纳米复合Ti（C，N）基金属陶瓷及涂层制备技术研究

论文摘要

本论文在制备出高性能的纳米复合Ti（C,N）基金属陶瓷基体表面上利用多弧离子镀技术分别沉积了（Ti,Al）N涂层和纳米多层膜。本文首先综述了Ti（C,N）基金属陶瓷的发展概况和研究进展,总结了Ti（C,N）基金属陶瓷的制备技术和成分对Ti（C,N）基金属陶瓷组织和性能的影响;介绍了多弧离子镀技术及其特点;对（Ti,Al）N涂层及复合涂层的研究状况进行了总结和评述。在此基础上指出了本文研究的目的和意义。采用扫描电镜（SEM）、X射线能谱（EDS）等实验手段系统地研究了Ti（C,N）基金属陶瓷成分、组织结构和性能之间的关系,得出如下实验结论:当C含量为0.7wt%时,可以获得较佳的微观组织和较高的力学性能;当Mo添加量为16wt%时,Ti（C,N）基金属陶瓷的抗弯强度和硬度分别可达1930Mpa和89.5HRA,Mo的添加量对硬度的影响不明显;Ni含量对粘结相中合金元素的溶解度有较大的影响,随金属陶瓷中Ni添加量的增加,粘结相中Ti、W、Mo等合金元素的含量均降低,且W、Mo含量变化不明显。采用多弧离子镀技术在Ti（C,N）基金属陶瓷基体上制备了（Ti, Al）N涂层。研究了沉积工艺参数如靶材电流、基底偏压、氮气分压等对（Ti,Al）N涂层成份、相结构方面的影响规律,以及对（Ti,Al）N涂层的硬度、结合力和摩擦磨损性能的影响。结果表明:（Ti,Al）N涂层在常温磨损主要为磨粒磨损,随着基体偏压或者氮气分压的增大,（Ti,Al）N涂层的摩擦系数均减小。基体温度400℃,靶材电流IAl/ITi=70/80,基体偏压-100V,氮气分压1.0Pa,（Ti,Al）N涂层具有最佳的综合性能。最后在沉积（Ti,Al）N涂层工艺的基础上分别制备了两种不同调制周期的TiN/AlN纳米多层膜和TiN/（Ti,Al）N纳米多层膜。研究了调制周期对纳米多层膜的组织和性能的影响。结果表明:载物台转速为12rpm时,AlN以亚稳态立方结构的形式存在,改善了TiN/AlN纳米多层膜的力学性能,膜/基结合力达到41.0N,显微硬度为3429Hv;调制周期越小,TiN/（Ti,Al）N纳米多层膜的（111）晶面择优取向愈加强烈,并且TiN/（Ti,Al）N多层膜硬度值比单层（Ti,Al）N的硬度值高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 Ti（C,N）基金属陶瓷概况
• 1.3 Ti（C,N）基金属陶瓷的组织结构
• 1.4 Ti（C,N）基金属陶瓷的制备技术
• 1.4.1 粉末的制备方法
• 1.4.2 混料方法
• 1.4.3 成型方法
• 1.4.4 烧结工艺
• 1.4.5 后处理
• 1.5 化学成分对Ti（C,N）基金属陶瓷的组织性能的影响
• 1.6 涂层制备技术的发展现状
• 1.7 多弧离子镀技术
• 1.7.1 多弧离子镀的工作原理
• 1.7.2 多弧离子镀的特点
• 1.7.3 多弧离子镀工艺参数
• 1.8 （Ti,Al）N 涂层研究现状
• 1.9 复合涂层及超晶格涂层
• 1.10 本课题的研究意义、内容和技术路线
• 1.10.1 本课题的研究意义、内容
• 1.10.2 本课题研究的技术路线
• 第二章 Ti（C,N）基金属陶瓷的成分设计及制备工艺
• 2.1 引言
• 2.2 试验用粉末的原始条件
• 2.3 Ti（C,N）基金属陶瓷的成分设计
• 2.4 Ti（C,N）基金属陶瓷的制备工艺过程
• 2.5 分析与检测
• 第三章 化学成分对Ti（C,N）基金属陶瓷组织和性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 试验方法
• 3.3 C 含量对金属陶瓷组织和性能的影响
• 3.3.1 C 的添加量对显微组织的影响
• 3.3.2 C 的添加量对粘接相中合金元素的影响
• 3.3.3 C 的添加量对力学性能的影响
• 3.4 Mo 含量对金属陶瓷组织和性能的影响
• 3.4.1 Mo 的添加量对显微组织的影响
• 3.4.2 Mo 的添加量对粘接相中合金元素的影响
• 3.4.3 Mo 的添加量对力学性能的影响
• 3.5 Ni 含量对金属陶瓷组织和性能的影响
• 3.5.1 Ni 的添加量对显微组织的影响
• 3.5.2 Ni 的添加量对力学性能的影响
• 3.5.3 断口形貌分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 （Ti,Al）N 涂层制备及性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 试验方法
• 4.2.1 实验材料及设备
• 4.2.2 （Ti,Al）N 涂层沉积工艺及过程
• 4.2.3 涂层的显微结构分析及性能测试
• 4.3 试验结果与分析
• 4.3.1 工艺因素对（Ti,Al）N 涂层形貌的影响
• 4.3.2 工艺因素对（Ti,Al）N 涂层相结构的影响
• 4.3.3 工艺因素对（Ti,Al）N 涂层结合力的影响
• 4.3.4 工艺因素对（Ti,Al）N 涂层硬度的影响
• 4.3.5 工艺因素对（Ti,Al）N 涂层耐磨性的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 纳米多层膜研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验方法
• 5.3 TiN/AlN 多层膜结构分析
• 5.3.1 TiN/AlN 多层膜的形貌观察
• 5.3.2 TiN/AlN 多层膜的物相结构分析
• 5.3.3 TiN/AIN 纳米多层膜结合力的测定
• 5.3.4 TiN/AlN 纳米多层膜的超硬效应
• 5.4 TiN/（Ti,Al）N 多层膜结构分析
• 5.4.1 TiN/（Ti,Al）N多层膜的形貌观察
• 5.4.2 TiN/（Ti,Al）N 多层膜的物相结构分析
• 5.4.3 TiN/（Ti,Al）N 纳米多层膜结合力的测定
• 5.4.4 TiN/（Ti,Al）N 纳米多层膜的超硬效应
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 本文主要结论
• 6.2 本文创新之处
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文