鋁合金表面鍍鈦滲氮復(fù)合改性層設(shè)計(jì)與組織結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、鈦鋁基金屬間化合物具有優(yōu)異的抗氧化能力、良好的耐磨和耐蝕性、較高的高溫強(qiáng)度、低密度和高熔點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)材料，近年來材料工作者致力于將其應(yīng)用于鋁合金表面的強(qiáng)化層，另外，鈦元素與氮元素有極高的親和性，能形成高硬度的鈦氮化合物，基于此，本文預(yù)期通過鍍/滲復(fù)合改性方法在2024鋁合金和5083鋁合金表面制備出耐磨耐蝕層。該復(fù)合改性方法分為兩步，首先利用磁控濺射離子鍍技術(shù)在鋁合金表面預(yù)鍍鈦膜作為合金化擴(kuò)散源，再將鍍鈦鋁合金進(jìn)行脈沖等離子體滲

2、氮獲得復(fù)合改性層。
　　針對該方法，本文以第一性原理計(jì)算為基礎(chǔ)，結(jié)合熱力學(xué)分析，研究了擴(kuò)滲反應(yīng)生成相的可能性以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并對其力學(xué)性能進(jìn)行了預(yù)測，基于此，在鋁合金表面設(shè)計(jì)多層涂層結(jié)構(gòu)。采用X射線衍射分析（XRD）、掃描電鏡觀察（SEM）、能譜分析（EDS）、透射電鏡觀察（TEM）等手段研究了預(yù)鍍鈦膜工藝和擴(kuò)滲工藝對復(fù)合改性層組織結(jié)構(gòu)和性能的影響。采用維氏顯微硬度計(jì)、球-盤式摩擦試驗(yàn)機(jī)和3.5％NaCl溶液中的陽極極化法測試了改

3、性層的硬度、耐磨和耐蝕性能。
　　熱力學(xué)分析表明鈦-氮體系和鋁-鈦-鎂反應(yīng)擴(kuò)散體系在低溫下能分別形成α-TiN0.3，Al3Ti和Al18Ti2Mg3，第一性原理計(jì)算表明 Al3Ti的形成能最負(fù)，α-TiN0.3的結(jié)合能最負(fù)。三種物相均存在共價(jià)、離子和金屬鍵的混合作用，其中Ti-N之間的共價(jià)作用最強(qiáng)，Al3Ti中的Al-Ti鍵共價(jià)性強(qiáng)于Al18Ti2Mg3中的Al-Ti鍵。首次預(yù)測了α-TiN0.3和Al18Ti2Mg3的楊氏模量

4、，分別為199GPa和122GPa，三種化合物的B/G分別為1.84、1.56和1.25，其中α-TiN0.3和Al18Ti2Mg3具有較低的脆性傾向，計(jì)算結(jié)果表明復(fù)合改性層的多相多層結(jié)構(gòu)有利于降低界面殘余熱應(yīng)力。
　　鋁合金表面預(yù)鍍 Ti膜均為密排六方結(jié)構(gòu)，并存在(002)晶面的擇優(yōu)取向，提高偏壓、增大濺射功率和延長沉積時(shí)間，(002)晶面的擇優(yōu)取向趨勢減弱。鍍鈦2024鋁合金和5083鋁合金經(jīng)等離子體滲氮后，表面形成多層結(jié)構(gòu)，

5、分別由α-TiN0.3/Al3Ti/Al18Ti2Mg3和α-TiN0.3/ Al18Ti2Mg3組成，復(fù)合改性層中Al3Ti層和Al18Ti2Mg3層的增厚滿足冪函數(shù)關(guān)系，動(dòng)力學(xué)生長指數(shù)分別為0.797和1.133，近似線性生長規(guī)律。
　　等離子滲氮溫度和時(shí)間對復(fù)合改性層的相結(jié)構(gòu)和層厚影響較大。2024鋁合金表層的α-TiN0.3在低溫(<460℃)時(shí)存在(002)晶面擇優(yōu)取向，提高溫度時(shí)轉(zhuǎn)向(100)晶面擇優(yōu)生長，而5083鋁

6、合金表層的α-TiN0.3隨著溫度的升高，(002)晶面的擇優(yōu)取向趨勢增強(qiáng)。2024鋁合金表面復(fù)合改性層厚度隨滲氮溫度的提高而增加，并且Al18Ti2Mg3層的厚度增加大于Al3Ti層。在低氮?dú)夥仗幚頃r(shí)，2024鋁合金層的α-TiN0.3沿(100)晶面擇優(yōu)生長，在高氮?dú)夥障罗D(zhuǎn)向(002)晶面的擇優(yōu)生長，而滲氮?dú)夥諏︿X基化合物層相結(jié)構(gòu)和5083鋁合金表層相結(jié)構(gòu)影響不大。在460℃不同時(shí)間擴(kuò)滲后，2024鋁合金表面α-TiN0.3均保持(

7、100)晶面的擇優(yōu)取向，α-TiN0.3層厚緩慢減小，而鋁基金屬間化合物層的厚度增加，5083鋁合金的表層α-TiN0.3的(002)晶面的擇優(yōu)生長趨勢隨保溫時(shí)間的延長而減弱。低溫和低氮?dú)夥障?，?TiN0.3顆粒細(xì)化至50nm，提高溫度和氮?dú)浔?，延長保溫時(shí)間，顆粒聚集長大，表層變得致密。
　　復(fù)合改性層顯著提高了2024鋁合金和5083鋁合金的表面硬度，兩者的基體硬度分別為HV98和HV61，鍍滲處理后的硬度可分別高達(dá)到HV63

8、1和HV880。α-TiN0.3層存在(002)晶面的擇優(yōu)取向時(shí)，改性層的表面硬度得到明顯提高。納米壓痕測試結(jié)果表明，α-TiN0.3和Al18Ti2Mg3的楊氏模量分別為172GPa和131GPa，與第一性原理預(yù)測結(jié)果相近，納米硬度分別為10.35GPa和8.97GPa，遠(yuǎn)高于鋁合金基體的硬度1.46GPa。
　　復(fù)合改性層降低了鋁合金表面的摩擦系數(shù)和磨損率，2024鋁合金和5083鋁合金基體的摩擦系數(shù)分別為0.52和0.71，