合金元素Y及离子轰击对α-Al2O3涂层的影响.pdf

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
The Graduate School
College of Materials Science and Technology


The Influence of Alloy Element Y and Ion
Bombardment on α-Al2O3 Coatings




A Thesis in

Materials Processing Engineering

by

Zhang Yunlu

Advised by

Associate Professor Luo Xinyi

Submitted in Partial Fulfillment

of the Requirements

for the Degree of

Master of Engineering





March, 2012
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承诺书

本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,
独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明
引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著
作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人
和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复
印件,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分
内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复
制手段保存论文。
(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)




作者签名:
日期:
6
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
低温条件下在结构材料表面制备高含量的α-Al2O3 防氚渗透涂层是聚变堆包层技术发展中
的难题。为此,本文提出采用磁控溅射技术在 316L 不锈钢表面制备 Al-Y 涂层并对其进行氧化
获得α-Al2O3 涂层,研究稀土元素 Y 和离子轰击对α-Al2O3 涂层组织结构及性能的影响,对低
温下制备性能优异的高含量α-Al2O3 防氚渗透涂层具有重要的意义。
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本文利用磁控溅射技术在 316L 不锈钢表面制备 Al-Y 涂层,并经过 L16(4 )正交试验,得到
优化的工艺参数为:溅射功率 300w,溅射时间 3h,溅射气压 5pa。在该工艺参数下制备的 Al-Y
涂层表面平整光滑,均匀致密,为连续的非晶态薄膜。随后对磁控溅射 Al-Y 涂层分别进行等
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离子氧化和热氧化,经过 L9(3 )正交试验获得的等离子氧化优化的工艺参数为:温度 800℃,氧
气流量 m,渗氧时间 3h,氩气流量 m,电压 830V~840V,电流 ~,气压 55 Pa;
而热氧化温度为 900℃,其他参数与等离子氧化参数一致。磁控溅射 Al-Y 涂层经等离子氧化和
热氧化后均有稳态α-Al2O3 生成。
研究了氧化过程中离子轰击对α-Al2O3 涂层组织结构及性能的影响。发现同样条件下磁控
溅射所获得的涂层经 800℃等离子氧化后比 900℃热氧化后表面稳态α-Al2O3 含量更高,因离子
轰击是一种活化过程,在这个过程中会产生很多的晶体缺陷,这些缺陷能储备一定的能量,在
一定温度下能量释放,可以抵消部分反应能垒,促进稳态α-Al2O3 的形成。同时,离子轰击还
可使氧化涂层组织更加细密,结合性能、耐腐蚀性能和抗热震性能更好。
研究了稀土元素 Y 对α-Al2O3 涂层组织结构及性能的影响。XRD 测试结果表明,不同含 Y
量的氧化涂层中α-Al2O3 含量不同,其中含 30%Y 元素靶材磁控溅射 Al-Y 涂层经氧化后稳态
α-Al2O3 含量较高,这可能是当添加适量稀土元素 Y 时,在氧化初期形成了 Y 的氧化物质点,
这些质点可以为 Al 元素直接形成稳定的α-Al2O3 相提供形核点,促进了稳态α-Al2O3 的择优生
成。SEM 观察发现,适量 Y 元素的加入可细化α-Al2O3 涂层组织,使涂层表面组织更加均匀、
致密。此外,热震试验、划痕法和电化学测试结果表明,适量的 Y 元素的加入还可提高涂层的
结合性能、抗热震性能和耐腐蚀性能。

关键词:磁控溅射,Al-Y 涂层,等离子氧化,热氧化,α-Al2O3 含量,结合力,耐蚀性
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合金元素 Y 及离子轰击对α-Al2O3 涂层的影响
Abstract
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