博材多识等离子物理气相沉积硅酸镱涂层

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等离子物理气相沉积硅酸镱涂层的制备

及其抗氧化腐蚀性能研究

主讲人：肖杰博士

导师：徐惠彬院士

传统镍基单晶高温合金最高使用温度℃，无法满足一些特定应用场合下更高的需求，因此必须开发出具有更高温度能力的新型高温结构材料，以Si3N4、C/SiC、SiC/SiC为代表的陶瓷基复合材料(CeramicMatrixComposite，CMC)因为在高温环境下表现出高比强度、高比模量、低膨胀系数、抗烧蚀性以及抗蠕变性而成为下一代耐高温部件的理想材料。

在高温干燥的环境中，SiC基复合材料表面在氧气的作用下生成一层稳定且致密的SiO2薄膜保护层，抑制它的进一步氧化。然而在发动机的实际工作环境中，燃油燃烧产生水蒸气与CMC表面SiO2发生反应形成气态Si(OH)4，表面氧化层快速挥发，CMC基体尺寸呈线性减小，使用涂层-环境障涂层来阻挡燃气和基体的接触可以提高陶瓷基复合材料寿命和抗水汽腐蚀能力。

第一代环境障涂层：主要指以莫来石（3Al2O3·2SiO2）为主的涂层体系，第一代环境障涂层的缺点在于，由于莫来石具有较高的SiO2活度（约0.4），在高温燃气环境下会同基体一样发生水汽腐蚀，生成气态Si(OH)4并留下多孔的Al2O3层造成涂层的失效。针对这一问题，NASA小组利用Y2O3掺杂的ZrO2(YSZ)涂覆在莫来石表面，形成莫来石/YSZ面层的环境障涂层体系。YSZ可以有效防护莫来石的水汽腐蚀，但面层与莫来石层热膨胀系数的不匹配造成了涂层的开裂失效。

第二代：NASA研发了一种以Si粘结层、莫来石+BSAS中间层以及BSAS面层（成分：1-xBaO-xSrO-Al2O3-2SiO2）组成的多层环境障涂层结构。其中粘结层Si起到增强与基体间结合力的作用，中间层起到抗高温氧化、水汽腐蚀和成分过渡的作用，面层BSAS的热膨胀系数与莫来石匹配较好，且具有较低的弹性模量，尽量减少了涂层在使用过程中的内应力，有效防止了中间层SiO2的挥发。第二代环境障涂层存在的最大问题是BSAS面层在高温气流中的大量挥发，导致使用温度较低（不超过℃）；同时，粘结层Si氧化形成的SiO2与BSAS反应生成低熔点玻璃相，使涂层过早失效。

第三代环境障涂层：使用新型面层材料来代替BSAS。而Yb2SiO5因其热膨胀系数与莫来石非常接近，热导率较低，高温下没有相变反应，成为国内外环境障涂层面层材料研究的热点之一。

先进制备技术是获得高性能EBCs的保障，目前采用的方法主要有等离子喷涂（APS，LPPS，VPS，SPPS）和电子束物理气相沉积（EB-PVD）。其中，APS制备Yb2SiO5或Yb2Si2O7过程中不可避免地出现双相面层结构，喷涂时液化粒子中SiO2的平衡蒸气压最高，造成SiO2的大量挥发，致密性差。PS-PVD制备过程中，等离子射流在轴向和径向上发生大尺度膨胀，可以形成大面积均匀沉积，PS-PVD喷涂区域可达到常规喷涂区域倍以上，在不同位置的射流中可以实现液、固、气多相的快速复合沉积，PS-PVD为制备长寿命高致密性涂层提供了可能。

肖杰博士在自己的研究中发现PS-PVD兼具EB-PVD和APS技术的优点，为制备长寿命高致密性涂层提供了可能；PS-PVD高功率（65KW）制备Yb2SiO5涂层以气相沉积为主，呈准柱状结构，退火后，涂层主要为硅酸焦镱且富硅相含量较高；低功率（40KW）以液相沉积为主，呈层状结构，退火后，涂层主要为硅酸镱和硅酸焦镱的混合物，且形成了少量的富硅相和富镱相；℃大气氧化和1℃水汽（90%H2O）腐蚀h后，涂层均完好无剥落，说明PS-PVD制备Yb2SiO5涂层具有良好的抗高温氧化和水汽腐蚀性能。

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高性能铁基非晶合金软磁性能研究

主讲人：史植广博士

导师：张涛教授

非晶合金，又称为金属玻璃，它是20世纪70年代问世的一种新型材料，是利用急冷技术，将钢液一次成型为厚度为30微米的薄带，得到的固体合金（薄带）是不同于冷轧硅钢材料中原子规则排列的晶体结构，正是这种合金其原子处于无规则排列的非晶体结构，使其具有狭窄的B-H回路，具有高导磁性和低损耗的特点；同时非晶合金原子排列的不规则限制了电子的自由通行导致电阻率比晶体合金高出2-3倍，这样也有利于减少涡流损耗。因此，铁基非晶合金具有优异的软磁性能（高饱和磁化强度、低的矫顽力、高磁导率、低损耗）、高强度以及优异的耐腐蚀性能三大特性。铁基非晶被广泛的用于开关电源、变压器铁芯、磁粉芯以及磁屏蔽材料中。

以非晶合金为原料制成的变压器铁心，其空载损耗与采用硅钢片的传统变压器相比，减少了75%左右，使非晶合金变压器具有十分显著地节能和环保效果，当非晶合金变压器铁心用于油浸变压器时，可明显减排多种有害气体。所以，越来越多的生产厂商采用非晶合金来作为变压器铁心的原材料。

非晶合金在电动机中也有很优秀的表现，具有降低空载损耗、能量密度高、体积小的优点，但是也有饱和磁化强度低、硬度高、脆性高和加工难度大等缺点，这些都是有待突破的技术瓶颈。

史植广博士以FeCPB合金为例，讲解了铁基非晶合金从成分设计到性能测试的一系列知识。包括非晶合金的XRD图谱特征、软磁性能测试、韦伯分布、断口形貌以及其他力学性能的测试。

（素材来源：4月24日博士宣讲会）

编辑/鸭梨、L·琛