【摘要】：鈦鋁基金屬間化合物具有優(yōu)異的抗氧化能力、良好的耐磨和耐蝕性、較高的高溫強(qiáng)度、低密度和高熔點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)材料,近年來材料工作者致力于將其應(yīng)用于鋁合金表面的強(qiáng)化層,另外,鈦元素與氮元素有極高的親和性,能形成高硬度的鈦氮化合物,基于此,本文預(yù)期通過鍍/滲復(fù)合改性方法在2024鋁合金和5083鋁合金表面制備出耐磨耐蝕層。該復(fù)合改性方法分為兩步,首先利用磁控濺射離子鍍技術(shù)在鋁合金表面預(yù)鍍鈦膜作為合金化擴(kuò)散源,再將鍍鈦鋁合金進(jìn)行脈沖等離子體滲氮獲得復(fù)合改性層。針對(duì)該方法,本文以第一性原理計(jì)算為基礎(chǔ),結(jié)合熱力學(xué)分析,研究了擴(kuò)滲反應(yīng)生成相的可能性以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了預(yù)測(cè),基于此,在鋁合金表面設(shè)計(jì)多層涂層結(jié)構(gòu)。采用X射線衍射分析(XRD)、掃描電鏡觀察(SEM)、能譜分析(EDS)、透射電鏡觀察(TEM)等手段研究了預(yù)鍍鈦膜工藝和擴(kuò)滲工藝對(duì)復(fù)合改性層組織結(jié)構(gòu)和性能的影響。采用維氏顯微硬度計(jì)、球-盤式摩擦試驗(yàn)機(jī)和3.5%Na Cl溶液中的陽極極化法測(cè)試了改性層的硬度、耐磨和耐蝕性能。熱力學(xué)分析表明鈦-氮體系和鋁-鈦-鎂反應(yīng)擴(kuò)散體系在低溫下能分別形成α-Ti N0.3,Al3Ti和Al18Ti2Mg3,第一性原理計(jì)算表明Al3Ti的形成能最負(fù),α-Ti N0.3的結(jié)合能最負(fù)。三種物相均存在共價(jià)、離子和金屬鍵的混合作用,其中Ti-N之間的共價(jià)作用最強(qiáng),Al3Ti中的Al-Ti鍵共價(jià)性強(qiáng)于Al18Ti2Mg3中的Al-Ti鍵。首次預(yù)測(cè)了α-Ti N0.3和Al18Ti2Mg3的楊氏模量,分別為199GPa和122GPa,三種化合物的B/G分別為1.84、1.56和1.25,其中α-Ti N0.3和Al18Ti2Mg3具有較低的脆性傾向,計(jì)算結(jié)果表明復(fù)合改性層的多相多層結(jié)構(gòu)有利于降低界面殘余熱應(yīng)力。鋁合金表面預(yù)鍍Ti膜均為密排六方結(jié)構(gòu),并存在(002)晶面的擇優(yōu)取向,提高偏壓、增大濺射功率和延長(zhǎng)沉積時(shí)間,(002)晶面的擇優(yōu)取向趨勢(shì)減弱。鍍鈦2024鋁合金和5083鋁合金經(jīng)等離子體滲氮后,表面形成多層結(jié)構(gòu),分別由α-Ti N0.3/Al3Ti/Al18Ti2Mg3和α-Ti N0.3/Al18Ti2Mg3組成,復(fù)合改性層中Al3Ti層和Al18Ti2Mg3層的增厚滿足冪函數(shù)關(guān)系,動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)指數(shù)分別為0.797和1.133,近似線性生長(zhǎng)規(guī)律。等離子滲氮溫度和時(shí)間對(duì)復(fù)合改性層的相結(jié)構(gòu)和層厚影響較大。2024鋁合金表層的α-Ti N0.3在低溫(460°C)時(shí)存在(002)晶面擇優(yōu)取向,提高溫度時(shí)轉(zhuǎn)向(100)晶面擇優(yōu)生長(zhǎng),而5083鋁合金表層的α-Ti N0.3隨著溫度的升高,(002)晶面的擇優(yōu)取向趨勢(shì)增強(qiáng)。2024鋁合金表面復(fù)合改性層厚度隨滲氮溫度的提高而增加,并且Al18Ti2Mg3層的厚度增加大于Al3Ti層。在低氮?dú)夥仗幚頃r(shí),2024鋁合金層的α-Ti N0.3沿(100)晶面擇優(yōu)生長(zhǎng),在高氮?dú)夥障罗D(zhuǎn)向(002)晶面的擇優(yōu)生長(zhǎng),而滲氮?dú)夥諏?duì)鋁基化合物層相結(jié)構(gòu)和5083鋁合金表層相結(jié)構(gòu)影響不大。在460°C不同時(shí)間擴(kuò)滲后,2024鋁合金表面α-Ti N0.3均保持(100)晶面的擇優(yōu)取向,α-Ti N0.3層厚緩慢減小,而鋁基金屬間化合物層的厚度增加,5083鋁合金的表層α-Ti N0.3的(002)晶面的擇優(yōu)生長(zhǎng)趨勢(shì)隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而減弱。低溫和低氮?dú)夥障?α-Ti N0.3顆粒細(xì)化至50nm,提高溫度和氮?dú)浔?延長(zhǎng)保溫時(shí)間,顆粒聚集長(zhǎng)大,表層變得致密。復(fù)合改性層顯著提高了2024鋁合金和5083鋁合金的表面硬度,兩者的基體硬度分別為HV98和HV61,鍍滲處理后的硬度可分別高達(dá)到HV631和HV880。α-Ti N0.3層存在(002)晶面的擇優(yōu)取向時(shí),改性層的表面硬度得到明顯提高。納米壓痕測(cè)試結(jié)果表明,α-Ti N0.3和Al18Ti2Mg3的楊氏模量分別為172GPa和131GPa,與第一性原理預(yù)測(cè)結(jié)果相近,納米硬度分別為10.35GPa和8.97GPa,遠(yuǎn)高于鋁合金基體的硬度1.46GPa。復(fù)合改性層降低了鋁合金表面的摩擦系數(shù)和磨損率,2024鋁合金和5083鋁合金基體的摩擦系數(shù)分別為0.52和0.71,經(jīng)擴(kuò)滲處理后,鋁合金表面的摩擦系數(shù)可分別降低至0.31和0.28,磨損率可分別降低59.4%和68.8%,顯著提高了鋁合金表面的耐磨性。復(fù)合改性層的磨損機(jī)制主要是磨粒磨損,并伴有氧化磨損和輕微的粘著磨損。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG174.4
【圖文】：

圖 1-1 純鋁在 550℃ 離子滲氮 40h 后的表面形貌和截面形貌[53]Fig. 1-1 Morphologies of pure Al nitrided at 550℃ for 40h(a) Surface morphology, (b) Cross-section morphology(a)(b)

圖 1-1 純鋁在 550℃ 離子滲氮 40h 后的表面形貌和截面形貌[53]Fig. 1-1 Morphologies of pure Al nitrided at 550℃ for 40h(a) Surface morphology, (b) Cross-section morphology

本文編號(hào)：2734518