论文摘要
镍合金及镍合金薄膜具有独特的性质和广阔的应用前景。溅射靶材的品质直接影响溅射薄膜的性质。研究开发高品质靶材、薄膜和特种合金,必须上升到数字化设计水平。本论文基于相图计算,对部分二元或三元镍合金体系的凝固过程进行了模拟；针对传统相图热力学方法不能确定合金元素在亚晶格上的占位倾向等精细结构,本文基于严格的晶体学结构信息,用热力学亚晶格模型进行建模,编写了全套自动化程序脚本,用于海量计算任务的生成、计算管理、数据提取、数据校验和热力学数据库建立,实现对海量不同原型结构的端基化合物的热力学性质描述；首次报道了部分Ni-Cr系金属间化物的占位有序化行为。基于精细结构来建立超胞,首次计算了具有L10结构的CrNi相、L12结构的Cr3Ni相、D022结构的Cr3Ni相的弹性模量、剪切模量、杨氏模量以及泊松比等弹性性质；通过真空感应悬浮熔炼方法制备了NiCr、Ni4Cr、NiCr4、NiCrFe和Ni7Mn3合金,获得了纯净无污染、均匀的合金锭；结合相图分析对合金进行了热处理,系统研究了Ni-Cr系合金材料在热处理过程的相结构、相转变和显微组织特征,获得了一系列二元和三元镍合金靶材；基于自制靶材,初探了溅射镀膜工艺条件,获得了表观质量良好的镍合金溅射薄膜。结果表明,化学计量比的金属间化合物Cr3Ni,在800K以下为恒定有序化,Cr占据3c亚晶格,Ni占据1a亚晶格；在800K以上,随温度升高,占位出现微弱的无序化趋势。不同的过渡族金属元素,元素占位行为有所不同,与基体元素表现出相似相容性。不同元素的占位行为与热处理温度的关系存在较大差异,部分元素的占位行为受温度影响较大。L10结构的CrNi相为脆性材料,L12结构的Cr3Ni相和D022结构的Cr3Ni相为韧性材料。Ni-Cr系合金的微观组织和微区成分对热处理工艺较为敏感,当Ni元素的原子含量在20%～70%时,均匀化热处理在1200℃～1300℃之间比较适宜。NiCr合金主晶相为FCC和BCC共晶组织；Ni4Cr、NiCrFe和Ni7Mn3合金主晶相为FCC相,低温下析出少量BCC相；NiCr4合金主晶相为BCC相,低温下析出少量FCC相。NiCr4合金凝固过程中微观相成分偏析较大,NiCrFe和Ni7Mn3合金相的热稳定性较好。经过适当的热处理工艺,能使Ni-Cr系合金中不同相间的成分均匀性很好,满足了高品质靶材对微观成分均匀性要求。显微硬度测试表明,热处理后,除Ni4Cr合金硬度上升,其他合金的的硬度均下降。NiCr4合金硬度较高,铸态和热处理后的硬度分别为634.1HV和476.7HV。热处理后的合金耐腐蚀性很强。除Ni7Mn3合金外,其他合金的综合耐腐蚀性均优于304不锈钢。在0.5mol/L的H2SO4溶液中,上述合金的自腐蚀电流密度分别比304不锈钢（2.35×10-5A/cm2）低50%以上,自腐蚀电位比分别比304不锈钢（-0.425V）高30%以上。在1mol/L的NaCl腐蚀介质中亦有类似规律。NiCr靶材优化的磁控溅射工艺条件为：溅射功率为160 W,真空度为7×104 Pa,气流为40 mms,气压为0.5 Pa,镀膜时间10～20 min,靶基距6 cm。而对于Ni7Mn3靶材,溅射功率宜减小为100W。