学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

Zr-Ta-Nb-Ti-W-N多主元薄膜组织结构与性能研究

作　者: 冯兴国
导　师: 马欣新
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: Ti6Al4V合金多主元薄膜磁控溅射等离子体基离子注氮组织结构摩擦磨损
分类号: TG174.4
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
下　载: 72次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

为了提高Ti6Al4V合金的耐磨性能，本文采用多靶磁控溅射与等离子体基注氮方法在Ti6Al4V合金表面分别制备了四元TaNbTiW合金薄膜，（TaNbTiW）N氮化物薄膜，五元ZrTaNbTiW合金薄膜和（ZrTaNbTiW）N氮化物薄膜。采用X射线荧光光谱（XRF）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）等分析手段对薄膜的化学成分，元素价态、相组成和微观结构进行了分析，研究了薄膜的摩擦磨损性能并对其机理进行了分析。通过磁控溅射在Ti6Al4V合金上制备了TaNbTiW合金薄膜，并对薄膜的组织结构与性能进行了研究。研究表明，TaNbTiW合金薄膜为简单的体心立方结构且各衍射峰的位置随着Ta、Nb含量的减少及Ti、W含量的增加逐渐向高角度方向移动。TaNbTiW合金薄膜在500，700和900℃退火时具有良好的相稳定性和抗氧化性能，且随着Ti和W含量的增加薄膜的抗氧化性能增强。场发射扫描电子显微镜（FESEM）分析结果显示，TaNbTiW合金薄膜的表面为颗粒状，断面为柱状晶结构。在Ti6Al4V合金基体上沉积的TaNbTiW合金薄膜的最大硬度为5.2GPa，较基体硬度提高了13%左右。摩擦系数较基体有所上升，但比磨损率较基体下降了17%。采用磁控溅射和等离子体基注氮方法制备了（TaNbTiW）N氮化物薄膜。XPS结果表明，TaNbTiW合金薄膜注氮后形成了Ta-N、Nb-N、Ti-NO、Ta-O化学键和Ta⁰⁺、W⁰⁺价态。XRD结果表明，（TaNbTiW）N薄膜由体心立方和面心立方固溶体组成。TaNbTiW合金薄膜注氮后，其硬度和弹性模量都有显著提高且随着注氮时间的增加而增大，Ta_25.4Nb_13.4Ti_20.9W_40.3注氮3h试样具有最大的硬度和弹性模量，其值分别达到9.0和154.1GPa。注氮之后摩擦系数较合金薄膜有显著降低，耐磨性能较合金薄膜和基体Ti6Al4V都有明显提高，注氮1h薄膜具有最小的比磨损率，较四元合金薄膜降低了200%，较基体Ti6Al4V下降了223%。氮化物薄膜的磨损机理主要是磨粒磨损，同时也存在粘着磨损。采用多靶磁控溅射制备了五元ZrTaNbTiW合金薄膜。XRD分析结构表明，ZrTaNbTiW合金薄膜为简单的体心立方或非晶相。当薄膜中Zr含量超过35at%时，出现非晶相。该薄膜在500、700和900℃退火无相转变发生，具有良好的相稳定性，且随着Ti和W含量的增加，薄膜的抗氧化性能提高。FESEM分析结果表明，ZrTaNbTiW合金薄膜的表面形貌为颗粒状，断面形貌为柱状晶。随着Zr含量的增多，表面颗粒逐渐变小，断面柱状晶结构逐渐变致密。ZrTaNbTiW合金薄膜的最大硬度为6.7GPa。ZrTaNbTiW合金薄膜的摩擦系数为0.35左右，较基体Ti6Al4V合金高，但比磨损率显著低于基体Ti6Al4V，最大下降了2倍多，其磨损机制主要为磨粒磨损和粘着磨损，同时伴有轻微的氧化磨损。采用多靶磁控溅射和等离子体基注氮方法制备了（ZrTaNbTiW）N氮化物薄膜。XPS分析结果表明，薄膜中存在Ta-N、Nb-N、Ti-N、Zr-N、Zr-O化学键和Nb⁰⁺、W⁰⁺价态。XRD结果显示，五元合金薄膜ZrTaNbTiW注氮之后相结构为体心立方和面心立方组成的固溶体。（ZrTaNbTiW）N薄膜的断面为宽度约为30nm的柱状晶。注氮后，薄膜的硬度和弹性模量都有显著提高，最大硬度和弹性模量分别达到13.5和178.9GPa，耐磨性能较其合金薄膜ZrTaNbTiW和基体Ti6Al4V都有较大的提高，比磨损率分别下降了3.6倍和5倍。通过对TaNbTiW合金薄膜分别注N，加入Zr元素，加Zr元素后注N分析发现，TaNbTiW合金薄膜注氮后，薄膜中形成了面心立方结构的氮化物，晶体结构由原来的体心立方转变为体心立方和面心立方的混合固溶体。Zr元素加入TaNbTiW合金薄膜后，薄膜的晶格畸变增大，当Zr、Ta、Nb、Ti和W各元素含量属于高熵薄膜范畴时，薄膜具有较高的混合熵，晶格畸变和高的混合熵导致薄膜中形成非晶相。在TaNbTiW薄膜中加入Zr元素后注N，薄膜中不但形成了面心立方的氮化物而且显著增大了薄膜的混合熵，薄膜的晶体结构为面心立方和体心立方固溶体。TaNbTiW薄膜具有较高的硬度和耐磨性能，且随着Zr元素的加入，N离子的注入，Zr元素加入之后注N，薄膜的硬度和耐磨性能呈现依次增大趋势。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第1章绪论  12-31
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  12-14
  1.2 多主元效应  14-17
    1.2.1 高熵效应  14
    1.2.2 晶格畸变效应  14-16
    1.2.3 缓慢扩散效应  16-17
    1.2.4 复合效应  17
  1.3 多靶磁控溅射与等离子体基注入技术  17-20
    1.3.1 多靶磁控溅射技术  17-18
    1.3.2 等离子体基离子注入技术  18-20
  1.4 多主元薄膜的研究现状  20-30
    1.4.1 多主元薄膜的制备方法  20-21
    1.4.2 多主元薄膜的组织结构研究  21-27
    1.4.3 多主元薄膜的性能分析  27-29
    1.4.4 多主元薄膜的应用前景  29-30
  1.5 本文主要研究内容  30-31
第2章薄膜制备工艺与研究方法  31-41
  2.1 基体材料的选择  31
  2.2 靶材的选择与组成  31
  2.3 实验设备  31-33
  2.4 实验方案及设计  33-36
    2.4.1 多靶磁控溅射制备四元TaNbTiW合金薄膜  33
    2.4.2 多靶磁控溅射制备五元ZrTaNbTiW合金薄膜  33-34
    2.4.3 多靶磁控溅射与氮等离子体基注入制备(TaNbTiW)N薄膜  34-35
    2.4.4 多靶磁控溅射与氮等离子体基注入制备(ZrTaNbTiW)N薄膜  35-36
  2.5 分析方法及其原理  36-41
    2.5.1 薄膜的化学成分与化学结构分析  36-37
    2.5.2 薄膜的相结构分析  37
    2.5.3 薄膜的微观组织结构分析  37
    2.5.4 划痕形貌分析  37
    2.5.5 薄膜的硬度和结合力分析  37-38
    2.5.6 薄膜的摩擦磨损性能分析  38-41
第3章 TaNbTiW和ZrTaNbTiW合金薄膜制备与组织结构  41-60
  3.1 引言  41-42
  3.2 TaNbTiW和ZrTaNbTiW合金薄膜的制备  42-45
  3.3 TaNbTiW和ZrTaNbTiW合金薄膜的相结构  45-52
  3.4 TaNbTiW和ZrTaNbTiW合金薄膜的微观结构  52-55
  3.5 退火对TaNbTiW和ZrTaNbTiW合金薄膜相结构的影响  55-59
  3.6 本章小结  59-60
第4章 N离子注入对TaNbTiW和ZrTaNbTiW薄膜组织结构的影响  60-84
  4.1 引言  60-61
  4.2 N离子注入对薄膜元素分布及化学态的影响  61-71
  4.3 N离子注入对薄膜相组成和相结构影响  71-79
  4.4 N离子注入对薄膜微观结构的影响  79-83
  4.6 本章小结  83-84
第5章合金薄膜和N离子注入薄膜的性能  84-114
  5.1 引言  84
  5.2 薄膜的纳米硬度和弹性模量  84-89
  5.3 薄膜的结合力分析  89-95
  5.4 薄膜的摩擦磨损行为  95-110
  5.5 组元及其含量对薄膜性能的影响  110-112
  5.6 本章小结  112-114
结论、创新点及展望  114-116
参考文献  116-127
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  127-130
致谢  130-131
个人简历  131

Zr-Ta-Nb-Ti-W-N多主元薄膜组织结构与性能研究

内容摘要

全文目录

相似论文