非平衡磁控溅射TiAIN薄膜的组织结构与性能研究

论文摘要

随着现代工业的迅速发展,对材料表面性能(如硬度、耐磨性及耐腐蚀性等)的要求越来越高。因此,在表面镀覆性能优良的薄膜成为目前材料研究的热点之一。TiN薄膜是研究较早并广泛应用的硬质薄膜之一,与TiN薄膜相比,TiAlN薄膜具有高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀以及良好的抗高温氧化性等优点,广泛应用于机械加工刀具、刃具、模具和其它耐磨部件等。本文采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀在不同硬度的T10钢基体上制备了TiAlN薄膜,运用EDS、XRD和SEM等测试方法对TiAlN薄膜的成分、组织结构和表面形貌进行了测试,此外,测定了薄膜的表面显微硬度、膜/基结合强度和摩擦系数,同时,对TiAlN薄膜进行了高温氧化试验和耐腐蚀试验,主要研究结果如下：1.不同硬度基体上的TiAlN薄膜表面均平整光滑,膜层致密无空洞,薄膜的晶粒尺寸大小不一,在几十纳米至几百纳米之间。TiAlN薄膜成分由钛、铝和氮组成,相结构中含有AlN、Ti3AlN和Ti2AlN相。2.通过显微硬度计测定,TiAlN薄膜的表面显微硬度远远大于基体的硬度,软硬基体上的薄膜显微硬度有所差异,最大显微硬度为2575HVo.025；由压痕法和划痕法及摩擦试验测试结果得出,硬基体上的TiAlN薄膜的结合强度较高、摩擦系数较小。3.在600℃、700℃、800℃和900℃下对TiAlN薄膜进行高温氧化。由相组成、表面形貌的结果可知,TiAlN薄膜在800℃左右严重氧化,900℃时已完全失效。4.通过电化学腐蚀试验和浸泡腐蚀试验结果得出,TiAlN薄膜在盐和酸介质中都具有良好的耐腐蚀性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 表面工程技术
• 1.2.1 表面工程技术的定义及分类
• 1.2.2 表面工程技术的意义
• 1.2.3 表面工程技术的发展趋势
• 1.3 薄膜技术概述
• 1.3.1 薄膜的种类及应用
• 1.3.2 薄膜的生长过程
• 1.3.3 薄膜的制备方法
• 1.4 磁控溅射技术简介
• 1.5 硬质薄膜的发展
• 1.5.1 二元硬质薄膜
• 1.5.2 多元复合硬质薄膜
• 1.5.3 多层硬质薄膜
• 1.6 TiAlN硬质薄膜的研究进展
• 1.7 本论文的研究目的和内容
• 第2章 实验设备与测试方法
• 2.1 磁控溅射设备
• 2.2 实验基体及预处理
• 2.3 薄膜的成分、结构和形貌表征
• 2.3.1 薄膜的成分测试
• 2.3.2 薄膜的相结构测试
• 2.3.3 薄膜的形貌测试
• 2.4 薄膜的力学性能表征
• 2.4.1 薄膜的显微硬度测试
• 2.4.2 薄膜的结合力测试
• 2.5 薄膜的摩擦性能表征
• 2.6 本章小结
• 第3章 TiAlN薄膜的制备及分析
• 3.1 引言
• 3.2 TiAlN硬质薄膜的制备
• 3.2.1 薄膜膜层的设计
• 3.2.2 TiAlN薄膜的制备工艺
• 3.3 薄膜的形貌及成分结构分析
• 3.3.1 TiAlN薄膜的表面与截面形貌
• 3.3.2 TiAlN薄膜的成分分析
• 3.3.3 TiAlN薄膜的相结构分析
• 3.4 TiAlN薄膜的力学性能
• 3.4.1 TiAlN薄膜的显微硬度测试
• 3.4.2 TiAlN薄膜的膜/基结合力分析
• 3.5 TiAlN薄膜的摩擦性能分析
• 3.5.1 材料的摩擦
• 3.5.2 试验结果与分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 TiAlN薄膜的抗氧化性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验方法
• 4.3 氧化温度对薄膜相结构的影响
• 4.4 氧化温度对薄膜表面形貌的影响
• 4.5 氧化温度对薄膜硬度的影响
• 4.6 氧化温度对薄膜摩擦系数的影响
• 4.7 本章小结
• 第5章 TiAlN薄膜的耐腐蚀性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 电化学腐蚀试验
• 5.2.1 电化学原理简介
• 5.2.2 试验装置及内容
• 5.2.3 试验结果与分析
• 5.3 浸泡腐蚀试验
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果