微合金化和复合化对纳米晶Ti5Si3涂层性能影响的研究

摘要

钛合金以其密度低、比强度高、生物相容性好等优异特点，而被广泛应用于航空航天、石油化工、生物医药等领域，但钛合金的一些固有缺点限制了其应用范围的进一步扩大。表面改性可明显提高钛合金的相关表面性能。鉴于当前钛合金表面改性存在的诸多问题，有必要在表面技术的改进、涂层材料体系的选择、微观组织的设计等方面开展广泛而深入的研究。
　　 采用双阴极等离子溅射沉积技术，分别以Ti50Si50和Ti45.5Si45.5C9 为靶材，在Ti-6Al-4V 合金表面制备了纳米晶Ti5Si3和Ti5Si3C0.8 涂层。所制备涂层均匀致密，无明显缺陷，与基体结合良好。XRD 结果表明，C 微合金化改变了纳米晶Ti5Si3 涂层的残余应力状态，由拉应力转变为压应力。此外，纳米晶Ti5Si3C0.8 涂层中的C 固溶于Ti5Si3中，未改变其晶体结构，显微组织呈现出与纳米晶Ti5Si3 涂层一致的花状结构。电化学测试表明，C的引入促进了涂层钝化膜中SiO2的形成，减少了半导体钝化膜的施主密度，增加了空间电荷层厚度，使得纳米晶Ti5Si3C0.8 涂层具有比纳米晶Ti5Si3 涂层更优异的电化学腐蚀性能。
　　 在此基础上，进一步增加靶材的C含量(Ti40Si40C20)，制备了TiC 增强的Ti5Si3基纳米复合涂层(TiC/Ti5Si3)。XPS和TEM分析表明，纳米晶TiC/Ti5Si3 复合涂层中，一部分C 以间隙原子的形式固溶于Ti5Si3中，另一部分以第二相TiC的形式存在，这些TiC 晶粒分布于Ti5Si3的花状结构之间。由于合金化和复合化的作用并存，纳米晶TiC/Ti5Si3 复合涂层的硬度、弹性模量、断裂韧性以及与基体的结合力均明显高于纳米晶Ti5Si3 涂层。电化学测试表明，TiC的引入增大了涂层钝化膜的施主密度和氧空位扩散系数，在一定程度上降低了纳米晶TiC/Ti5Si3 复合涂层的腐蚀性能，但显著提高了点蚀抗力；磨损测试中，纳米晶TiC/Ti5Si3 复合涂层具有极小的比磨损率，接近零磨损状态，表现出优异的磨损抗力，而纳米晶Ti5Si3 涂层在磨损过程中则过早地碎裂剥落，碎裂的涂层产生磨粒磨损作用，造成涂层磨损性能的严重下降。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

声明

第一章 绪论

第二章 实验材料与实验方案

第三章 微合金化对纳米晶Ti5Si3 涂层组织及腐蚀性能的影响

第四章 复合化对纳米晶Ti5Si3 涂层组织及腐蚀、磨损性能的影响

第五章 结论

参考文献

致 谢

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