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非平衡磁控溅射Ti-Ni合金薄膜的制备及其力学性能研究

作　者: 贺耀华
导　师: 贺志勇；鲍明东
学　校: 太原理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: Ti-Ni合金薄膜 磁控溅射离子镀 成分 结构 力学性能
分类号: TG174.444
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 87次
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内容摘要


自20世纪60年代以来,Ti-Ni合金由于良好的形状记忆效应得到越来越多的应用。然而,在过去的20多年里,该合金的耐磨性开始得到重视。采用Ti-Ni薄膜作为材料的耐磨改性层在最近成为新的研究方向。对于Ti-Ni薄膜材料,组织结构和性能有较强的成分敏感性,因此很有必要深入研究Ti-Ni合金薄膜的制备工艺,以精确控制薄膜成分。通过对不同成分薄膜微观结构、相变温度、表面形貌及力学性能的分析研究,可以探索Ti-Ni薄膜摩擦学行为的机理问题,分析其影响因素,并为充分发挥其特性提供依据。本文采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术,制备出成分为45.4at.%Ti、46.8at.%Ti、49.7at.%Ti、51.3at.%Ti和53.3at.%Ti的Ti-Ni合金薄膜。并通过EDXA、FSEM、AFM和XRD等手段,检测薄膜的成分、表面截面形貌和相结构。同时,采用DSC和纳米压痕仪等仪器,测试薄膜的相变温度、显微硬度和弹性模量。另外,在膜层成分为49.7at.%Ti的情况下,设计由三种成分梯度分布的过渡层薄膜,通过附着力自动划痕仪和球盘磨损试验机等设备检测薄膜的结合强度、摩擦系数及磨损率。在试验结果基础上,探讨了Ti-Ni薄膜的摩擦学行为机理。通过研究和分析,得到的主要结论有:1.制备近等原子比Ti-Ni合金薄膜的最佳工艺参数:氩气流量为30sccm,偏压为60V,TiNi合金靶电流为6A,Ti靶电流为3A,晶化温度为600℃。2.随着Ti原子百分含量的增加,Ti-Ni合金薄膜的Ms出现先升高后趋于稳定的态势,在近等原子比时达到最大;其表面粗糙度先减小后增大,在近等原子比时达到最小。3.在相同的载荷下,Ti-Ni合金薄膜的显微硬度和弹性模量先增大后减小。不同载荷下,二者的变化并不明显;随着Ti原子百分比的提高,薄膜的伪弹性回复率η先增大后减小。4. Ti-Ni薄膜的摩擦系数比钛合金小;薄膜的磨损率比基体低一个数量级,且薄膜的磨损轨迹比基体的窄一些。总之,Ti-Ni薄膜相对于基体的摩擦磨损性能的提高主要与其超弹性有关,薄膜良好的应变硬化效应、热硬性和抗疲劳等特性也可能有助于提高薄膜的耐磨性。另外,薄膜的成分、相结构等因素都会影响到薄膜的超弹性。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章 绪论  11-23
  1.1 引言  11-12
  1.2 Ti-Ni 合金薄膜  12-17
    1.2.1 Ti-Ni 薄膜的制备  12-14
    1.2.2 Ti-Ni 薄膜的力学性能  14-15
    1.2.3 Ti-Ni 薄膜的相变行为  15-16
    1.2.4 Ti-Ni 薄膜的摩擦学性质  16-17
  1.3 闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术  17-20
    1.3.1 基本原理  17-18
    1.3.2 技术特点  18-19
    1.3.3 技术的现状及发展方向  19-20
  1.4 研究课题的提出  20-23
    1.4.1 课题提出的背景  20-21
    1.4.2 课题主要研究内容及目标  21-23
第二章 Ti-Ni 合金薄膜的制备及检测方法  23-31
  2.1 实验材料与设备  23-26
    2.1.1 靶材选择  23
    2.1.2 基材准备  23-24
    2.1.3 实验设备  24-26
  2.2 制备工艺  26-27
    2.2.1 薄膜溅射  26
    2.2.2 晶化处理  26-27
  2.3 检测方法  27-31
    2.3.1 成分检测  27
    2.3.2 形貌观测  27
    2.3.3 微结构分析  27
    2.3.4 性能表征  27-31
第三章 成分对Ti-Ni 合金薄膜相变温度的影响  31-41
  3.1 引言  31
  3.2 实验方法  31-32
  3.3 实验结果与讨论  32-40
    3.3.1 不同成分Ti-Ni 合金薄膜XRD 结果  32-37
    3.3.2 不同成分Ti-Ni 合金薄膜相变温度的DSC 结果  37-38
    3.3.3 不同成分对Ti-Ni 合金薄膜相变温度的影响  38-40
  3.4 结论  40-41
第四章 Ti-Ni 合金薄膜的表面形貌和结合强度的研究  41-55
  4.1 引言  41
  4.2 实验方法  41-42
  4.3 实验结果与讨论  42-53
    4.3.1 Ti-Ni 合金薄膜表面粗糙度的测定方法  42-44
    4.3.2 不同成分Ti-Ni 合金薄膜的表面形貌  44-45
    4.3.3 Ti-Ni 合金薄膜表面形貌的演变机理  45-49
    4.3.4 Ti-Ni 合金薄膜的结合强度  49-53
  4.4 结论  53-55
第五章 Ti-Ni 合金薄膜的纳米压入行为  55-67
  5.1 引言  55
  5.2 实验方法  55-56
  5.3 实验结果与讨论  56-65
    5.3.1 Ti-Ni 合金薄膜纳米压入行为的分析  56-60
    5.3.2 不同成分Ti-Ni 合金薄膜的纳米力学性能  60-63
    5.3.3 不同成分Ti-Ni 合金薄膜的纳米伪弹性  63-64
    5.3.4 多次加载下不同成分Ti-Ni 合金薄膜的纳米力学性能  64-65
  5.4 结论  65-67
第六章 Ti-Ni 合金薄膜摩擦学行为初探  67-73
  6.1 引言  67
  6.2 实验方法  67-68
  6.3 实验结果与讨论  68-72
    6.3.1 摩擦系数和磨损率的测量方法  68-69
    6.3.2 Ti-Ni 合金薄膜与其基体 TC4 钛合金的滑动摩擦系数  69-70
    6.3.3 Ti-Ni 合金薄膜与其基体 TC4 钛合金的磨损率  70
    6.3.4 Ti-Ni 合金薄膜的摩擦磨损机理研究  70-71
    6.3.5 Ti-Ni 合金薄膜耐磨性提高的可能方法设想  71-72
  6.4 结论  72-73
第七章 结论  73-75
参考文献  75-83
致谢  83-85
攻读硕士期间发表的论文  85

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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 > 真空镀与气相镀法
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