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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。

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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