多弧离子镀制备三元层状陶瓷Cr2AlC涂层及其性能研究

论文摘要

三元层状陶瓷Mn+1AXn相结合了金属和陶瓷的优异性能,具有潜在的广泛应用前景。而其中的Cr2AlC因为其优良的抗高温氧化和抗热腐蚀性能而受到人们的广泛关注。但是作为一种陶瓷材料,合成大尺寸的Cr2AlC还存在困难,限制了其实际的应用。而Cr2AlC涂层的制备对于克服块体材料制备上的限制,具有重要的实用价值。然而,目前对于Cr2AlC涂层,仅限于通过磁控溅射技术沉积制备,采用多弧离子镀技术沉积Cr2AlC涂层尚未有报道。本文以高温合金M38G为基体,采用多弧离子镀技术沉积了Cr2AlC涂层。利用XRD、SEM（EDS）、EPMA等分析检测手段,分析了涂层的微观组织、表面形貌、截面结构、元素成分。采用维氏硬度计、ROMULUS IV拉脱实验仪研究了涂层的硬度,膜-基结合强度等力学性能。通过恒温氧化和循环氧化研究了Cr2AlC涂层的抗高温氧化性。主要研究内容包括：（1）通过原位热压法制备了Cr2AlC靶材,经XRD分析,靶材为纯度很高的Cr2AlC相。采用Cr2AlC为阴极靶材,在高温合金M38G上沉积了Cr2AlC涂层。XRD分析表明室温下沉积得到的涂层为非晶态。（2）采用多弧离子镀制备Cr2AlC涂层的过程中,单个Cr2AlC靶材得到的涂层中存在较多的Al和C的缺位,因此需要通过同步补充Al和C元素来获得符合Cr2AlC计量比的涂层。（3）由于在室温下沉积得到的涂层为非晶态,因此我们采用对涂层进行退火处理的方法使其转变成晶态。结果表明,1000℃高真空下及850℃纯Ar气氛围中退火,涂层中Al会快速挥发掉,只能得到Cr-C化合物。而620℃Ar气氛下20h是较适宜的退火工艺,可以得到以Cr2AlC为主相的涂层。（4）对以Cr2AlC为主相的涂层的力学性能和抗高温氧化性进行了检测。结果表明涂层同基体间结合良好,膜-基交界处并没有出现涂层被掀起的形态,膜-基结合强度高达69MPa；同时,涂层表面大颗粒及Cr2Al金属化合物的存在,使涂层具有很高的硬度；氧化实验证明1000℃氧化初期,涂层的氧化增重高于未涂覆涂层基体的氧化增重。随着氧化的进行,涂层的氧化增重逐渐变缓慢,15次后低于基体氧化增重。这与涂层的微观结构有关。氧化初期,02沿着晶界快速氧化涂层,氧化增重明显变大。随着时间推移,涂层表面出生成一层致密的Cr203膜,阻止了O2内扩散,从而阻止了涂层进一步氧化,涂层的氧化增重曲线变平缓。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 涂层
• 1.1.1 硬质涂层
• 1.1.2 高温防护涂层
• 1.1.3 涂层的性能
• 1.1.4 涂层的制备技术
• 1.2 MAX相材料
• 1.2.1 MAX相简介
• 1.2.2 MAX性能特点
• 1.2.3 MAX相涂层的制备方法
• 2AlC MAX相'>1.3 Cr₂AlC MAX相
• 2AlC的结构'>1.3.1 Cr₂AlC的结构
• 2AlC的性能'>1.3.2 Cr₂AlC的性能
• 2AlC涂层研究现状'>1.3.3 Cr₂AlC涂层研究现状
• 1.4 本文的研究目的与内容
• 2AlC涂层制备与性能表征方法'>第2章 Cr₂AlC涂层制备与性能表征方法
• 2.1 基体材料
• 2AlC靶材的制备'>2.2 Cr₂AlC靶材的制备
• 2.3 涂层的制备
• 2.3.1 镀膜设备
• 2.3.2 涂层沉积
• 2.4 涂层的表征与性能测试技术
• 2.4.1 涂层显微组织形貌观察
• 2.4.2 涂层的相结构分析
• 2.4.3 涂层的成分分析
• 2.5 涂层的硬度测试
• 2.6 膜-基结合强度测试
• 2.7 涂层热处理
• 2AlC涂层制备工艺研究'>第3章 Cr₂AlC涂层制备工艺研究
• 3.1 预处理工艺
• 3.2 沉积工艺参数
• 2AlC靶材'>3.3 Cr₂AlC靶材
• 2AlC多弧靶沉积'>3.4 单个Cr₂AlC多弧靶沉积
• 3.4.1 沉积涂层的微观结构
• 3.4.2 退火处理对涂层微观结构的影响
• 3.5 磁控溅射Al靶补Al
• 3.5.1 涂层在真空炉1000℃退火
• 3.5.2 涂层950℃、850℃退火
• 3.5.3 850℃退火重复实验
• 2AlC靶、Al靶共沉积'>3.6 多弧Cr₂AlC靶、Al靶共沉积
• 3.6.1 涂层850℃退火
• 3.6.2 涂层620℃退火
• 2AlC、Al磁控溅射C'>3.7 多弧沉积Cr₂AlC、Al磁控溅射C
• 2AlC、Al-C靶'>3.8 多弧沉积Cr₂AlC、Al-C靶
• 3.9 本章小结
• 2AlC涂层性能检测'>第4章 Cr₂AlC涂层性能检测
• 4.1 膜-基结合强度
• 4.2 涂层硬度
• 4.3 涂层抗氧化性
• 4.3.1 恒温氧化实验
• 4.3.2 循环氧化实验
• 4.3.3 氧化结果讨论
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢