，盡量減少了涂層在使用過程中的內應力，有效防止了中間層SiO2的揮發。第二代環境障涂層存在的最大問題是BSAS面層在高溫氣流中的大量揮發，導致使用溫度較低（不超過1400℃）；同時，粘結層Si氧化形成的SiO2與BSAS反應生成低熔點玻璃相，使涂層過早失效。

第三代環境障涂層：使用新型面層材料來代替BSAS。而Yb2SiO5因其熱膨脹系數與莫來石非常接近，熱導率較低，高溫下沒有相變反應，成為國內外環境障涂層面層材料研究的熱點之一。

先進制備技術是獲得高性能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過程中不可避免地出現雙相面層結構，噴涂時液化粒子中SiO2的平衡蒸氣壓最高，造成SiO2的大量揮發，致密性差。PS-PVD制備過程中，等離子射流在軸向和徑向上發生大尺度膨脹，可以形成大面積均勻沉積，PS-PVD噴涂區域可達到常規噴涂區域100倍以上，在不同位置的射流中可以實現液、固、氣多相的快速復合沉積，PS-PVD為制備長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現PS-PVD兼具EB-PVD和APS技術的優點，為制備長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，呈準柱狀結構，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，呈層狀結構，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，涂層均完好無剝落，說明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

導師：張濤教授

非晶合金，又稱為金屬玻璃，它是20世紀70年代問世的一種新型材料，是利用急冷技術，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則排列的晶體結構，正是這種合金其原子處于無規則排列的非晶體結構，使其具有狹窄的B-H回路，具有高導磁性和低損耗的特點；同時非晶合金原子排列的不規則限制了電子的自由通行導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異的軟磁性能（高飽和磁化強度、低的矯頑力、高磁導率、低損耗）、高強度以及優異的耐腐蝕性能三大特性。鐵基非晶被廣泛的用于開關電源、變壓器鐵芯、磁粉芯以及磁屏蔽材料中。