化学气相沉积YSZ耐磨层的掺杂生长动力学和YSZ/ZrC纳米多层结构强化机制及其高温摩擦学性能研究

Chemical vapor deposition (CVD) is a potential method to prepare high-temperature wear-resistance ZrO2 coating onto the inner face of complex structure. To improve the wear-resistance of ZrO2 coating, it is necessary to increase the hardness and toughness. In our work, ZrCl4-YCl3-CO2-H2-Ar system and two screw chip feeder are used to prepare Y2O3 stabilized ZrO2 (YSZ) coating with transformation toughening and YSZ/ZrC nano-multi-layer coating with mechanical strengthening. Facing to how to control phase constituent, distribution and microstructure, we pay more attention to growth kinetic with doping. Make sure the mechanism of process control and relationship between deposition parameters and microstructures. Infer the evolution law of phase constituent, distribution and microstructure. Then study the mechanical properties and tribological performance of YSZ coating as a function of volume of tetragonal phase (t). And analyze the effects of transformation toughening. Facing to how to gain the best wear-resistance of YSZ/ZrC nano-multi-layer coating, study mechanical strengthening firstly. And then show the structural parameters on effect of high-temperature tribological performance.

化学气相沉积法(CVD)制备ZrO2高温耐磨层在复杂构件内型面沉积方面显示出巨大的应用潜力。为了提高ZrO2涂层的耐磨性，本项目利用ZrCl4-YCl3-CO2-H2-Ar反应体系双螺旋送粉CVD系统制备具有相变增韧作用的Y2O3稳定ZrO2(YSZ)涂层和具有结构强化作用的YSZ/ZrC纳米多层结构涂层。解决的科学问题包括：(1)化学气相沉积YSZ涂层的相变增韧对高温摩擦学性能的影响；(2)YSZ/ZrC纳米多层结构涂层的力学强化机制及其高温摩擦学性能规律。针对问题一，开展沉积过程速率控制机制和沉积参数与涂层微结构内在联系研究，掌握涂层相成分、晶体结构和微观形貌演变规律。在此基础上，研究涂层中四方相体积含量对力学和高温摩擦学性能影响规律，分析相变增韧作用。针对问题二，开展调制周期、层厚比和总厚度等结构参数对力学和高温摩擦学性能的影响规律研究，揭示超硬效应和增韧等力学增强效应，获得最佳高温耐磨性能YSZ/ZrC涂层。

化学气相沉积法(CVD)制备ZrO2高温耐磨层在复杂构件内型面沉积方面显示出巨大的应用潜力。为了提高ZrO2涂层的耐磨性，本项目利用ZrCl4-YCl3-CO2-H2-Ar反应体系双螺旋送粉CVD系统制备具有相变增韧作用的Y2O3稳定ZrO2(YSZ)涂层和具有结构强化作用的YSZ/ZrC纳米多层结构涂层。开展沉积过程速率控制机制和沉积参数与涂层微结构内在联系研究，掌握涂层相成分、晶体结构和微观形貌演变规律。研究不同类型涂层力学和摩擦学性能影响规律，揭示超硬效应和增韧等力学增强效应，获得最佳高温耐磨性能YSZ/ZrC涂层。结果显示，随着沉积温度升高，化学气相沉积YSZ涂层中共沉积的热解炭逐渐消失。YSZ涂层表面形貌由球形颗粒组织向大尺寸柱状晶粒转变。与C/C-ZrC基体相比， C/C-SiC基体表面活性较高，ZrO2生长速率快。YSZ晶粒内部会残留孔状缺陷；YSZ晶粒也会由于相互搭桥而形成孔隙；相反，在C/C-ZrC表面的YSZ晶粒内部致密且排列紧密。沉积流程会对表面形貌特征产生重要影响。在连续沉积条件下基体表面活性高，某区域YSZ晶粒会沿特定方向快速生长，形成“山峰状”，而峰与峰之间则会形成较大的孔隙。化学气相沉积YSZ晶粒的生长过程符合螺旋位错生长机理。 采用气相沉积的方法，成功制备与YSZ及Y2O3匹配性能较好的ZrC 、ZrC-SiC、Zr(C,N)多层次微结构涂层。