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《青岛滨海学院钛合金高温防护涂层研究取得进展》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2020-05-08

  • 材料腐蚀类国际顶级期刊《Corrosion Science》在线发表学术论文“The effect of Nb and Si on the hot corrosion behaviors of TiAl coatings on a Ti-6Al-4V alloy”，阐释了钛合金高温防护涂层在高温-腐蚀耦合作用下的损伤机制及多合金元素协同作用机理，青岛滨海学院博士戴景杰为第一作者和通讯作者，此文标志着钛合金高温防护涂层研究取得新进展。

    据介绍，钛合金因其具有质轻、高强及高温力学性能优异特性，是高推重比先进航空发动机压气机叶片首选材料。然而，钛合金抗高温氧化和热腐蚀性差，高温氧化环境下，必将造成钛合金压气机叶片因严重高温氧化和热腐蚀失效，降低发动机效率，造成严重事故。戴景杰博士团队在钛合金表面设计了系列高温防护涂层，并对涂层在800摄氏度下1000小时的循环高温氧化行为和800摄氏度下300小时的热腐蚀行为进行了研究，构建了涂层在高温氧化和热腐蚀行为下的损伤模型，阐明了涂层在高温-腐蚀耦合作用下的损伤机制及多合金元素的协同作用机理。

    戴景杰是山东省高等学校优势学科团队——青岛滨海学院“新金属功能材料研究团队”材料表面工程研究方向学术带头人。近年来，该团队在航空钛合金领域对耐磨蚀及高温防护涂层设计制备进行了卓有成效的研究，研究成果陆续刊发于《Corrosion Science》《Journal of Materials Processing Technology》《Journal of Alloys and Compounds》《Surface & Coatings Technology》等多家腐蚀与材料类国际知名期刊，受到国内外同行关注。其研究分别得到山东省自然科学基金项目(2018MEM009)、山东省高等学校青创科技计划项目（2019KJA022）、山东省高等学校优势学科人才团队培育计划项目的支持。

  • 原文来源：http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=569629
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  • 《金属与非晶碳的复合，海洋防护新进展！》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-11-06
    • 钢铁合金是海洋工程重大装备的关键支撑与结构材料，但在海洋复杂环境下，其运动部件面临严峻的磨损与腐蚀挑战。常规的有机防护涂料难以满足动态载荷的部件强韧抗磨蚀需求，采用物理气相沉积表面强化涂层材料，是解决上述问题的有效途径之一。 近期，中国科学院宁波材料所、中国科学院海洋新材料与应用技术重点实验室的先进碳基薄膜技术团队，聚焦具有优异力学、低摩擦润滑、良好化学惰性的非晶碳基涂层材料体系，在金属表面强化防护用PVD类石墨非晶碳（Graphite-like carbon, GLC）涂层材料方面取得系列进展。 首先，针对磁控溅射GLC涂层与钢材基体间结合力差的问题，团队基于前期研究建立的金属元素与碳的不同成键特征（J. Phys. Chem. C, 119 (2015) 6086，Thin Solid Films,607 (2016) 67），选择Cr、Ti、W作为三种强膜基结合的金属过渡层，对比研究了其对GLC涂层界面结构的催化行为和影响规律（ACS Appl. Mater. Interface 9 (2017) 41115）。发现，Cr、Ti、W过渡层均可导致界面处碳卷曲结构形成，诱导石墨化；但增加温度，sp2结构反向溶解和Ti-C键强稳定性导致石墨化含量降低，而Cr、W过渡层则呈现高温增加石墨化的催化功能。这不仅解释了Cr/GLC涂层中获得的导电耐腐蚀实验现象（发明专利，201611030648.9，201410727479.9，Surf. Coat. Technol. 307(2016) 374），也提供了一种金属催化非晶碳转变特殊结构碳材料的制备新思路。 最近，从Cr/GLC涂层材料体系入手，为提高海水环境中涂层的强韧耐磨性和抗腐蚀性能，团队进一步设计制备了不同调制周期、厚度比的复合结构涂层，并研究了其抗磨蚀性能的变化（ACS Appl. Mater. Interfaces 10 (2018) 13187, J. Mater. Sci. Technol. 34 (2018) 1273）。 研究发现，给定涂层总厚度时，减小调制周期，涂层的应力下降，硬度和韧性增加，耐磨蚀性能先增后降。其中，当调制周期为250nm时，涂层最大硬度达20.03±0.59GPa，韧性特征H3/E2为0.214。但是，过于减小调制周期，会导致涂层中顶层GLC厚度减小，进而由Mott-Schottky分析表明薄膜缺陷会增加，从而导致极化电阻减小，磨蚀性能变差。随后，团队提出了通过多层阻断腐蚀扩散通道、顶层加厚，实现功能层的复合结构设计，并成功获得了极化电阻大幅提高（1.1×107 cm2）、海水下磨损率低至2.3×10-8 mm3/Nm的优异抗磨蚀非晶碳复合涂层。结合复杂形状均匀沉积技术，有关涂层材料已初步在船舶液压马达的活塞、挺杆等部件上开展涂覆改性应用评价。 以上研究工作得到国家自然科学相关人才计划项目（51522106）、科技部重点研发计划项目（2017YFB0702303）和浙江省重大招标项目（2017C01001）的支持。
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  • 《宁波材料所在低温非外延制备MAX相涂层方面取得进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-03-07
    • Mn+1AXn相（MAX相）是一大类热力学稳定、具有密排六方结构的层状陶瓷材料。M代表前过渡金属（如Ti、V、Cr等）；A代表IIIA或IVA主族元素（如Al、Si等）；X代表C或N。MAX相的独特晶体结构由密堆的M6X八面体层和A原子层交互迭排组成，这一结构使其兼备金属和陶瓷的优良性能，如高导热、可机械加工、高弹性模量、抗氧化、耐腐蚀、抗辐照损伤等。因此，该类材料在复杂苛刻的服役工况下具有良好的应用前景。在事故容错燃料（ATF）系统的开发当中，MAX相已被视作一种新型的候选核燃料包壳材料。该方面的技术需求，随着2011年日本福岛核电站爆炸事故的发生，而日显迫切。 　　将MAX相PVD涂层涂覆在锆合金包壳管外，提高其事故容错能力，是当前ATF各类研究中的一种重要策略。在尽量不改变现有核电系统设计的前提下，它可以利用成熟的锆合金包壳管加工技术，具有研发周期短、相对经济等优势。然而，该方法的实施受制于缺乏合适的PVD技术实现高质量MAX相涂层的制备，尤其是低温非外延制备技术。PVD的过程往往极端远离热力学平衡态，沉积原子的冷却速度极快，因此通常导致难以形成晶体学上较为有序的结构；而对于晶体结构复杂、中间竞争相众多的MAX相而言，PVD制备技术的困难则为更大。在国内外过去15年的研究中，对于有重要核用前景的Ti2AlC和V2AlC体系，都是采用高温外延或沉积后高温退火技术制备MAX相涂层，研究集中于结构表征或基本物性的测量，针对锆合金防护应用的基础研究极少（图1）。 　　近期，宁波材料所核能材料工程实验室（筹）的研究人员，运用自主研发的高离子化磁控溅射技术，成功实现了低温非外延制备晶态V2AlC和Ti2AlC涂层（图2）。通过引入高束流低能离子辐照，首次在锆合金、氧化硅、玻璃等基底上低温（600°C）制备V2AlC和Ti2AlC晶态涂层（晶态成分含量>90%）。Mn+1AXn相晶粒在膜基界面处随机成核，通过竞争性生长形成（110）择优取向的涂层（图3）。通过利用核反应过程中十分常见的嬗变元素He作为入射离子，并对辐照后样品进行微观分析，发现He离子更易于在涂层/基体界面处聚集并且形成He泡。V2AlC涂层沿着生长方向具有特殊的梯度结构：在靠近基体表面附近的晶粒小，界面多，远离表面的区域晶粒逐渐变大，这种梯度结构分布可防止He泡的过度聚集、长大（图4）。通过“低温非外延一步法”，可摆脱晶态Mn+1AXn相涂层对单晶外延基底和高温工艺的依赖，促进了Mn+1AXn相涂层在锆合金包壳管上的实际应用。辐照损伤研究则为锆合金包壳管表面防护涂层的开发提供了最直接的参考数据。 　　本项目受到国家自然科学基金（91226202、91426304）和中国科学院先导专项（XDA 02040105、XDA03010305）的资助；相关结果发表在涂层领域的主流材料期刊Scripta Materialia和Vacuum上（Scripta Materialia 137 (2017) 13-17, Vacuum 146 (2017) 106-110）。
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