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非平衡磁控溅射TiAIN薄膜的组织结构与性能研究

作　者: 倪茂林
导　师: 金杰
学　校: 浙江工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: TiAlN薄膜 组织结构 力学性能 高温氧化 耐腐蚀
分类号:
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随着现代工业的迅速发展,对材料表面性能(如硬度、耐磨性及耐腐蚀性等)的要求越来越高。因此,在表面镀覆性能优良的薄膜成为目前材料研究的热点之一。TiN薄膜是研究较早并广泛应用的硬质薄膜之一,与TiN薄膜相比,TiAlN薄膜具有高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀以及良好的抗高温氧化性等优点,广泛应用于机械加工刀具、刃具、模具和其它耐磨部件等。本文采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀在不同硬度的T10钢基体上制备了TiAlN薄膜,运用EDS、XRD和SEM等测试方法对TiAlN薄膜的成分、组织结构和表面形貌进行了测试,此外,测定了薄膜的表面显微硬度、膜/基结合强度和摩擦系数,同时,对TiAlN薄膜进行了高温氧化试验和耐腐蚀试验,主要研究结果如下：1.不同硬度基体上的TiAlN薄膜表面均平整光滑,膜层致密无空洞,薄膜的晶粒尺寸大小不一,在几十纳米至几百纳米之间。TiAlN薄膜成分由钛、铝和氮组成,相结构中含有AlN、Ti3AlN和Ti2AlN相。2.通过显微硬度计测定,TiAlN薄膜的表面显微硬度远远大于基体的硬度,软硬基体上的薄膜显微硬度有所差异,最大显微硬度为2575HVo.025；由压痕法和划痕法及摩擦试验测试结果得出,硬基体上的TiAlN薄膜的结合强度较高、摩擦系数较小。3.在600℃、700℃、800℃和900℃下对TiAlN薄膜进行高温氧化。由相组成、表面形貌的结果可知,TiAlN薄膜在800℃左右严重氧化,900℃时已完全失效。4.通过电化学腐蚀试验和浸泡腐蚀试验结果得出,TiAlN薄膜在盐和酸介质中都具有良好的耐腐蚀性。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章 绪论  10-26
  1.1 引言  10-11
  1.2 表面工程技术  11-13
    1.2.1 表面工程技术的定义及分类  11-12
    1.2.2 表面工程技术的意义  12
    1.2.3 表面工程技术的发展趋势  12-13
  1.3 薄膜技术概述  13-19
    1.3.1 薄膜的种类及应用  13-14
    1.3.2 薄膜的生长过程  14-16
    1.3.3 薄膜的制备方法  16-19
  1.4 磁控溅射技术简介  19-21
  1.5 硬质薄膜的发展  21-23
    1.5.1 二元硬质薄膜  21-22
    1.5.2 多元复合硬质薄膜  22-23
    1.5.3 多层硬质薄膜  23
  1.6 TiAlN硬质薄膜的研究进展  23-24
  1.7 本论文的研究目的和内容  24-26
第2章 实验设备与测试方法  26-34
  2.1 磁控溅射设备  26-27
  2.2 实验基体及预处理  27-29
  2.3 薄膜的成分、结构和形貌表征  29-31
    2.3.1 薄膜的成分测试  29
    2.3.2 薄膜的相结构测试  29-30
    2.3.3 薄膜的形貌测试  30-31
  2.4 薄膜的力学性能表征  31-32
    2.4.1 薄膜的显微硬度测试  31
    2.4.2 薄膜的结合力测试  31-32
  2.5 薄膜的摩擦性能表征  32-33
  2.6 本章小结  33-34
第3章 TiAlN薄膜的制备及分析  34-50
  3.1 引言  34
  3.2 TiAlN硬质薄膜的制备  34-37
    3.2.1 薄膜膜层的设计  34-35
    3.2.2 TiAlN薄膜的制备工艺  35-37
  3.3 薄膜的形貌及成分结构分析  37-41
    3.3.1 TiAlN薄膜的表面与截面形貌  37-39
    3.3.2 TiAlN薄膜的成分分析  39-40
    3.3.3 TiAlN薄膜的相结构分析  40-41
  3.4 TiAlN薄膜的力学性能  41-46
    3.4.1 TiAlN薄膜的显微硬度测试  41-44
    3.4.2 TiAlN薄膜的膜/基结合力分析  44-46
  3.5 TiAlN薄膜的摩擦性能分析  46-48
    3.5.1 材料的摩擦  46
    3.5.2 试验结果与分析  46-48
  3.6 本章小结  48-50
第4章 TiAlN薄膜的抗氧化性能研究  50-57
  4.1 引言  50
  4.2 试验方法  50-51
  4.3 氧化温度对薄膜相结构的影响  51-53
  4.4 氧化温度对薄膜表面形貌的影响  53-54
  4.5 氧化温度对薄膜硬度的影响  54-55
  4.6 氧化温度对薄膜摩擦系数的影响  55-56
  4.7 本章小结  56-57
第5章 TiAlN薄膜的耐腐蚀性能研究  57-68
  5.1 引言  57
  5.2 电化学腐蚀试验  57-64
    5.2.1 电化学原理简介  57-59
    5.2.2 试验装置及内容  59-61
    5.2.3 试验结果与分析  61-64
  5.3 浸泡腐蚀试验  64-66
  5.4 本章小结  66-68
第6章 结论与展望  68-70
  6.1 结论  68-69
  6.2 展望  69-70
参考文献  70-74
致谢  74-75
攻读学位期间参加的科研项目和成果  75

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