双辉复合渗镀氮化钛陶瓷层及其等离子体特性的研究

论文摘要

氮化钛（TiN）涂层因具有高硬度、低摩擦系数、高耐磨性、良好的导电性、漂亮的表面金黄色等性能而被广泛应用于机械、材料、化工、电子、冶金、航空航天、装饰等领域。目前制备TiN涂层的主要方法有化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）。化学气相沉积需要含钛氯化物（TiCl4）作为反应气体,该气体对设备有腐蚀作用,且对环境有较大的污染,这些均与目前所提倡的绿色工业相抵触。同时,由于CVD以氯化物为原料,氯在高温下进入合金基材内,造成基材晶间腐蚀,使涂层变脆。因此,传统的CVD技术的应用受到了极大的制约。而物理气相沉积方法,其制得的TiN涂层很薄,且膜层疏松多孔,使膜／基界面的结合强度降低耐磨力下降。而对涂层材料来说,其薄膜与基体之间的结合强度决定着涂层的成效。良好的膜／基结合是保证涂层材料各种使用性能,如力学性能、物理性能等实现的前提条件。因此,这在很大程度上也限制了PVDTiN涂层的应用。为了提高TiN涂层膜层质量和界面结合力,人们进行了物理气相沉积与其它的表面处理工艺相结合,以形成一种带有过渡层或中间层的复合涂层结构,但这种制备TiN方法由于工艺的复杂性、高的成本和昂贵的设备造价,目前很难用于实际生产。针对上述问题,本文用双层辉光离子渗金属技术（DGP）,在碳钢表面进行了TiN／Ti渗镀复合层的研究。该渗镀复合层具有膜层厚、结合力强的特点,且可一次性地形成TiN/Ti渗镀复合层,制备工艺简单,造价低廉。与物理气相沉积、化学气相沉积相比,其最显著的特点是能够在基体表面获得所需厚度、结合强度极佳的渗镀扩散层,且具有节约贵重金属、节省能源、无公害,并可大面积处理及表面合金成分可控等优点,是一种无污染的绿色环保技术。用辉光渗金属技术制备TiN/Ti渗镀复合层的基本方法是：将多重空心阴极效应用到辉光渗金属技术上,使针状源极Ti丝以离子、原子的形式溅射出来,先在碳钢基材表面进行离子渗Ti,形成含Ti固溶体的合金扩散层；当渗Ti保温结束后,除真空室里含有原有的Ar气外,再通入适量的N2气,并保持它们之间一定的混合比,进行渗Ti和TiN的复合渗镀过程；在此期间,部分N离子和Ar离子参与Ti丝的溅射,部分N原子与Ti原子用于辉光放电溅射在碳钢基体表面形成TiN沉积层,有些N原子渗入表层中,使得其中的Ti原子与N原子形成TiN析出相,一次性形成TiN／Ti渗镀复合层。整个渗镀层成分呈梯度分布,厚度可达10μm以上。表面TiN沉积层是在渗Ti基体上形核长大,与基体有一定的位相关系,有较高的结合强度,内应力小,不会产生剥落现象。通过将Ti作为先渗入元素形成过渡层不仅降低了TiN沉积层与基体的残余内应力,使渗镀层与基体能更好地结合,并增强了TiN沉积层与基体的结合力。另一方面,成分呈梯度分布,还可减少TiN沉积层和基体的成分的差距以及热膨胀的差距,使表面TiN沉积层具有了强有力的支撑体,同时还能提高TiN沉积层的抗粘着强度和抗腐蚀性能。本文独创性地应用双层辉光离子渗金属技术对金属元素Ti与非金属元素N进行共渗,一次性地获得TiN/Ti渗镀复合层,具有先进性、创新性和实用性。并对TiN/Ti复合渗镀层的辉光放电特征、摩擦磨损性能及腐蚀性能进行了较全面系统的研究,通过研究获得的主要结果如下：1.对TiN/Ti渗镀复合层的组织成分及结构进行了研究。进行Ti-N共渗,形成TiN/Ti渗镀复合层表面呈均匀致密的胞状物。渗镀复合层由被渗元素在碳钢基体中的沉积层和扩散层构成,即其组织结构为细小均匀致密的TiN胞状物沉积层+TiN扩散层+Ti、N固溶体扩散层+基体。渗镀层成分呈梯度分布,可提高基体对表面沉积层的支撑强度,保证TiN沉积层使用的耐久性,而且其渗镀层厚度超过10μm并可以通过控制温度和沉积时间来控制沉积层厚度。2. TiN/Ti渗镀复合层硬度和结合力的研究。TiN/Ti渗镀复合层表面平均硬度为2200HV0.1度从表及里由高到低呈梯度分布,有效地提高了基体的承载能力及TiN沉积层与基体间的结合强度。采用划痕法对辉光技术制备的DGPTiN/Ti渗镀复合层和本文用直流磁控溅射法制备的PVD TiN膜层的结合强度进行了对比研究。由于TiN/Ti渗镀复合层具有好的强韧性匹配,在划痕过程中,载荷增加到100N时仍未见有突起的声发射信号,而PVD法沉积的TiN薄膜在加载到25N时,就产生较强的声发射信号并随后逐渐呈密集分布,说明DGPTiN/Ti渗镀复合层的结合强度远远高于PVDTiN的。3. TiN渗镀复合层的摩擦学性能及机理的研究。在干摩擦条件下TiN渗镀复合层在摩擦过程中摩擦系数基本平稳保持在0.06；PVDTiN层的摩擦系数属于波浪式前进,平均摩擦系数在0.4左右；PVDTiB2的摩擦系数在整个摩擦过程中出现较大的波动,摩擦系数最高达到0.79；基材碳钢摩擦系数基本在0.26左右。从干摩擦后的表面形貌来看,TiN渗镀复合层磨损表面光滑平整,磨痕宽度很窄看不到明显的粘着磨损及犁沟,,而PVDTiN层及基体的磨损均出现明显的粘着磨损及犁沟现象,分布着高低不平的粘着坑及深的犁沟。说明TiN渗镀复合层不仅具有优良的减磨耐磨性能而且还有好的强韧匹配性能。在有润滑摩擦条件下,TiN渗镀复合层试样摩擦系数随载荷的增大摩擦系数的没有明显变化,磨损表面平展,表面的胞状物小颗粒隐约可见,表现出优良的减磨和耐磨性能。4.耐蚀性能的研究。在10%H2SO4溶液中辉光等离子合成TiN/Ti渗镀复合层耐蚀性能比PVDTiN、不锈钢及基体分别提高10倍、17倍及143倍；在3.5%NaCl溶液中的TiN渗镀层耐蚀性分别比PVDTiN、不锈钢及基体提高1.24倍、8.17倍和30.03倍。在5%HCL溶液中TiN渗镀层耐蚀性分别比PVDTiN层和基体提高近1.2倍和2.69倍。因此,利用辉光渗金属技术形成TiN渗镀复合层,在酸、盐中都具有良好的耐蚀性能。5.对辉光等离子体放电强度的研究。在辉光放电中,不等电位与等电位下的放电都是一种均匀、稳定放电。辉光放电强度随气压、电压的增加而加强；与不等电位相比,等电位在电压400-500V,气压30-40Pa时的放电特征与不等电位的工件电压400-500V,源极电压800-900V,气压40-50Pa基本相同。6.对辉光等离子体电子温度的研究。在辉光不等电位情况下,工件电压和工作气压是影响电子温度的主要参数。工件电压增大时,电子温度随之增大；工作气压增大时,电子温度反而降低,因此气压不能太高,一般控制在35Pa左右。在辉光等电位情况下,当工作气压一定时,电子温度随电压的升高先减小后增大,最后又减小；在低气压下,针束状源极的电子温度高于平板源极的电子温度；等电位针束状源极的功率远高于不等电位平板源极的功率。说明等电位针束状源极能够提供高效率的源极溅射量。7.对等电位辉光等离子体电子密度的研究。当放电电压500-1000V,P=30-100 Pa,Te=2-10eV范围内,其电子密度在1021m-3量级。其值在工业等离子体典型密度范围内（1012-1025）m-3,且高于典型辉光放电的电子密度范围（1014-1018）m-3。辉光等电位放电状态为异常辉光状态,促使更多自由电子在阴极产生；封闭辅助阴极减少了自由电子向边界扩散,但保温效果增强,其总的效果就是电子密度增加,超过了一般辉光放电中的电子密度。这两个特点构成了等电位空心阴极放电效应的放电特色。在辉光等电位等离子体中,针束状源极电子密度随放电电压增高而降低；板状源极电子密度随电压增高而增加。放电气压变化,针束状源极电子密度随放电气压增高而降低；板状源极电子密度随放电气压增高先增大后降低。针束状源极在气压30-50Pa,电压低于500V时电子密度最高达到9.75×1021m-3。这与获得TiN渗镀复合层最佳工艺结果基本相符。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 等离子体的概述
• 1.2.1 等离子体的分类
• 1.2.2 等离体的诊断技术
• 1.2.3 等离子体的应用
• 1.3 氮化钛陶瓷材料的研究与发展
• 1.3.1 氮化钛的结构与性能
• 1.3.2 氮化钛的形成方法及存在的问题
• 1.3.3 氮化钛陶瓷涂层研究新进展
• 1.4 双辉等离子渗金属技术的研究发展
• 1.4.1 双辉等离子渗金属的基本原理
• 1.4.2 双辉等离子渗金属的特点
• 1.4.3 双辉等离子渗金属的物理基础
• 1.4.4 双辉等离子渗金属技术研究进展
• 1.5 本课题的提出、目的和意义
• 1.6 本课题的主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 制备氮化钛渗镀复合层工艺设计
• 2.1 前言
• 2.2 试验材料
• 2.2.1 基体材料
• 2.2.2 源极材料
• 2.2.3 试验气体
• 2.3 试验设备及操作过程
• 2.3.1 试验设备
• 2.3.2 试验布置
• 2.3.3 试验操作
• 2.4 制备氮化钛渗镀复合层试样的工艺方案
• 2.4.1 研究思路
• 2.4.2 工艺参数选择范围
• 2.5 PVD沉积层的制备
• 2.5.1 PVDTiN薄膜的制备
• 2薄膜的制备'>2.5.2 PVDTiB₂薄膜的制备
• 2.6 性能检测方法
• 2.7 本章小结
• 参考文献
• 第三章 氮化钛渗镀复合层工艺优化及组织结构的研究
• 3.1 前言
• 3.2 氮化钛渗镀复合层工艺的优化
• 3.2.1 前期渗钛工艺的确定
• 3.2.2 后期渗镀温度对氮化钛渗镀复合层颜色的影响
• 3.2.3 后期渗镀时间对氮化钛渗镀复合层颜色的影响
• 3.2.4 后期氩氮流量比对氮化钛渗镀复合层颜色的影响
• 3.3 氮化钛渗镀复合层表面形貌、成分和组织结构
• 3.3.1 氮化钛渗镀复合层的表面形貌
• 3.3.2 氮化钛渗镀复合层的致密度
• 3.3.3 氮化钛渗镀复合层的成分分布
• 3.3.4 氮化钛渗镀复合层的相结构
• 3.4 氮化钛渗镀复合层的性能
• 3.4.1 硬度检测
• 3.4.2 结合强度
• 3.5 辉光等离子体中钛元素与离子轰击行为
• 3.5.1 钛元素的渗入特点
• 3.5.2 离子的轰击行为
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 氮化钛渗镀复合层的摩擦学性能研究
• 4.1 前言
• 4.2 试验方法
• 4.2.1 磨损试样的准备
• 4.2.2 干摩擦条件下的摩擦磨损性能试验
• 4.2.3 有润滑条件下的摩擦磨损性能试验
• 4.2.4 性能检测
• 4.3 试验结果及分析
• 4.3.1 复合沉积层膜厚形貌
• 4.3.2 复合沉积层成分分布
• 4.3.3 各种氮化钛沉积层的硬度
• 4.3.4 干摩擦条件下氮化钛复合渗镀层的摩擦学性能
• 4.3.5 有润滑条件下氮化钛复合渗镀层的摩擦学性能
• 4.4 摩擦磨损形貌及磨损机理分析
• 4.4.1 干摩擦条件下的磨损分析
• 4.4.2 有润滑条件下的磨损分析
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 氮化钛渗镀复合层耐腐蚀性能的研究
• 5.1 前言
• 5.2 试验方法
• 5.2.1 试验装置及方法
• 5.2.2 试样准备及形貌观察
• 5.2.3 腐蚀电流和腐蚀速度的计算
• 5.3 电化学腐蚀试验结果及分析
• 5.3.1 氮化钛渗镀复合层在硫酸溶液中的耐腐蚀性能
• 5.3.2 氮化钛渗镀复合层在海水中的耐腐蚀性能
• 5.3.3 氮化钛渗镀复合层在盐酸溶液中的耐腐蚀性能
• 5.3.4 氮化钛渗镀复合层在PH10碱溶液中的耐腐蚀性能
• 5.4 浸泡腐蚀试验结果
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 辉光渗金属技术中等离子体特征及放电特性的研究
• 6.1 前言
• 6.2 辉光等离子体测试设备
• 6.3 辉光等离子体的放电特性
• 6.3.1 试验方案
• 6.3.2 典型工艺放电特征
• 6.3.3 辉光等离子体的阴极位降区
• 6.4 辉光等离子体中电子温度的分布
• 6.4.1 电子温度测量位置
• 6.4.2 电子温度的计算
• 6.4.3 不等电位电子温度结果及讨论
• 6.4.4 等电位电子温度结果及分析
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 辉光等离子体中空心阴极效应的电子密度分布
• 7.1 前言
• 7.2 电子密度的测量位置
• 7.3 电子密度测量的可行性及误差分析
• 7.3.1 用谱线斯塔克展宽测量电子密度Ne的可行性及谱线选定
• β线的确定'>7.3.2 波长测量谱图中的H_β线的确定
• β线半高宽度的确定'>7.3.3 H_β线半高宽度的确定
• 7.4 电子密度测量结果及分析
• 7.4.1 平板源极电子密度结果及分析
• 7.4.2 针束状源极电子密度结果及分析
• 7.5 辉光空心阴极效应的分析与讨论
• 7.5.1 辉光等电位等离子体中Ne偏高的原因分析
• 7.5.2 空心阴极效应在辉光等离子体中的作用
• 7.6 本章小结
• 参考文献
• 第八章 结论
• 论文独创性说明
• 攻读博士期间发表的研究论文及科研成果
• 致谢