Ti2AlN(MAX相)薄膜微观组织结构抗氧化性能研究

摘要

Ti2AlN（MAX相）薄膜由于具有优异的热稳定性及高温抗氧化性能，有望被应用于高温防护涂层领域。目前主要采用外延生长的方式制备单晶Ti2AlN薄膜，但此方法对实验条件及基体材料要求较为苛刻，难于工业化应用。为解决这一难题，本文采用室温沉积加后续真空退火的方式制备Ti2AlN薄膜，研究了氮气流量和退火时间对Ti2AlN薄膜微观组织性能的影响，并分析讨论了Ti2AlN薄膜的高温氧化行为及抗氧化机制。 研究结果表明：采用Ti、Al原子比为2∶1的合金靶制备的沉积态Ti-Al-N薄膜主要以非晶态形式存在，经过700℃真空退火，其非晶结构将转化为晶态Ti2AlN相。Ti2AlN相具有明显的层状结构，其晶粒呈板条状或椭圆状，相互交错分布，各晶粒之间形成大角度晶界。 随着N2流量(4-6sccm)的增加，Ti2AlN薄膜表面粗糙度逐渐减小，其硬度和弹性模量在N2流量为5sccm时出现极大值，分别为33.2±1.9GPa和374.8±9.7GPa，较非晶Ti-Al-N薄膜提升了65%和52%。当N2流量增加至7sccm时，未生成Ti2AlN相。随着退火时间的延长，Ti2AlN相未发生分解，并且晶粒尺寸无明显长大，表明Ti2AlN薄膜在700℃具有较好的热稳定性。 通过氧化试验可知，Ti2AlN薄膜在600℃无明显氧化，700℃时由于表面生成了Al2O3和TiO2组成的致密氧化膜，所以表现出了较好的抗氧化性能。当氧化温度提升至800℃时，Ti2AlN薄膜氧化严重，随着氧化时间的延长，其表面氧化层逐渐出现开裂甚至部分脱落。Ti2AlN薄膜在800℃条件下，与氧气发生反应的同时会存在部分Ti2AlN相分解。氧化初期，表面会优先生成Al2O3，但未能形成连续且致密的氧化膜。随着氧化时间的延长，薄膜中的Ti原子将与O开始发生反应生成TiO2，高温下TiO2的生长速率远快于Al2O3，导致氧化外表层以TiO2为主，内表层逐渐形成连续且致密的Al2O3，阻碍O、Ti原子的相互扩散。因此，Ti2AlN薄膜的表面氧化层为Al2O3和TiO2组成的复合层。

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 Ti2AlN相

1.2.1 Ti2AlN相结构特征及性能

1.2.2 Ti2AlN薄膜的发展现状

1.2.3 Ti2AlN薄膜的制备方法

1.3 论文的研究目的及意义

1.4 研究内容和方案

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究方案（技术路线）

2 薄膜的制备与微观组织性能表征

2.1 基体材料及镀前预处理

2.2 薄膜的制备

2.2.1 Ti-Al-N薄膜的制备

2.2.2 Ti-Al-N薄膜的真空退火处理

2.3 薄膜的微观组织结构表征

2.3.1 X射线衍射（XRD）分析

2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）观察与分析

2.3.3 原子力显微镜（AFM）观察与分析

2.3.4 透射电子显微镜（TEM）观察与分析

2.4 薄膜的力学性能评价

2.4.1 纳米压痕测试

2.4.2 洛氏压痕（结合力）测试

2.5 薄膜电阻率的测定

2.6 薄膜高温抗氧化性能测试

3 氮气流量及退火时间对Ti2AlN薄膜微观组织结构及性能的影响

3.1 氮气流量对Ti2AlN薄膜微观组织结构的影响

3.1.1 XRD物相结构分析

3.1.2 SEM观察结果与分析

3.1.3 AFM观察结果与分析

3.1.4 TEM观察结果与分析

3.2 氮气流量对Ti2AlN薄膜力学性能的影响

3.2.1 结合强度测试结果与分析

3.2.2 纳米压痕测试结果与分析

3.3 氮气流量对沉积态Ti-Al-N和Ti2AlN薄膜电阻率的影响

3.4 退火时间对Ti2AlN薄膜微观组织形貌的影响

3.4.1 XRD结果与分析

3.4.2 SEM观察结果与分析

3.4.3 AFM观察结果与分析

3.5 退火时间对Ti2AlN薄膜力学性能的影响

3.5.1 结合强度测试结果与分析

3.5.2 纳米压痕测试结果与分析

3.6 本章小结

4 Ti2AlN薄膜高温抗氧化性能研究

4.1 Ti2AlN薄膜不同温度氧化结果与分析

4.1.1 600℃氧化2h结果与分析

4.1.2 700℃氧化2h结果与分析

4.1.3 800℃氧化2h结果与分析

4.1.4 不同温度下氧化增重结果与分析

4.2 Ti2AlN薄膜恒温氧化不同时间结果与分析

4.3 抗氧化机制讨论

4.4 本章小结

5 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果