双阴极等离子沉积TiN涂层的工艺及性能研究

发布时间：2017-08-17 03:06

  本文关键词：双阴极等离子沉积TiN涂层的工艺及性能研究

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【摘要】：钛合金是航空航天、船舶、医药等领域十分青睐的合金材料,但它也存在耐磨损性能差、高温抗氧化性不足、易被还原性酸腐蚀等缺点。利用适当的先进表面工程方法可以有效地改善钛合金的表面性能,因此表面改性技术成为了提高钛合金的摩擦磨损性能和抗氧化性能最经济、最灵活的手段。表面工程技术在国内外学者的潜心研究下取得了快速的发展,制备硬质涂层的相关工艺技术不断丰富和成熟。通过表面改性方法在基体表面沉积硬质涂层,可以在保证不改变基体尺寸和形状的同时,优化基体材料的表面性能。TiN涂层硬度高、耐磨性好、生物相容性和导电性良好,是机械工具、航空航天设备、电子产品、医疗器械中很受欢迎的涂层材料。因此,通过在普通金属表面制备TiN硬质涂层来改善其表面性能引起了国内外学者的高度关注。本文选用双阴极等离子渗金属这一表面改性技术来改善钛合金的相关表面性能,首先在在TC4合金表面进行等离子渗Ti,形成钛的固溶体过渡层,然后通入氮气在TC4表面形成TiN反应沉积层,并研究了涂层的微观组织结构、耐蚀性能、力学性能和磨损性能。通过扫描电镜、透射电镜、X射线能量色散谱和X射线衍射仪来表征涂层的微观组织结构,检测结果显示:所制备Ti N涂层表面光滑平整,成分均匀无杂质。在3.5%wt.NaCl溶液中对所制备的纳米晶TiN涂层和TC4基体进行开路电位、动电位极化、电化学阻抗谱测试,评估涂层的耐蚀性能,实验结果表明:TiN涂层相比于钛合金基体,具有很好的耐腐蚀性能;采用划痕法和纳米压入技术对涂层的力学行为进行测定,测试结果表明:纳米晶TiN涂层与基体结合良好,其硬度和弹性模量的比值相比于钛合金基体明显提高,表明基体的韧性得到了很好的改善;为了评估涂层的耐磨性,在室温及500℃高温条件下对涂层进行了摩擦磨损试验,实验结果表明:在相同实验条件下,TiN涂层的比磨损率明显低于TC4基体的比磨损率,TiN涂层的耐磨性明显优于TC4合金。
【关键词】：双阴极等离子渗金属技术 Ti N 微观结构 耐磨性 耐蚀性
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 双阴极等离子渗金属技术10-12
• 1.2.1 双阴极等离子渗金属的基本原理10-11
• 1.2.2 双阴极等离子渗金属的特点11
• 1.2.3 双阴极等离子渗金属技术的研究进展与应用11-12
• 1.3 氮化钛陶瓷材料的研究与进展12-15
• 1.3.1 氮化钛的结构与性能12-14
• 1.3.2 氮化钛涂层的应用14
• 1.3.3 氮化钛陶瓷涂层研究新进展14-15
• 1.4 课题的提出15-19
• 1.4.1 课题提出的依据15-16
• 1.4.2 课题的主要研究内容16-19
• 第2章 实验材料与实验方案19-27
• 2.1 实验材料19
• 2.2 实验设备及涂层制备工艺19-21
• 2.3 分析方法及手段21-27
• 2.3.1 微观组织和相组成分析21
• 2.3.2 腐蚀性能测试21-22
• 2.3.3 X射线光电子能谱(XPS)测试22-23
• 2.3.4 涂层与基体结合力测定23-24
• 2.3.5 硬度和弹性模量测试24-25
• 2.3.6 磨损性能测试25-27
• 第3章 TiN涂层的物相及微观组织分析27-37
• 3.1 涂层的表面形貌27-29
• 3.2 涂层的XRD分析29-31
• 3.3 涂层的横截面SEM分析31-33
• 3.4 涂层的TEM分析33-34
• 3.5 本章小结34-37
• 第4章 TiN涂层的腐蚀性能研究37-47
• 4.1 TiN涂层的腐蚀性能研究37-47
• 4.1.1 开路电位(OCP)—时间测试37-38
• 4.1.2 动电位极化曲线测试38-40
• 4.1.3 电化学阻抗谱(EIS) 分析40-43
• 4.1.4 腐蚀形貌观察43-44
• 4.1.5 钝化膜成分XPS分析44-47
• 第5章 涂层的力学性能及磨损性能分析47-61
• 5.1 涂层与基体间的结合力分析47-49
• 5.2 TiN涂层的韧性分析49-51
• 5.3 TiN涂层的磨损性能分析51-58
• 5.3.1 涂层的摩擦系数曲线51-52
• 5.3.2 涂层磨痕的SEM形貌图52-57
• 5.3.3 TiN涂层的比磨损率57-58
• 5.3.4 TiN涂层的磨损机理分析58
• 5.4 本章小结58-61
• 第6章 结论61-63
• 参考文献63-71
• 致谢71

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