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宁波材料所在MAX相涂层可控制备与锆合金氧化防护方面取得进展

宁波材料所在MAX相涂层可控制备与锆合金氧化防护方面取得进展

  MAX相是一类分子式为Mn+1AXn的具有密排六方结构的层状高性能陶瓷材料。

其中,M代表前过渡金属,典型如Cr、Ti、V等;A代表IIIA或IV主族元素,如Al、Si等;X代表C或N。

自上世纪90年代美国德雷塞尔大学教授为该类材料命名以来,已有70余种MAX相材料被相继发现。 MAX相材料兼具金属和陶瓷的诸多优异特性,如高温抗氧化、高导电导热、优异抗辐照等,应用前景广阔,特别是严苛蒸气环境下的金属表面防护理想的涂层材料之一。 近期,中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进碳基薄膜技术团队聚焦于211系Al基MAX相涂层材料体系,在涂层可控制备、氧化机理、锆合金防护技术方面取得新进展。   针对传统物理气相沉积(physicalvapordeposition,PVD)一步法制备MAX相涂层过程中遇到的沉积温度高使基体应用受限、涂层成相区间窄/结晶性差、大面积均匀难制备的技术挑战,团队提出了先进行低温PVD沉积,再进行复合固相反应的两步法合成MAX相涂层的思路。

利用低温磁控溅射复合靶,通入碳氢气体或氮气反应沉积,在300℃沉积温度以下,改变退火温度和时间,实现对界面扩散与中间生成竞争相的控制,最终制备出了纯度达90wt.%的211系Ti2AlC涂层(授权发明专利,;,31(2015)1193;(2015)380)。 该两步法极大拓宽了MAX相涂层成相窗口,相继实现了Ti2AlC、Cr2AlC、V2AlC、Ti2AlN等系列211系MAX相涂层在316L不锈钢、钛合金、锆合金等多种基体表面的大面积、均匀、高纯度制备(发明专利,;,661(2016)476,753(2018)11)。

  为克服磁控溅射制备的MAX相涂层因厚度薄、柱状晶结构易导致其在高温水蒸气氧化过程中涂层内氧化严重、防护性能不足问题,团队进一步发展了高离化电弧复合磁控溅射PVD技术制备MAX(A=Al)相涂层的新方法。

其中,电弧源提供M元素,磁控源提供Al元素,有效抑制了复合靶材中低熔点Al易引起的涂层大颗粒与孔洞缺陷多的制备瓶颈。

结合低温固相反应,获得了结构致密、无柱状晶晶界、与锆合金结合强度高的Ti2AlN涂层,为探索其高温腐蚀严苛环境使役性能提供了基础(发明专利,,;(2017)1435)。   近期,团队研究了Ti2AlCMAX相涂层在高温蒸气环境下对锆合金基体的防护性能影响。 发现,MAX相涂层(厚度~μm)在1000-1200℃氧化腐蚀的过程中,形成了特殊三层结构的复合氧化层(外层→内层,r-TiO2→r-TiO2+α-Al2O3→α-Al2O3),这有效抑制了腐蚀离子的内扩散,使涂层在1100℃和1200℃氧化10min后,仍呈现出优异腐蚀防护特性(在相同条件下,未经该涂层涂敷的锆合金基体,其氧化损伤严重,腐蚀厚度深达μm~μm)。 结合微结构演变与动力学分析,Ti2AlCMAX涂层中高活度Al的内外快速扩散被认为是导致其最终“坍塌性”氧化失效的主要因素。

相关工作连续发表在(2019)9260和(2019)13912。   以上研究工作得到国家重大专项(2015ZX06004-001)、国家自然科学基金(51875555)、中国博士后基金(2018M632513)、浙江省自然科学基金(LQ19E010002)和宁波工研院优秀博士后基金等的支持。

图1(a)电弧复合磁控溅射技术制备的Cr2AlCMAX相涂层截面形貌图,(b-c)TEM与电子衍射图图2经1200℃氧化5min后截面形貌;(a)/(c)Ti2AlC涂层及EDS图,(b)/(d)锆合金基体/EDS图图3锆合金表面Ti2AlCMAX涂层在水蒸气中的氧化机理示意图图4在30cm长锆管表面均匀制备的系列MAX相涂层(表面事业部王振玉)  。

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