銅合金表面Ti-Cu-N復(fù)相改性層設(shè)計(jì)與組織形成機(jī)制

發(fā)布時(shí)間：2020-05-08 16:59

【摘要】：銅合金導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)良,兼?zhèn)淞己玫募庸ば阅?被廣泛應(yīng)用于電子、電力、制造業(yè)、航空航天以及能源等領(lǐng)域。隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展,對銅合金零部件的服役環(huán)境、使用精度、服役壽命等提出了更高的要求。將表面改性技術(shù)應(yīng)用于銅合金領(lǐng)域,為銅合金表面賦予新的性能成為研究熱點(diǎn)。為了提高涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度,梯度熱擴(kuò)散涂層具有更大的優(yōu)越性。在熱擴(kuò)散過程中,硬質(zhì)涂層與基體可以實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合,從而大大提高了涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度。由于Cu-Ti為基的熱擴(kuò)散層與銅合金基體具有相似的力學(xué)和物理性能,所以Cu-Ti熱擴(kuò)散層是最好的選擇。等離子體氮化過程可以將含氮?dú)怏w的介質(zhì)電離后使氮元素滲入材料表面,形成氮化物或者含氮固溶體,并提供擴(kuò)散的熱力學(xué)條件。因此,本文針對提高C17200鈹青銅和C61900鋁青銅表面耐磨性的要求,基于熱力學(xué)計(jì)算與第一性原理計(jì)算方法提出了Ti-Cu-N復(fù)相改性層的設(shè)計(jì)思路,采用非平衡磁控濺射與等離子體滲氮復(fù)合改性方法在兩種耐磨銅合金表面制備了Ti-Cu-N改性層,并研究了改性層的形成機(jī)制,測試了改性層的硬度、摩擦學(xué)性能和結(jié)合力等力學(xué)性能。根據(jù)Ti-N相圖、Cu-Ti相圖、Al-Cu-Ti三元相圖及熱力學(xué)計(jì)算確定Ti-CuN復(fù)相改性層在等離子體滲氮溫度區(qū)間(900~1100 K)可能的生成相。結(jié)果表明,Cu-Ti各相(Cu_4Ti、Cu_3Ti、Cu_2Ti、Cu_3Ti_2、Cu_4Ti_3、CuTi和CuTi_2)、TiN各相(δ-Ti N、ε-Ti_2N和α-Ti(N))及Al Cu_2Ti相均可形成。采用第一性原理方法計(jì)算了上述各相的穩(wěn)定性及力學(xué)性質(zhì),Cu-Ti化合物的彈性模量和硬度均高于Cu和Ti,其中CuTi化合物的彈性模量、硬度及德拜溫度最高,除CuTi相和CuTi_2相之外的Cu-Ti金屬間化合物均為韌性。Ti-N各相的彈性模量、硬度和德拜溫度均比Cu-Ti化合物高,并且隨著N含量的增加而提高。因此,將TiCu-N復(fù)相改性層設(shè)計(jì)為外層高硬Ti-N層,中間為Cu-Ti過渡層具有理論依據(jù)。另外,由Ti-Cu-N體系計(jì)算結(jié)果可知,銅合金表面Ti-Cu-N復(fù)相改性層的相演變過程中N和Cu存在與Ti結(jié)合的競爭關(guān)系,Cu可以起到細(xì)化表面Ti-N層晶粒的作用。AlCu_2Ti相是硬度、模量較高的韌性材料,可作為優(yōu)質(zhì)耐磨材料應(yīng)用。采用非平衡磁控濺射方法在兩種銅合金表面制備了Ti/Cu原子比分別為7:1、7:4和1:2三種成分的Cu-Ti膜。對所制備薄膜的相分析結(jié)果表明,Ti/Cu原子比為7:1的工藝膜層的相結(jié)構(gòu)為β-Ti相、Ti_2Cu相和少量的α-Ti,Ti/Cu原子比為7:4的膜層的相結(jié)構(gòu)為Ti_2Cu相和少量的CuTi相,Ti/Cu原子比為1:2的膜層為非晶態(tài)。銅合金表面預(yù)置Cu-Ti膜后分別進(jìn)行了真空擴(kuò)散和等離子體滲氮處理,獲得了Cu-Ti和Ti-Cu-N復(fù)相改性層,其中Ti-Cu-N復(fù)相改性層包括表面Ti-N層和中間Cu-Ti化合物層,Ti/Cu原子比為1:2的膜層滲氮后次表層出現(xiàn)富Cu相,Ti-N層為TiN相和TiN0.3相。C17200鈹青銅表面制備的Cu-Ti中間層主要包括Ti_2Cu相、CuTi相和Cu_3Ti相,另外還有Be_3Ti_2Cu相。預(yù)置Cu-Ti膜的C61900銅合金等離子體滲氮后改性層靠近基體位置迅速形成較厚的AlCu_2Ti相,中間層還存在CuTi相、Cu_3Ti相和少量Ti_2Cu相。隨著擴(kuò)散的進(jìn)行,Cu原子的擴(kuò)散促使含Cu比例高的Cu-Ti化合物形成,并且Ti與Cu之間和Ti與N之間的競爭反應(yīng)限制了Ti-N化合物層的生長。Ti-Cu-N復(fù)相改性層硬度與模量值的變化規(guī)律與改性層的相結(jié)構(gòu)密切相關(guān),Ti-N層的厚度越厚表層的硬度越高。C17200銅合金和C61900銅合金表面預(yù)置Ti/Cu原子比為7:1的膜層經(jīng)過650℃滲氮1h后,改性層的硬度(10 GPa)與模量(180~190 GPa)最高,磨損率分別降低至2.4×10~(-15)m~3/Nm和1.0×10~(-15)m~3/Nm,穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)依然較高約為0.25。C17200銅合金表面預(yù)置Ti/Cu原子比為7:1的膜層和Ti/Cu原子比為7:4的膜層650℃滲氮4h后摩擦系數(shù)大幅度降低,分別為0.06和0.07,磨損率分別為1.4×10~(-15)m~3/Nm和1.0×10~(-15)m~3/Nm,比基體降低了94%以上。而C61900銅合金表面預(yù)置Ti/Cu原子比為7:4的膜層650℃滲氮4h后摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.1和1.0×10~(-15)m~3/Nm,比基體磨損率降低了99.5%,磨損機(jī)制均為輕微黏著磨損和氧化磨損。
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