TPS外表层ZrO2功能涂层的EB-PVD工艺方法研究

论文摘要

本文采用物理气相沉积法在不锈钢基体上制备了氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷涂层。利用X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪（XPS）对涂层的相结构及涂层的化学成分进行了分析和讨论;利用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）分别观察了涂层的表面形貌;详细讨论和分析基于掠入射X射线分析（GIXA）技术分析涂层的残余应力的测量方法;基于涂层残余应力计算的理论模型对涂层热应力进行计算;使用纳米压痕试验测量和分析了不同厚度涂层的纳米硬度和弹性模量;设计了涂层的抗热震试验方案,并表征了涂层的抗热震性能;使用辐射计法测量涂层表面的热发射率。XRD研究结果表明,利用EB-PVD法制备的氧化锆涂层为四方相氧化锆,并不同程度存在织构现象,随着基体温度的升高,涂层中的晶粒尺寸在逐渐长大。SEM及AFM观察表明,涂层表面的小颗粒为柱状晶的上表面,涂层表面的粗糙度随着靶基距的升高而变小。XPS表面分析表明,涂层表面Zr-O结合态为Zr4+,而涂层内部存在少量的缺氧现象。残余应力分析表明,涂层内部残余应力为压应力,压应力主要来源涂层制备过程中的热应力。纳米压痕试验结果表明,涂层的硬度及弹性模量与涂层厚度相关,涂层厚度越小,涂层与基体的变形协调能力越好,涂层的膜基结合越好。涂层的抗热震性能研究表明,涂层的抗热震能力随涂层的厚度变小,涂层的抗热震性能将低,但利于提高涂层的抗冲刷能力。热发射率测量结果显示,有涂层的不锈钢表面比无涂层不锈钢表面的热发射率有所提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 陶瓷涂层材料的选择及制备技术
• 1.2.1 涂层材料的选择
• 1.2.2 EB-PVD制备技术
• 1.3 薄膜的生长
• 1.3.1 表面形核与生长
• 1.3.2 薄膜的生长
• 1.4 EB-PVD涂层中的内应力
• 1.4.1 内应力的分类及与结构的关系
• 1.4.2 涂层内应力的测量方法
• 1.5 本文主要研究内容
• 2涂层的制备及试验方法'>第2章 ZrO₂涂层的制备及试验方法
• 2.1 引言
• 2.2 电子束物理气相沉积（EB-PVD）设备的简介
• 2.3 EB-PVD氧化锆涂层的制备过程
• 2.4 涂层制备方案设计
• 2.4.1 蒸发源材料
• 2.4.2 涂层制备工艺参数的确定
• 2.5 研究方法
• 2.5.1 X射线衍射分析
• 2.5.2 X射线光电子能谱分析
• 2.5.3 原子力显微镜观察
• 2.5.4 显微组织扫描电子显微镜观察
• 2.5.5 涂层纳米硬度的测定
• 2.5.6 涂层的抗热震性能试验
• 2.5.7 涂层热辐射特性试验
• 2涂层结构分析'>第3章 EB-PVD沉积ZrO₂涂层结构分析
• 3.1 引言
• 3.2 涂层的物相分析
• 3.2.1 XRD试验结果
• 3.2.2 基体温度对涂层结晶的影响
• 3.3 涂层的形貌观察
• 3.4 涂层表面XPS分析
• 3.5 本章小结
• 2涂层残余应力分析'>第4章 ZrO₂涂层残余应力分析
• 4.1 引言
• 4.2 涂层残余应力的掠入射测量方法
• 4.3 残余应力测试结果
• 4.4 热残余应力的计算
• 4.4.1 计算模型
• 4.4.2 计算结果及分析
• 4.5 本章小节
• 2涂层的性能研究'>第5章 ZrO₂涂层的性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 涂层的力学性能
• 5.2.1 涂层力学性能表征和评价
• 5.2.2 涂层弹性模量和硬度的测定
• 5.3 涂层的抗热震性能
• 5.3.1 抗热震性能试验
• 5.3.2 涂层热弹性形变应力
• 5.3.3 热应力引起涂层产生裂纹
• 5.4 涂层热辐射性能
• 5.4.1 热辐射在热防护系统中的作用
• 5.4.2 涂层表面热发射率定性比较
• 5.4.3 热发射率的测量
• 5.4.4 影响材料热辐射性能的因素
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理
• 致谢