基于SZMs的钛合金薄膜结构控制与表征

发布时间：2020-05-26 03:16

【摘要】：由于具有优良的力学性能、热稳定性、抗腐蚀性以及生物相容性,钛合金在航空航天以及生物工程领域得到了广泛的应用。同时,钛合金作为最具代表性的金属材料,也是薄膜科学最青睐的研究对象之一。磁控溅射是制备和研究金属薄膜材料的最常用的工艺,其优势在于能够实现薄膜结构的致密化、均匀化以及纳米化,而且薄膜与衬底之间的结合性也比较好。众所周知,材料的结构研究至关重要,因为它决定了材料的最终性能。然而有关钛合金薄膜的结构研究还太少。薄膜材料具有和块体材料完全不同的结构特征,如形貌、织构、应力、纳米晶等等。对于磁控溅射来说,薄膜结构特征与工艺参数之间的关系通常是研究的重点。这些工艺参数包括衬底温度、工作气压、溅射功率以及衬底偏压等等。Structure Zone Models(SZMs)是结合实验现象和理论、用来描述薄膜结构与工艺参数关系的结构模型,目前已经发展成为设计薄膜制备工艺和薄膜结构分析的重要依据。本论文基于Structure Zone Models,对Ti-6Al-4V、Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Zr-2Sn、Ti-6Al-7Nb以及TiMo系四种合金的结构进行研究。所采用的制备方法为直流磁控溅射。本论文主要研究内容和实验结果如下:(1)运用XRD、SEM以及TEM等表征技术对不同衬底温度下制备的Ti-6Al-4V合金薄膜的结构转变进行分析,发现随着衬底温度的提高,薄膜由具有(0002)织构的柱状生长转变为具有多晶取向的等轴生长。基于Basic SZM,为Ti-6Al-4V合金薄膜的织构以及形貌的转变建立了示意图,为此类合金薄膜的结构设计与控制提供了参考。纳米压痕结果表明,薄膜硬度随着衬底温度的升高有明显的下降趋势,经分析是由织构退化以及压应力释放两方面因素造成的。(2)利用衬底温度以及粒子轰击两方面去控制Ti-6Al-7Nb合金薄膜的织构以及形貌生长。薄膜在衬底温度为300°C时,获得最强的(0002)织构。根据Thornton’s SZM,薄膜在100°C衬底温度条件下呈现出致密的zone T生长,随着衬底温度提升到300°C,转变柱状的zone 2型生长,而衬底温度到达500°C时,转变为具有等轴形貌的zone 3生长。基于Basic SZM,当衬底温度为100°C时,薄膜呈现出处于织构竞争阶段的zone T生长,而在衬底温度为300°C时,转变为具有强(0002)织构的柱状zone 2生长。使用纳米压痕实验对薄膜的力学性能进行测量,结果表明通过(0002)织构生长可以提高薄膜的硬度。(3)研究了Ti-15 wt.%Mo和Ti-30 wt.%Mo合金薄膜在50°C至300°C衬底温度范围内的物相以及形貌变化,结果表明Ti-15 wt.%Mo合金薄膜仅在50°C和100°C时以亚稳β相生长,形貌由Thornton’s SZM中的多孔柱状的zone 1型生长转变为一种非柱状的、表面粗糙的生长模式,而Ti-30 wt.%Mo合金薄膜在整个温度范围内保持β型生长,形貌由Thornton’s SZM中的zone 1型生长转变为zone 2型生长。通过对比EDX和XPS成分,发现Ti-Mo合金薄膜表面存在Ti元素的富集。(4)研究了Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Zr-2Sn合金薄膜的物相、形貌以及晶粒取向随衬底温度的变化,结果表明薄膜在衬底温度为125°C以亚稳态的β相生长,而随着衬底温度的提高,这种β相生长发生了转变。当衬底温度达到530°C时,薄膜转变为α+β型双相生长。与此同时,薄膜由Thornton’s SZM中的多孔柱状的zone 1型生长转变为致密的非柱状的zone T型生长,且由多晶取向生长转变为织构生长。
【图文】：

磁控溅射技术,SiC纤维,钛合金,柱状

钛基复合材料制备工艺的第一步便是使用磁控溅射技术制备钛合金基体涂层[63-73]。如图1-2(a)所示，以复合材料增强相 SiC 纤维为衬底，外围的白色柱状体为利用磁控溅射技术所涂覆的 Ti-6Al-4V 基体涂层截面。将这些具有钛合金基体涂层的 SiC 纤维整齐排布并进行真空热压或者热等静压，即得到如图 1-2(b)所示的 SiC 纤维增强钛基复合材料，其中黑色圆形部分为 SiC 纤维截面，SiC 纤维之间的白色部分为热压所得到的 Ti-6Al-4V基体组织。Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr、钛铝系等合金均为复合材料中常用的钛合金基体材料[65-68, 74]。这些钛合金在传统制造工艺的组织和性能已经被广泛深入研究，而当它们用于磁控溅射时，所生成的溅射态组织却很少有人研究。本课题组认为很有必要对这些钛合金的溅射态组织进行了解，其中工艺参数与组织之间的关系尤为重要，，这对我们改进钛基复合材料的制备工艺有着重要的指导意义。因此，本论文以磁控溅射制备薄膜的方式对这些钛合金的溅射组织进行深入研究和讨论。1.2 磁控溅射磁控溅射属于物理气相沉积方法，是溅射法的一种改良。要了解磁控溅射，有必要先了解溅射。溅射镀膜的过程如下：利用工作气体辉光放电获得带有正电荷的离子，在电场作用下将这些离子引向镀料制成的阴极靶，使离子与靶表面的原子发生碰撞。若离子的能量足够强大，可将靶表面的原子溅射出来。这些被溅射的原子具有一定的动能，并且沿着一定方向在衬底表面沉积，形成薄膜。这里的工作气体指的是惰性气体，一般图 1-2(a) 磁控溅射技术制备的 Ti-6Al-4V 柱状涂层

示意图,偏压溅射

) 射频溅射是指用交流电源激发放电，适用于制备非金属以及陶瓷薄膜的) 反应溅射是指在惰性气体中引入活性气体，如氧气(O2)、氮气(N2)、氨气H4)等, 通过被溅射的靶原子与活性气体发生化学反应生成所需的化合物薄) 偏压溅射也称为溅射离子镀，是在指对衬底的电位进行设置单独，而不真空室)的电位，使得衬底与等离子体之间存在一定的偏置电压，吸引部击薄膜的表面，以达到改变薄膜生长、结构与性能的目的。加在衬底上的以是直流偏压，也可以是射频偏压。) 磁控溅射是指在靶材表面引入磁场，束缚电子的运动，在后面将做重点射方法种可以根据使用目的进行搭配。比如通过直流(射频)电源引发工作时使用衬底负偏压改善薄膜质量，即为直接(射频)偏压溅射。 1-3 为直流偏压溅射装置示意图。溅射靶材为阴极，相对于作为阳极并接于负电位，衬底接额外的直流偏压电源。以氩气(Ar)作为工作气体为例，下，通入氩气，在高压下电离成为 Ar+离子和电子 e。电子 e 会加速飞向离子在电场的作用下飞向靶材并轰击靶材表面，使靶材表面原子获得足够材的束缚，飞向衬底表面，并在衬底表面凝聚成薄膜。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TG146.23

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