ZL205A铝合金表面镀钛渗氮复合改性层研究

摘要

本文利用钛-铝之间的互扩散，通过镀钛渗氮的改性技术在ZL205A铝合金表面制备出了高硬度高耐磨性的复合改性层。首先通过第一性原理计算热扩渗过程生成相的形成能，并通过计算原子扩散系数作为辅助，实现对镀渗复合改性层的设计。采用磁控溅射方法在铝合金表面镀钛，然后将预置钛膜的铝合金进行等离子渗氮，在其表面获得复合改性层，采用XRD、SEM、EDS对钛膜和复合改性层的相结构、形貌和成分进行分析，并对镀渗复合改性层进行了硬度表征和摩擦磨损测试。
　　第一性原理计算结果表明，Ti-Al之间发生互扩散，且 Ti的扩散系数远大于铝的扩散系数。在渗氮温度下，钛铝化合物中Al3Ti的形成能最低，最容易形成。TiN0.3的形成能远大于 Al3Ti的形成能，且结合能的绝对值很大，TiN0.3比Al3Ti难形成，但是比Al3Ti更稳定。据此预测，钛膜较厚时，通过镀钛渗氮的方法可形成表层为TiN0.3，中间层为Al3Ti的复合改性层。钛膜较薄时，改性层为单一的化合物Al3Ti层。
　　通过磁控溅射的方法，在 ZL205A铝合金表面成功制备出一层致密且分布均匀的α-Ti，并且存在（002）晶面择优取向，随着钛膜厚度增加，择优取向趋势增强。镀钛铝合金渗氮后表层形成了梯度多相结构的复合改性层，最外层为TiN0.3，中间层为Al3Ti。镀钛膜厚度较薄时，改性层只有Al3Ti，无TiN0.3生成，钛膜厚度增加，复合改性层中 TiN0.3层所占比例增加。TiN0.3同样在（002）晶面择优取向，随钛膜厚度增加，择优取向性增强，晶粒变得均匀且致密。
　　复合改性层显著提高了 ZL205A铝合金表面的硬度。镀渗复合处理的铝合金的硬度最高达HV411，是固溶时效态铝合金硬度的4.2倍。TiN0.3存在（002）晶面择优取向时，改性层的硬度提高。复合改性层的摩擦系数虽然提高，但是其磨损率降低。经镀渗复合工艺处理的铝合金，相比于固溶时效的铝合金，磨损率分别降低了11.84%，47.13%和50.58%，可见镀渗复合改性层显著提高了铝合金的耐磨性能。改性层的磨损机制主要为磨粒磨损，并伴随有氧化磨损。

目录

第1章 绪 论

1.1 铝合金表面改性技术研究现状

1.2 镀渗复合改性

1.3 第一性原理计算方法及在材料科学中的应用

1.4 论文主要研究内容

第2章材料及试验方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 第一性原理计算方法

2.4 试验工艺方案

2.5 分析测试方法

第3章 ZL205A铝合金表面镀渗复合改性层设计

3.1 铝合金表面复合改性层设计思路

3.2 铝原子在钛晶格中的扩散系数计算

3.3 钛原子在铝晶格中的扩散系数计算

3.4 改性层生成相形成能和结合能计算

3.5 本章小结

第4章 ZL205A铝合金镀渗复合改性层的组织结构

4.1 铝合金表面预镀钛膜

4.2 镀渗复合改性层的组织结构

4.3 本章小结

第5章 ZL205A铝合金表面镀渗复合改性层性能

5.1 铝合金表面复合改性层的硬度

5.2 铝合金表面复合改性层的摩擦性能

5.3 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢