组合材料芯片技术在钛合金研究中的应用

摘要

组合材料芯片技术是材料高速合成表征的研究方法，其核心思想是并行地合成大量成分变化的样品，并通过后续高通量的测试手段筛选出性能优异的目标材料，该方法在多元系材料研究中优势明显。钛合金中合金元素种类较多，多种合金元素的复合作用使钛合金的固态相变趋于复杂化，所以组合材料芯片技术适用于多元钛合金的相变研究和成分设计。本论文采用组合材料芯片技术，利用IM100离子束溅射沉积设备制备了Ti-Al-V系和Ti-Al-V-Cr-Mo系三种钛合金薄膜材料芯片。样品库中每种合金元素的含量梯度地变化，实现了合金元素的组合。样品库经合金化后采用XRD和纳米压痕仪研究了其中部分样品的相变规律和力学性能，获得的研究结果如下:
　　1.合金化过程是样品库后续分析和测试的基础，真空条件下，600℃×1h+950℃×1h FC的合金化制度可以确保多层金属单质膜转变为高质量的钛合金薄膜，绝大部分的合金元素以溶质原子存在。
　　2.利用EDS、XPS和薄膜中合金元素单质层厚度测量三种手段，验证了样品库的名义成分与设计成分的一致性。
　　3.本论文利用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察了钛合金薄膜样品的形貌。结果表明合金化制度影响着样品的形貌，每个钛合金薄膜试样的晶粒形状基本一致，无法通过形貌的观察区分样品中的相组成。
　　4.纳米压痕测试结果表明，在相同的合金化条件下样品的硬度由合金元素的含量和表面形貌决定。在测试的两个样品库中，炉冷态成分为Ti-5Al-5V和Ti-3Al-3Mo-5V-2Cr的钛合金薄膜硬度最高。
　　5.实验利用XRD分析合金元素含量的变化对样品库相变规律的影响。结果表明炉冷态的钛合金薄膜中β相的体积分数随着Mo当量的增加而增大。
　　本文以组合材料芯片技术为指导思想，制备出了合金元素含量梯度变化的钛合金薄膜样品库。研究表明合金元素含量对钛合金薄膜与块状钛合金的相变及其力学性能的影响呈现出相似性，证明了组合材料芯片技术适用于钛合金的相关基础理论研究，在实验过程中显示出该方法的高效性。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 组合材料芯片技术概述

1．1．1 组合材料芯片的制备

1．1．2 组合材料芯片的处理

1．1．3 组合材料芯片的表征

1．1．4 目标材料的优化

1．1．5 目标材料的放大

1．2 实验选择的合金元素对钛合金相变和力学性能的影响

1．3 组合方法在钛合金相变和力学性能研究中的应用

1．3．1 Ti-Al系

1．3．2 Ti-V系

1．3．3 Ti-Mo系

1．3．4 Ti-Ta系

1．3．5 Ti-Al-V系

1．3．6 Ti-Cr-Zr系

1．3．7 Ti-Cr-Al系

1．3．8 Ti-Nb-Zr-Ta系

1．4 本论文研究内容与目的

第2章 实验材料与实验方法

2．1 实验材料与设备

2．1．1 离子束材料芯片沉积系统简介及实验参数

2．1．2 靶材与基片的选择

2．1．3 样品库合金化设备

2．1．4 材料芯片表征设备

2．2 样品库的设计与制备

2．2．1 Ti-Al-V系

2．2．2 Ti-Al-V-Cr-Mo(Ⅰ)系

2．2．3 Ti-Al-V-Cr-Mo(Ⅱ)系

2．3 样品库合金化工艺的探索

第3章 实验结果分析与讨论

3．1 样品库合金化测试

3．2 样品库的表征

3．2．1 样品库成分测试

3．2．2 样品库形貌观察

3．2．3 样品库中相分析

3．2．4 样品库力学性能测试

3．3 Mo当量对样品相变的影响

第4章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文