Ti-Al(N)微叠层材料的制备与表征

摘要

目前航空航天领域采用的微叠层复合材料主要被用作航空飞行器或航空发动机的高温结构材料上。TiAl微叠层材料以其低密度、高的常温和高温强度、高的耐磨性以及高温抗腐蚀性强等特点备受关注；其衍生出的TiAlN微叠层材料以其抗氧化温度高、硬度高、附着力强以及摩擦因数小等特点，在高速切削加工领域迅速的发展。本文通过构造可靠的数据库进行TiAl二元和TiAlN三元系相图和其它热力学性能计算，在其指导下通过磁控溅射+热处理的方法制备了TiAl和TiAlN微叠层材料，研究了TiAl和TiAlN微叠层材料的制备工艺及其性能。
　　热力学计算中TiAl二元系采用公共二元数据库PBIN，三元系采用刊物发表的可靠数据按照热力学模型优化生成 user数据库,在此基础上作出系列三元相图来指导涂层的溅射和热处理等制备过程。
　　TiAl微叠层的制备选用Al靶和Ti靶对Ti板基体进行溅射，Al靶采用射频溅射，Ti靶采用直流溅射。在制备TiAlN微叠层过程中，通过在Ti靶溅射过程中通入氮气，来获得TiAlN涂层。对TiAl微叠层进行600℃和700℃的热处理，保温1h；而对TiAlN微叠层进行600℃、700℃和800℃的热处理。
　　通过原子力显微镜对涂层的表面形貌进行分析得知：磁控溅射生成的TiAl微叠层粗糙度很小，而经过600℃热处理退火后，微叠层物相以TiAl相为主，表面粗糙度变大；700℃热处理退火后微叠层的粗糙度相比600℃时要低。
　　XRD分析：磁控溅射得到的TiAl微叠层由Ti、TiAl和Ti3Al相构成；600℃退火微叠层由TiAl和Ti3Al相构成；700℃退火后叠层物相为Ti3Al相。对TiAlN微叠层的XRD分析得到的物相都由Ti基固溶体相和TiN相构成；600℃退火时Al析出形成TiAlN相和Ti2AlN相，同时TiN相含量也逐渐减少；而双层微叠层中TiAlN相含量明显比单层的多；700℃退火后，单层微叠层中物相TiAlN相含量明显增多；双层微叠层中Ti-Al-N系的物相增多，同时有少量的TiO2，产生TiO2的原因是由于试样放置于空气中时间较长造成的；800℃退火后，TiAlN相的衍射峰有向右偏移的趋势，TiAlN相含量升高。
　　摩擦磨损结果显示：700℃退火后的TiAl微叠层、800℃退火后的单层和双层TiAlN微叠层的摩擦系数较小，耐磨性能优良；而双层TiAlN微叠层的摩擦系数均比单层的要小，耐磨性能更优越。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 金属间化合物结构材料

1.3 Ti-Al系金属间化合物的基本特征与性能

1.4 TiAlN微叠层的基本结构与性能

1.5 微叠层的研究进展

1.6 本文研究内容

第2章 实验条件及研究方法

2.1 实验用原材料与预处理

2.2 TiAl和TiAlN微叠层的制备

2.3 TiAl和TiAlN微叠层的表征

2.4 本章小结

第3章 TiAl微叠层的制备和摩擦磨损性能分析

3.1引言

3.2 TiAl微叠层的制备工艺

3.3 热力学计算分析

3.4 物相分析

3.5 表面形貌分析

3.6 TiAl微叠层的摩擦磨损性能分析

3.7 本章小结

第4章 TiAlN微叠层的制备和摩擦磨损性能分析

4.1 引言

4.2 TiAlN微叠层制备工艺的选定

4.3 TiAlN微叠层的物相分析

4.4 TiAlN微叠层材料的摩擦磨损性能分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

致谢