Nb含量对Ti-Nb合金薄膜微观形貌与力学性能的影响
发布时间：2021-10-22 21:02
Ti-Nb合金薄膜因其形状记忆效应和良好的生物相容性引起广泛关注.本文通过调节Ti-Nb合金薄膜中的Nb含量,实现了对薄膜表面和横截面微观形貌、晶体结构、力学性能的调控.研究发现,随着Nb含量的增加,薄膜表面微观形貌从圆整颗粒状过渡到互相交织的针叶状;晶粒从贯穿横截面的柱状晶过渡到介于等轴晶和柱状晶之间的状态;薄膜晶体结构呈现出（211）β晶面逐步取代（103）α晶面并最终由β单相组成的演变过程. Ti-16Nb（原子百分比,下文同）和Ti-20Nb薄膜纳米压痕实验的加载曲线上出现pop-in现象,证实其存在超弹性,对应的马氏体相变临界载荷分别为1761和2247μN. Ti-20Nb薄膜由于相互交织的针叶状组织,其硬度值达到7.43±0.12 GPa,屈服强度提高至2.64±0.07 GPa.同时,β单相的晶体结构使得Ti-20Nb薄膜弹性能量回复率大幅提升至53.49%±0.94%,从而提高薄膜抵抗塑性变形的能力,可保证MEMS器件在使用过程中的控制精度,并延长其使用寿命.
【文章来源】：中国科学:技术科学. 2020,50(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
(网络版彩图)不同Nb含量的Ti-Nb合金薄膜的表面微观形貌图.(a)Ti-8Nb;(b)Ti-13Nb;(c)Ti-16Nb;(d)Ti-20Nb
图5为不同Nb含量的Ti-Nb合金薄膜的XRD衍射图谱.由图5可以看出,当Nb含量为8%时,薄膜由β相(bcc)和α相(hcp)共同组成,无明显的择优取向;当Nb含量增加到13%时,Nb元素稳定β相的作用明显出现,(211)β晶面逐渐长大,而(102)α晶面和(110)α晶面逐渐被抑制;进一步增加Nb含量至16%时,XRD图谱显示出(211)β晶面逐步取代(103)α晶面的趋势,此时随着Nb含量的增加,β相越来越稳定,所占比例也越来越大;直至Nb含量增加至20%,薄膜完全由β单相组成,即β相钛合金被稳定在室温,而且(110)β晶面逐渐长大,薄膜存在明显的择优取向.此结果符合钛合金d电子理论相关计算[19,20],随着Nb含量的增加,钛合金β相越来越稳定.薄膜的择优取向取决于最低总能量,应变能和表面能与此密切相关.当Nb含量小于20%时,应变能较小,总能量主要取决于表面能.而{110}β具有最低表面能,所以呈现出(110)β择优取向.
式中,β是与压头形状有关的常数;A为在最大载荷下压头和试样之间的接触面积;S为接触刚度.Er与材料和压头的组合变形行为有关,表征压头和试样两者的弹性性能,定义为式中,E和υ分别为试样的杨氏模量和泊松比,Ei和υi分别为压头的杨氏模量和泊松比.对于金刚石玻氏压头,Ei=1140 GPa,υi=0.07.材料的弹性模量可通过此公式计算获得.
【参考文献】：
期刊论文
[1]Design and fabrication of a low modulus β-type Ti-Nb-Zr alloy by controlling martensitic transformation[J]. Qing-Kun Meng,Yu-Fei Huo,Wen Ma,Yan-Wei Sui,Jin-Yong Zhang,Shun Guo,Xin-Qing Zhao. Rare Metals. 2018(09)
[2]磁控溅射镀膜技术的发展[J]. 余东海,王成勇,成晓玲,宋月贤. 真空. 2009(02)
[3]基于Sigmund理论的溅射产额计算及分析[J]. 陈明,王君,陈长琦,刘珍. 真空. 2007(02)
本文编号：3451834
【文章来源】：中国科学:技术科学. 2020,50(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
(网络版彩图)不同Nb含量的Ti-Nb合金薄膜的表面微观形貌图.(a)Ti-8Nb;(b)Ti-13Nb;(c)Ti-16Nb;(d)Ti-20Nb
图5为不同Nb含量的Ti-Nb合金薄膜的XRD衍射图谱.由图5可以看出,当Nb含量为8%时,薄膜由β相(bcc)和α相(hcp)共同组成,无明显的择优取向;当Nb含量增加到13%时,Nb元素稳定β相的作用明显出现,(211)β晶面逐渐长大,而(102)α晶面和(110)α晶面逐渐被抑制;进一步增加Nb含量至16%时,XRD图谱显示出(211)β晶面逐步取代(103)α晶面的趋势,此时随着Nb含量的增加,β相越来越稳定,所占比例也越来越大;直至Nb含量增加至20%,薄膜完全由β单相组成,即β相钛合金被稳定在室温,而且(110)β晶面逐渐长大,薄膜存在明显的择优取向.此结果符合钛合金d电子理论相关计算[19,20],随着Nb含量的增加,钛合金β相越来越稳定.薄膜的择优取向取决于最低总能量,应变能和表面能与此密切相关.当Nb含量小于20%时,应变能较小,总能量主要取决于表面能.而{110}β具有最低表面能,所以呈现出(110)β择优取向.
式中,β是与压头形状有关的常数;A为在最大载荷下压头和试样之间的接触面积;S为接触刚度.Er与材料和压头的组合变形行为有关,表征压头和试样两者的弹性性能,定义为式中,E和υ分别为试样的杨氏模量和泊松比,Ei和υi分别为压头的杨氏模量和泊松比.对于金刚石玻氏压头,Ei=1140 GPa,υi=0.07.材料的弹性模量可通过此公式计算获得.
【参考文献】：
期刊论文
[1]Design and fabrication of a low modulus β-type Ti-Nb-Zr alloy by controlling martensitic transformation[J]. Qing-Kun Meng,Yu-Fei Huo,Wen Ma,Yan-Wei Sui,Jin-Yong Zhang,Shun Guo,Xin-Qing Zhao. Rare Metals. 2018(09)
[2]磁控溅射镀膜技术的发展[J]. 余东海,王成勇,成晓玲,宋月贤. 真空. 2009(02)
[3]基于Sigmund理论的溅射产额计算及分析[J]. 陈明,王君,陈长琦,刘珍. 真空. 2007(02)
本文编号：3451834
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