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双阴极等离子溅射制备纳米硅化物涂层的研究
作 者: 孙健
导 师: 徐江
学 校: 南京航空航天大学
专 业: 材料学
关键词: 纳米涂层 金属硅化物 韧性 高温氧化 磨损
分类号: TG174.44
类 型: 硕士论文
年 份: 2009年
下 载: 29次
引 用: 4次
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内容摘要
本文采用双阴极等离子溅射沉积技术在TC4合金表面制备纳米Cr3Si、Cr-Si-N、NiSi2/Ti5Si3涂层,以改善TC4合金高温抗氧化性能、磨损性能和腐蚀性能。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微分析(TEM)等检测方法研究了三种纳米晶涂层的微观组织结构,并测试三种纳米涂层硬度、结合力、磨损性能、高温氧化性能和腐蚀性能,探讨了纳米涂层的韧化、氧化、磨损和腐蚀机理。结果表明:纳米Cr3Si涂层组织均匀致密,晶粒尺寸小于5nm。纳米Cr3Si涂层硬度高达28Gpa,是粗晶材料的2.37倍,且具有较高的致密度。晶粒细化改善Cr3Si涂层的韧性,赋予涂层优良的强韧性结合。纳米Cr3Si涂层与基体结合良好,结合力为80N。纳米Cr3Si涂层具有优异的抗氧化性能,氧化动力学遵循抛物线定律,表面形成了连续致密的Cr2O3和非晶SiO2氧化膜。纳米Cr3Si涂层的磨损对载荷不敏感,比磨损率与TC4合金相比降低了两个数量级。腐蚀性能测试结果表明细小的晶粒加快了钝化元素的扩散,促进连续致密的钝化膜的形成,赋予纳米Cr3Si涂层良好的腐蚀性能。纳米Cr-Si-N涂层由CrN组成,Si以固溶体的形式存在于CrN中。氮分压的升高导致纳米Cr-Si-N涂层晶粒细化,且沿着(111)晶面择优生长。而温度的升高促使纳米Cr-Si-N涂层的择优取向从(111)向(200)转变。氮分压和温度的升高促进了涂层硬度的提高,而涂层的结合力随着氮分压的提高而降低。磨损试验结果表明纳米Cr-Si-N涂层具有优异的耐磨性能。纳米NiSi2/Ti5Si3复合涂层由外层厚度为7μm的NiSi2沉积层和其下3μm厚的Ti5Si3扩散层组成,沉积层的平均晶粒尺寸约为20-40 nm左右,而扩散层的平均晶粒尺寸约为70-100 nm,且存在大量的栅栏状孪晶。纳米晶NiSi2/Ti5Si3复合涂层硬度呈梯度分布,与基体具有较高的结合强度,其结合力为49 N。晶粒细化和孪晶提高了涂层的韧性。磨损试验和腐蚀性能测试结果表明纳米NiSi2/Ti5Si3复合涂层改善了TC4合金的耐磨和耐腐蚀性能。
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全文目录
摘要 4-5 ABSTRACT 5-13 第一章 文献综述 13-25 1.1 研究背景 13 1.2 TC4 合金表面改性的研究进展及存在的问题 13-15 1.2.1 磨损性能 13-14 1.2.2 高温氧化性能 14-15 1.2.3 腐蚀性能 15 1.3 金属硅化物 15-19 1.3.1 过渡金属硅化物 15-16 1.3.2 金属硅化物的脆性本质 16 1.3.3 金属硅化物脆性的改善方法 16-19 1.4 纳米科技在涂层中的发展及应用 19-23 1.4.1 纳米材料的特性 19-20 1.4.2 纳米涂层的制备 20-23 1.5 课题的提出 23 1.6 主要研究内容 23-24 1.7 本课题研究的意义 24-25 第二章 试验材料与试验方案 25-30 2.1 试验材料及预处理 25 2.2 靶材制备 25-26 2.3 试验设备 26 2.4 试验装置 26-27 2.5 分析方法及手段 27-30 2.5.1 微观组织分析 27 2.5.2 涂层的纳米压入测试 27-28 2.5.3 划痕测试 28 2.5.4 氧化性能测试 28 2.5.5 磨损性能测试 28-29 2.5.6 腐蚀性能测试 29-30 第三章 纳米CR_3SI 涂层组织与性能分析 30-53 3.1 本章提要 30 3.2 沉积工艺 30-33 3.2.1 沉积温度对Cr_3Si 涂层的影响 30-32 3.2.2 沉积时间对Cr_3Si 涂层的影响 32-33 3.3 纳米Cr_3Si 涂层组织分析 33-36 3.3.1 纳米Cr_3Si 涂层XRD 分析 33 3.3.2 纳米Cr_3Si 涂层SEM 分析 33-35 3.3.3 纳米Cr_3Si 涂层TEM 分析 35-36 3.4 纳米Cr_3Si 涂层的力学性能分析 36-40 3.4.1 纳米Cr_3Si 涂层的的硬度和弹性模量 36-37 3.4.2 纳米Cr_3Si 涂层的的韧性 37-40 3.5 纳米Cr_3Si 涂层的高温抗氧化性能分析 40-44 3.5.1 高温氧化动力学曲线 40-41 3.5.2 高温氧化相结构 41 3.5.3 氧化膜形貌 41-42 3.5.4 高温氧化断面组织 42-44 3.6 纳米Cr_3Si 涂层的磨损性能评定 44-50 3.6.1 纳米Cr_3Si 涂层室温磨损 44-47 3.6.2 纳米Cr_3Si 涂层高温磨损 47-50 3.7 纳米Cr_3Si 涂层的电化学腐蚀性能 50-52 3.8 本章小结 52-53 第四章 纳米CR-SI-N 涂层组织与性能分析. 53-67 4.1 本章提要 53 4.2 纳米CR-SI-N 涂层的沉积参数 53-61 4.2.1 氮分压对纳米Cr-Si-N 涂层组织和性能的影响 53-57 4.2.2 沉积温度对纳米Cr-Si-N 涂层组织和性能的影响 57-61 4.3 纳米CR-SI-N 涂层磨损性能 61-65 4.3.1 纳米Cr-Si-N 涂层摩擦系数 61-62 4.3.2 纳米Cr-Si-N 涂层比磨损率 62-63 4.3.3 纳米Cr-Si-N 涂层磨损形貌 63-65 4.4 本章小结. 65-67 第五章 纳米NiSi_2/Ti_5Si_3复合涂层组织与性能分析 67-79 5.1 本章提要 67 5.2 纳米NiSi_2/Ti_5Si_3 复合涂层组织分析 67-71 5.2.1 纳米NiSi_2/Ti_5Si_3 复合涂层XRD 分析 67-68 5.2.2 纳米NiSi_2/Ti_5Si_3 复合涂层SEM 分析 68-69 5.2.3 纳米NiSi_2/Ti_5Si_3 复合涂层TEM 分析 69-71 5.3 纳米NiSi_2/Ti_5Si_3 复合涂层的力学性能 71 5.4 纳米NiSi_2/Ti_5Si_3 复合涂层的结合力 71-73 5.5 涂层的摩擦磨损性能和机制 73-77 5.5.1 纳米NiSi_2/Ti_5Si_3 复合涂层的摩擦系数 73-74 5.5.2 纳米NiSi_2/Ti_5Si_3 复合涂层的比磨损率 74-75 5.5.3 纳米NiSi_2/Ti_5Si_3 涂层的磨损形貌及磨损机理分析 75-77 5.6 纳米NiSi_2/Ti_5Si_3 复合涂层的腐蚀性能 77-78 5.7 本章小结 78-79 第六章 结论与展望 79-81 6.1 结论 79-80 6.2 展望 80-81 参考文献 81-89 致谢 89-90 硕士期间发表的论文 90
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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 > 金属腐蚀与保护、金属表面处理 > 腐蚀的控制与防护 > 金属表面防护技术 > 金属复层保护
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