TiAlN涂层强流脉冲电子束表面改性研究

摘要

TiAlN涂层强流脉冲电子束(High Current Pulsed electron Beam, HCPEB)表面处理技术的应用引起人们的重视，但对轰击处理后涂层的成分、晶体结构和应力状态的研究较少。本课题通过实验分析TiAlN涂层HCPEB前后的组织结构和力学性能的变化，并结合基于密度泛函理论的第一性原理计算研究涂层成分、晶体结构和应力状态对材料力学性能的影响。
　　对TiAlN涂层进行不同工艺参数的HCPEB处理，采用SEM对处理前后涂层的表面和断面形貌进行观察，并利用 EDS对其进行成分分析。采用 XRD对轰击前后TiAlN涂层进行物相检测，通过X射线外标法测量轰击前后TiAlN的晶格常数，采用2θ—sin2ψ法对HCPEB轰击前后的TiAlN涂层残余应力测量，运用纳米压痕技术，对 HCPEB轰击前后的 TiAlN涂层进行力学性能测量。结果发现经HCPEB处理后涂层中的柱状晶晶界变得模糊甚至消失，轰击前后涂层中 Ti、Al原子比基本不变；经HCPEB处理后没有新物相产生，对比未处理TiAlN涂层的晶格常数（4.1780）经HCPEB轰击后晶格常数都不同程度的减小，处理后晶格常数变化从4.1627~4.1749不等；未处理涂层的残余压应力为243.77 MPa，经HCPEB轰击后TiAlN涂层的压应力在90.98~532.65 MPa之间变化，而且随着HCPEB沉积总能量的增加呈现升高-降低-升高-降低-再升高的趋势；未处理TiAlN涂层的纳米硬度为28.174 GPa，经HCPEB轰击后，随着电子束沉积能量的增加呈增加趋势，工艺参数为11.6KV-80A-20 times时涂层的力学性能最好。
　　第一性原理计算结果表明当晶格常数在4.1627~4.1749变化时时，NaCl型的 Ti4Al4N8可以稳定存在。力学性能的计算结果表明，不同晶格常数下 Ti4Al4N8的杨氏模量变化规律与实验结果一致，HCPEB轰击导致TiAlN涂层晶格常数改变是材料的力学性能发生变化的主要原因。对Ti3AlN4模型的计算结果可知，稳定态Ti3AlN4的弹性模量为421.77 GPa，当Ti、Al原子出现空位时，弹性模量变化非常小，但N原子位置空位的出现使Ti3AlN4的弹性模量下降到82.92 GPa。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 TiAlN涂层

1.2 TiAlN涂层晶体结构与性能

1.3 涂层的后处理技术

1.4 强流脉冲电子束轰击对材料组织和性能的影响

1.5 TiAlN涂层的研究进展

1.6 本论文的研究意义和主要工作

第2章 实验及研究方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备及工艺参数

2.3 分析方法及手段

第3章 理论研究方法和TiAlN模型建立及参数选择

3.1 第一性原理计算

3.2 密度泛函理论

3.3 局与密度近似和广义梯度近似

3.4 计算软件及方法

3.5 理论计算方法

3.6 Ti4Al4N8的计算模型和参数设置

第4章 TiAlN涂层强流脉冲电子束处理组织结构分析

4.1 TiAlN涂层强流脉冲电子束表面分析讨论

4.2 TiAlN涂层强流脉冲电子束处理组织结构分析

4.3 不同晶格常数TiAlN结构性质的计算分析

4.4 TiAlN涂层强流脉冲电子束处理的力学性能影响

4.5 不同应力下TiAlN涂层的力学性能计算和分析

4.6 空位对TiAlN涂层的电子结构和力学性能的影响

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果

致谢