镁合金表面磁控溅射离子镀碳膜工艺及性能研究

发布时间：2017-10-29 00:14

  本文关键词：镁合金表面磁控溅射离子镀碳膜工艺及性能研究

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【摘要】：Mg-Gd-Y-Zr系列稀土镁合金由于其优良的高温强度以及抗蠕变性能,得到了广泛的研究与应用。然而其较差的耐腐蚀和耐磨损性能极大地限制了发展,表面改性是改善稀土镁合金耐蚀耐磨性能最有效的方式之一。本文采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术,在GW83镁合金表面制备碳膜来达到提高其耐蚀耐磨性能的目的。同时,对磁控溅射离子镀沉积碳膜的工艺进行了系统研究,主要分析了清理偏压、基体负偏压、靶电流、不同过渡层对碳膜的表面形貌、硬度及弹性模量、膜基结合强度、耐蚀性、耐磨性等的影响,并获得了最佳制备工艺。实验结果表明,镀膜前施加合适的清理偏压可以有效清理基体表面,从而减少薄膜缺陷,提高薄膜致密度。在镀膜过程中给基体施加负偏压,能增强离子对薄膜的轰击作用,使得薄膜致密度及与基体的结合强度提高,从而其耐蚀性得到提高;但过大的基体偏压会造成对基体过高的能量轰击,不利于薄膜致密度及耐蚀性的提高。合适的靶电流可以对薄膜形成适当的正离子轰击,且能保持合适的沉积速率,从而形成孔隙率低并与基体结合良好的膜层。本文中基体偏压为-40 V靶电流为3.5 A下制备的C/Al薄膜综合性能最佳,硬度及弹性模量分别为880.9 HV和68.8 GPa,在3.5 wt%NaCl溶液中的腐蚀电位为-1624mV,腐蚀电流密度为198μA cm-2。2 N,1800 s磨损环境下磨痕宽度为0.93 mm。相比于C/Al、C/Ti膜层,C/Cr膜层具有更高的硬度及耐磨性能,这是由于高硬度的Cr作为金属过渡层时可以有效提高基体承载能力。C/Al膜层具有更高的膜基结合强度及耐腐蚀性能,这是由于Al的物理性能(如硬度、弹性模量)与Mg最接近,Al易于沉积在镁合金上,同时Al与Mg电极电位接近,减小了电偶腐蚀的影响。将磁控溅射与化学镀相结合,制备了致密均匀,表面孔隙率极低的Ni+C复合膜层,其表面碳层为典型的类石墨结构。在复合膜层中,表面碳层与Ni层结合良好,在3.5 wt%NaCl溶液中的腐蚀电位由GW83镁合金的-1673 mV正移到-1372 mV,腐蚀电流密度由90μA cm-2降至11μA cm-2,显著提高了基体的耐腐蚀性能。此外Ni+C复合膜层在磨损测试时延长了基体镁合金的磨损寿命。这是由于较厚的Ni中间层的加入,不仅提高了膜层致密度,降低了孔隙率;而且起到了过渡各层硬度的作用,降低了膜层内应力,提高了膜层的承载能力,从而提高了复合膜层的耐蚀耐磨性能。
【关键词】：镁合金 磁控溅射离子镀 碳膜 耐蚀性 耐磨性
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 稀土镁合金10-12
• 1.1.1 稀土对镁合金的作用10-11
• 1.1.2 稀土镁合金的系列11-12
• 1.1.3 稀土镁合金的应用12
• 1.2 镁合金表面改性12-13
• 1.2.1 阳极氧化12
• 1.2.2 金属镀层12-13
• 1.2.3 热扩渗13
• 1.2.4 离子注入13
• 1.2.5 物理气相沉积13
• 1.3 磁控溅射技术13-17
• 1.3.1 磁控溅射原理14
• 1.3.2 磁控溅射发展14-16
• 1.3.3 闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术16-17
• 1.4 磁控溅射在镁合金中的应用17-18
• 1.5 本文研究的内容及意义18-19
• 第二章 实验内容及方法19-27
• 2.1 基体材料及前处理19
• 2.2 镀层制备19-20
• 2.3 镀层性能测试方法20-27
• 2.3.1 表面形貌观察20-21
• 2.3.2 拉曼光谱21
• 2.3.3 硬度及弹性模量测试21
• 2.3.4 划痕测试21-23
• 2.3.5 电化学测试23-25
• 2.3.6 摩擦磨损测试25-27
• 第三章 镀膜工艺对碳膜性能的影响27-51
• 3.1 清理偏压对碳膜性能的影响27-30
• 3.1.1 表面形貌27-28
• 3.1.2 横截面形貌28-29
• 3.1.3 膜基结合力29
• 3.1.4 硬度及弹性模量29-30
• 3.2 镀膜偏压对碳膜性能的影响30-40
• 3.2.1 表面形貌31-32
• 3.2.2 膜基结合力32-33
• 3.2.3 硬度及弹性模量33
• 3.2.4 耐腐蚀性能33-37
• 3.2.5 耐磨损性能37-40
• 3.3 靶电流对碳膜性能的影响40-49
• 3.3.1 表面形貌40-41
• 3.3.2 膜基结合力41-42
• 3.3.3 硬度及弹性模量42-43
• 3.3.4 耐腐蚀性能43-46
• 3.3.5 耐磨损性能46-49
• 3.4 本章小结49-51
• 第四章 Al、Cr、Ti不同金属过渡层对碳膜性能的影响51-67
• 4.1 清理偏压对C/Cr、C/Ti薄膜性能的影响51-57
• 4.1.1 表面形貌51-53
• 4.1.2 膜基结合力53-55
• 4.1.3 硬度及弹性模量55-57
• 4.2 不同过渡层对碳膜性能的影响57-65
• 4.2.1 表面形貌57-58
• 4.2.2 硬度及弹性模量58-59
• 4.2.3 膜基结合力59-60
• 4.2.4 耐腐蚀性能60-62
• 4.2.5 耐磨损性能62-65
• 4.3 本章小结65-67
• 第五章 Ni+C复合膜层在工程上的应用67-80
• 5.1 Ni+C复合膜层的制备67-68
• 5.1.1 化学镀Ni67-68
• 5.1.2 磁控溅射68
• 5.2 形貌及性能分析68-78
• 5.2.1 表面形貌68-69
• 5.2.2 横截面及线扫描69-70
• 5.2.3 硬度及弹性模量70-71
• 5.2.4 膜基结合力71-72
• 5.2.5 耐腐蚀性能72-75
• 5.2.6 耐磨损性能75-78
• 5.3 本章小结78-80
• 第六章 结论80-82
• 参考文献82-87
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文87-88
• 致谢88-90

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本文编号：1110562