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EB-PVD沉积Si-C/YSZ复合涂层的微观结构与性能研究

作　者: 张慧星
导　师: 赫晓东
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: EB-PVD Si-C/YSZ涂层组织结构热震发射率
分类号: TG115.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

本文采用电子束物理气相沉积技术在高温Ni基合金Haynes214基体上以YSZ为过渡层制备了SiC涂层。首先,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和截面形貌;采用掠入射非对称X-射线衍射(GIAXD)和拉曼光谱仪(Raman)对涂层的组织结构进行了分析和讨论;详细分析了通过X-射线光电子谱得到的关于涂层元素组成以及化学键合的信息;进一步对经过真空退火的涂层进行了组织结构分析。另外设计了涂层的抗热震性能试验,表征了涂层的抗热震性能;采用傅立叶红外光谱仪测试了涂层的光谱发射率,并对结果进行了分析和讨论。形貌分析表明,YSZ层表面均匀致密,平均粗糙度为39nm;涂层厚度约为3μm,涂层与高温基体之间存在元素扩散。另外Raman和XPS结果定性地说明YSZ层内部出现了氧缺位现象。原位沉积使高辐射Si-C层与过渡层表面形貌几乎相同,并且表面沉积时间不同对表面形貌影响不显著。Raman结果表明涂层中含有非晶SiC、Si和石墨化C。XPS结果说明涂层表面含有Si、O、C元素,涂层以富C形式存在;除了C-Si键外,还含有大量的C-C键和少量Si-Si键。涂层处于完全化学有序和完全随机分布状态之间。经真空退火涂层从无序向有序化转变。涂层厚度对涂层的抗热震性能影响较大,薄的涂层抗热震性能优越。辐射性能测量结果显示,不同测量温度下涂层的平均光谱发射率在0.7-0.8之间。结合以往对Si-C辐射涂层的研究,表明Si-C涂层的临界厚度在0.5μm到1μm之间,即同时满足Si-C涂层的高辐射性能,又保证涂层与合金基体之间的结合性能。实测辐射率比理想SiC晶体低,是由于Si-C键含量以及所处物理状态不同造成的。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-23
  1.1 课题背景  8-9
  1.2 材料的结构、特性及应用前景  9-12
    1.2.1 SiC陶瓷  9-11
    1.2.2 YSZ陶瓷过渡层  11-12
  1.3 辐射性能研究  12-17
    1.3.1 辐射防热原理及特点  13-15
    1.3.2 辐射性能研究进展  15-16
    1.3.3 辐射性能测试方法  16-17
  1.4 涂层制备技术  17-22
    1.4.1 常用制备技术  17-18
    1.4.2 SiC涂层制备的热点问题  18-20
    1.4.3 电子束物理气相沉积技术  20-22
  1.5 本文研究的主要内容  22-23
第2章涂层制备与表征技术  23-34
  2.1 制备涂层  23-29
    2.1.1 试验设备简介  23-24
    2.1.2 试验材料  24-26
    2.1.3 试验方案  26-28
    2.1.4 涂层制备过程  28-29
  2.2 涂层结构性能测试  29-34
    2.2.1 扫面电子显微镜  30
    2.2.2 掠入射非对称X-射线衍射  30
    2.2.3 X射线光电子谱  30-31
    2.2.4 原子力显微镜分析  31
    2.2.5 拉曼光谱  31-32
    2.2.6 热震性能测试仪器  32
    2.2.7 辐射性能测试  32-34
第3章涂层组织形貌与结构成份分析  34-55
  3.1 单一YSZ层  34-37
  3.2 Si-C/YSZ涂层形貌  37-40
  3.3 Si-C/YSZ涂层结构成份分析  40-43
    3.3.1 掠入射X射线分析(GIAXD)  40-42
    3.3.2 拉曼光谱分析(Raman)  42-43
  3.4 Si-C/YSZ涂层X射线光电子谱(XPS)  43-50
    3.4.1 全谱分析  44-46
    3.4.2 元素窄扫描XPS谱  46-50
  3.5 Si-C/YSZ涂层退火后组织结构分析  50-53
    3.5.1 结构分析  51-52
    3.5.2 化学成分分析  52-53
  3.6 本章小结  53-55
第4章涂层性能分析  55-65
  4.1 抗热震性能表征  55-59
    4.1.1 热冲击法  55-56
    4.1.2 试验结果  56-58
    4.1.3 涂层失效分析  58-59
  4.2 涂层辐射性能  59-64
    4.2.1 测量Si-C涂层辐射率的标定与环境补偿方法  60-61
    4.2.2 涂层辐射率测量  61-63
    4.2.3 涂层发射率计算  63-64
  4.3 本章小结  64-65
结论  65-66
参考文献  66-70
攻读学位期间发表的学术论文  70-72
致谢  72

EB-PVD沉积Si-C/YSZ复合涂层的微观结构与性能研究

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