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用Al_2O_3/Tin双联沉积工艺改善铝合金在重载条件下的摩擦性能
作 者: Samir Hamid Awad Al-Rubyai
导 师: 钱翰城
学 校: 重庆大学
专 业: 材料加工工程
关键词: 铝合金 微等离子体氧化 陶瓷膜层
分类号: TG113.25
类 型: 博士论文
年 份: 2005年
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内容摘要
铝合金作为最重要的轻合金已广泛用于制造业,它具有一系列优越的物理、力学和工程性能:如比强度高,优良的导电及导热率,易于成形和加工,抗大气腐蚀能力强等优点。当然它亦表现出某些不足之处,例如其表面硬度较低,从而导致其耐磨性能较差,为改善其耐磨性,常采用表面沉积陶瓷膜层技术以提高其硬度,常用的气相沉积技术如物理气相沉积(PVD Physical vapour deposition) 化学气相沉积(CVD Chemical vapour deposition),物理化学气相沉积(PCVD Physical chemical vapour deposition)或物理辅助化学气相沉积(PACAD Plasma assisted chemical vapour deposition)以及离子增强化学气相沉积(PECVD Plasma enhanced chemical vapour deposition)。* 气相沉积法可在工件表面生成1-10μm的陶瓷膜如TiN,CrN、BN,WN 等,膜层硬而薄,致密光滑,摩擦系数低,适合于在低表面载荷情况下工作。另一种是液相沉积技术,如微等离子体氧化技术(MPO Microplasma oxidation),此法是在特定成份电解液中通过微等离子体放电在工件表面沉积30-200μm(或更厚)的Al2O3 膜层,此膜层硬而厚,承载能力强,但较粗糙,摩擦系数高,适宜于在润滑条件下工作。本研究的目的是开发一种新的MPO/PVD 双联沉积工艺,在铝合金表面形成Al2O3/TiN 复合陶瓷层,此复合层既具有承载能力强的优点,又具有摩擦系数低,减磨、耐磨的特点。本研究对扩大铝合金的应用范围有理论意义和实用价值。本研究的创新点如下: ①提出了MPO/PVD 双联沉积工艺的设想,并成功地制备出了Al2O3/TiN 复合陶瓷层,该复合层承载能力高于单一沉积层,在干摩擦及润滑条件下服役均较理想。②研究了MPO 工艺沉积参数与膜层孔隙率的关系,同时提出了控制膜层孔隙率的方法,为获得优质Al2O3 膜层提出了理论依据及具体方法。③研究了在MPO 工艺形成的Al2O3 绝缘层上用PVD 工艺沉积TiN 层的技术并获得了结合良好的界面。本研究的其它重要工作还包括: ①探明了MPO 工艺电解液成份及操作参数与膜层厚度、硬度,生长速度等的关系,对膜层颗粒微观结构的影响,同时提出了获得高质量膜层的临界参数概念,为实现过程控制奠定了基础。
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全文目录
Chinese abstract 5-7 English abstract 7-15 List of tables 15-17 List of figures 17-21 1 Introduction 21-33 1.1 introductory remarks 21 1.2 Tribological properties of aluminum alloys 21-24 1.3 Main concept and inherent advantages of surface engineering 24 1.4 Surface engineering of aluminum alloys 24-27 1.4.1 Main task and early developments 24-25 1.4.2 developments and main issues of present techniques 25-27 1.5 Thesis objectives and outline 27-33 2 Literature review and overview of thesis research efforts 33-55 2.1 Literature review 33-53 2.1.1 Preface 33-34 2.1.2 Single coating 34-39 2.1.3 Simulation approaches 39-41 2.1.4 Microplasma oxidation (MPO) 41-46 2.1.5 Duplex coatings technologies 46-52 2.1.6 Perspective of research in the literature 52-53 2.2 Overview of thesis research efforts 53-55 3 Microplasma oxidation concept 55-69 3.1 Dverview 55-56 3.2 Fundamentals 56-62 3.2.1 Phenomenology 56-57 3.2.2 Theoretical models 57-60 3.2.3 Discharge parameters 60 3.2.4 Critical voltage 60-62 3.3 Equipment 62-63 3.4 Inherent advantages and Applications 63-66 3.5 Summary 66-69 4 Vapour deposition and magnetron sputtering techniques 69-89 4.1 Background 69 4.2 General characteristics of PVD technique 69-72 4.3 Common characteristics of PVD and CVD technique 72 4.4 Classification of deposition techniques 72-75 4.5 Classification of PVD techniques 75-77 4.6 Magnetron and unbalanced magnetron sputtering 77-83 4.6.1 Background 77 4.6.2 Inherent advantages and benefits 77-78 4.6.3 Basic and key technologies for development 78-83 4.7 Importance of A1203/TiN coating in the thesis to PVD processes 83 4.8 TiN coating 83-88 4.8.1 Important properties and applications 83-85 4.8.2 Plastic deformation and coating failure 85-86 4.8.3 Widely researched duplex coatings combining TiN coating: benefits,issues and prospective future 86-88 4.9 Summary 88-89 5 Optimization and Experimental Details 89-107 5.1 Introduction 89 5.2 Optimization of MPO electrolyte and deposition parameters 89-94 5.2.1 Optimization of MPO electrolyte 89-93 5.2.2 Optimization of deposition parameters 93-94 5.3 Materials and specimens 94-95 5.4 MPO equipment and setting 95-96 5.5 Deposition of TiN coating 96-99 5.6 Measurement of hardness and coating thickness 99 5.7 Friction and wear tests 99-101 5.7.1 Timken tester 99-100 5.7.2 Pin-on disc test 100-101 5.8 Scratch test 101-103 5.9 SEM and XRD analysis 103 5.10 Pores characterization 103-104 5.11 Summary of the Experiments 104-107 6 Results and discussion 107-155 6.1 Optimization of MPO electrolyte and deposition parameters 107-114 6.1.1 Optimization of MPO electrolyte 107-110 6.1.2 Optimization of deposition parameters 110-114 6.1.3 MPO coating prepared using the optimized data 114 6.2 MPO coating of different thickness 114-131 6.2.1 Wear test results 114-119 6.2.2 Micro structural observation and porosity characterization 119-125 6.2.3 Hardness distribution 125-126 6.2.4 Controlling porosity: study on research advances and selection of probable process 126-131 6.3 Duplex coatings deposited using different TiN coating deposition parameters 131-140 6.3.1 Effect of deposition condition on sample temperature 131-132 6.3.2 XRD analysis 132-133 6.3.3 SEM observation 133-135 6.3.4 Mechanical properties 135 6.3.5 Tribological properties 135-140 6.4 Duplex coatings at different MPO coating thickness 140-153 6.4.1 Mechanical properties 140-141 6.4.2 Timken test 141-149 6.4.3 Results from Pin-on-disc test 149-151 6.4.4 Scratch test 151-153 6.5 Summary of the Results 153-155 7 Conclusions and future work 155-159 7.1 summary and findings 155-157 7.2 future work 157-159 Acknowledgements 159-161 References 161-177 VITA 177-179 Appendices 179-197 1. List of publication 179-191 2. Chinese translation of the conclusions and summaries 191-197
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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属学(物理冶金) > 金相学(金属的组织与性能) > 金属的性能 > 机械性能(力学性能)
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