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微合金化和复合化对纳米晶Ti_5Si_3涂层性能影响的研究

作　者: 刘林林
导　师: 徐江
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 材料学
关键词: Ti5Si3 微合金化 复合化 腐蚀性能 磨损性能
分类号: TG174.445
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


钛合金以其密度低、比强度高、生物相容性好等优异特点,而被广泛应用于航空航天、石油化工、生物医药等领域,但钛合金的一些固有缺点限制了其应用范围的进一步扩大。表面改性可明显提高钛合金的相关表面性能。鉴于当前钛合金表面改性存在的诸多问题,有必要在表面技术的改进、涂层材料体系的选择、微观组织的设计等方面开展广泛而深入的研究。采用双阴极等离子溅射沉积技术,分别以Ti50Si50和Ti45.5Si45.5C9为靶材,在Ti-6Al-4V合金表面制备了纳米晶Ti5Si3和Ti5Si3C0.8涂层。所制备涂层均匀致密,无明显缺陷,与基体结合良好。XRD结果表明,C微合金化改变了纳米晶Ti5Si3涂层的残余应力状态,由拉应力转变为压应力。此外,纳米晶Ti5Si3C0.8涂层中的C固溶于Ti5Si3中,未改变其晶体结构,显微组织呈现出与纳米晶Ti5Si3涂层一致的花状结构。电化学测试表明,C的引入促进了涂层钝化膜中SiO2的形成,减少了半导体钝化膜的施主密度,增加了空间电荷层厚度,使得纳米晶Ti5Si3C0.8涂层具有比纳米晶Ti5Si3涂层更优异的电化学腐蚀性能。在此基础上,进一步增加靶材的C含量（Ti40Si40C20）,制备了TiC增强的Ti5Si3基纳米复合涂层（TiC/Ti5Si3）。XPS和TEM分析表明,纳米晶TiC/Ti5Si3复合涂层中,一部分C以间隙原子的形式固溶于Ti5Si3中,另一部分以第二相TiC的形式存在,这些TiC晶粒分布于Ti5Si3的花状结构之间。由于合金化和复合化的作用并存,纳米晶TiC/Ti5Si3复合涂层的硬度、弹性模量、断裂韧性以及与基体的结合力均明显高于纳米晶Ti5Si3涂层。电化学测试表明,TiC的引入增大了涂层钝化膜的施主密度和氧空位扩散系数,在一定程度上降低了纳米晶TiC/Ti5Si3复合涂层的腐蚀性能,但显著提高了点蚀抗力;磨损测试中,纳米晶TiC/Ti5Si3复合涂层具有极小的比磨损率,接近零磨损状态,表现出优异的磨损抗力,而纳米晶Ti5Si3涂层在磨损过程中则过早地碎裂剥落,碎裂的涂层产生磨粒磨损作用,造成涂层磨损性能的严重下降。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章 绪论  13-35
  1.1 研究背景  13-14
  1.2 钛合金表面改性  14-18
    1.2.1 引言  14
    1.2.2 钛合金表面改性的研究现状  14-17
      1.2.2.1 磨损性能  15
      1.2.2.2 腐蚀性能  15-16
      1.2.2.3 高温氧化性能  16-17
    1.2.3 钛合金表面改性存在的问题  17-18
  1.3 金属硅化物  18-25
    1.3.1 引言  18-20
    1.3.2 Ti-Si系金属硅化物  20-21
    1.3.3 Ti_5Si_3的国内外研究现状及发展动态分析  21-25
      1.3.3.1 细晶强化  22-23
      1.3.3.2 合金化  23-24
      1.3.3.3 复合化  24-25
  1.4 钝化膜的半导体特性和点缺陷模型(PDM)  25-31
    1.4.1 引言  25
    1.4.2 Mott-Schottky方程  25-28
    1.4.3 点缺陷模型(PDM)  28-31
  1.5 课题的提出  31-32
  1.6 课题的主要研究内容  32
  1.7 本课题的研究意义  32-35
第二章 实验材料与实验方案  35-41
  2.1 实验材料  35
  2.2 实验设备及涂层制备工艺  35-36
  2.3 分析方法及手段  36-41
    2.3.1 相组成及微观组织分析  36-37
    2.3.2 涂层与基体结合力测定  37-38
    2.3.3 硬度和弹性模量测试  38
    2.3.4 腐蚀性能测试  38-39
    2.3.5 X 射线光电子能谱(XPS)测试  39-40
    2.3.6 磨损性能测试  40-41
第三章 微合金化对纳米晶Ti_5Si_3 涂层组织及腐蚀性能的影响  41-53
  3.1 本章提要  41
  3.2 纳米晶涂层的物相及微观组织分析  41-46
    3.2.1 所制备涂层的表面形貌  41-42
    3.2.2 纳米晶涂层的XRD 分析  42-43
    3.2.3 纳米晶涂层的横截面SEM分析  43-44
    3.2.4 纳米晶涂层的TEM 分析  44-46
  3.3 纳米晶涂层的腐蚀性能测试  46-50
    3.3.1 开路电位(OCP)—时间测试  46
    3.3.2 动电位极化曲线(Tafel)测试  46-48
    3.3.3 电化学阻抗谱(EIS)测试  48-50
  3.4 纳米晶涂层的钝化膜成分分析  50
  3.5 钝化膜电容—电位测试  50-51
  3.6 纳米晶涂层的腐蚀机理分析  51-52
  3.7 本章小结  52-53
第四章 复合化对纳米晶Ti_5Si_3 涂层组织及腐蚀、磨损性能的影响  53-81
  4.1 本章提要  53
  4.2 纳米晶涂层的物相及微观组织分析  53-57
    4.2.1 纳米晶涂层的XRD 分析  53-54
    4.2.2 纳米晶涂层的横截面SEM分析  54-55
    4.2.3 纳米晶TiC/Ti_5Si_3复合涂层的TEM分析  55-56
    4.2.4 纳米晶TiC/Ti_5Si_3复合涂层的XPS分析  56-57
  4.3 纳米晶涂层的力学性能分析  57-64
    4.3.1 纳米晶涂层的划痕测试分析  57-60
    4.3.2 纳米晶涂层的纳米压入分析  60-61
    4.3.3 纳米晶涂层的显微压痕分析  61-64
  4.4 纳米晶涂层的腐蚀性能测试  64-73
    4.4.1 低频阻抗—时间测试  64-65
    4.4.2 动电位极化曲线(Tafel)测试  65-66
    4.4.3 腐蚀形貌观察  66-67
    4.4.4 电化学阻抗谱(EIS)测试  67-69
    4.4.5 钝化膜电容—电位测试及载流子扩散系数(Do)计算  69-72
    4.4.6 恒电位极化测试  72-73
    4.4.7 纳米晶涂层的腐蚀机理分析  73
  4.5 纳米晶涂层的磨损性能测试  73-80
    4.5.1 纳米晶涂层的摩擦系数曲线  73-74
    4.5.2 纳米晶涂层磨痕的SEM形貌图  74-77
    4.5.3 纳米晶涂层磨痕的三维形貌图  77-79
    4.5.4 纳米晶涂层的比磨损率  79-80
    4.5.5 纳米晶涂层的磨损机理分析  80
  4.6 本章小结  80-81
第五章 结论  81-82
参考文献  82-93
致谢  93-94
在校期间的研究成果及发表的学术论文  94

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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 > 表面合金化（渗镀）
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