离子束增强沉积钛合金薄膜的空蚀磨损特性研究

论文摘要

微电子机械系统(MEMS)的迅猛发展促进了纳米金属薄膜在微电子机械系统中的广泛应用。同宏观机械系统一样,当流体通过微电子机械系统时,若满足空泡生成的流体力学条件,系统微型腔内部也会出现空蚀磨损现象。本文利用磁致伸缩超声振荡仪研究了离子束增强沉积钛合金薄膜的空蚀磨损特性,分析了沉积薄膜的空蚀磨损机理,探讨了超声发生强度对薄膜空蚀磨损性能的影响。论文的主要结论如下:1.空蚀实验后,钛合金薄膜试样表面出现了一些随机分布、大小不一的凹坑;随着时间的增加,试样表面凹坑的数目和尺寸均变大。这是由于空泡在表面溃灭时产生的冲击破坏作用而引起的。由于空泡大小、空间分布和溃灭时距表面的距离具有随机性,所以使表面受到的冲击破坏力不同,近而导致薄膜试样表面凹坑大小和分布的随机性。2.在钛合金沉积薄膜和钛合金本体的空蚀磨损过程中,薄膜试样表面未出现沿晶界的滑移和裂纹,且观察不到沉积薄膜的塑性变形;本体试样表面也没有出现明显的沿晶界的滑移和变形,但随着实验时间的增加,本体试样表面出现相对均匀的塑性变形。3.通过对钛合金薄膜空蚀磨损形貌特征的分析,可将其空蚀磨损过程划分为4个阶段:空蚀孕育阶段、薄膜空蚀磨损阶段、薄膜剥蚀脱落阶段、基体空蚀磨损阶段。膜层的空蚀磨损特征表现为空泡溃灭冲击作用力下的凹坑形成、凹坑周围疲劳裂纹形成和扩展、膜层表面局部断裂以及薄膜的剥落。4.对薄膜试样的空蚀光学显微照片进行黑白两色的分色处理,绘制的试样空蚀磨损过程曲线表明:基于两色的空蚀图像处理能够较好的反应材料空蚀磨损过程,易于对局部区域的空蚀情况进行定量描述和表征。5.通过对不同超声发生强度条件下薄膜试样空蚀磨损特性的研究发现,在相同的空蚀时间内,功率越大,试样空蚀破坏程度越严重,由空蚀破坏而导致的薄膜剥蚀脱落所需时间越短。因为超声波发生器输出功率的变化,改变了设备超声发生强度,而超声发生强度的变化改变了设备振动系统的振幅,进而改变了试验系统的空化强度,空化强度的大小影响了材料的空蚀破坏程度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 空化与空蚀
• 1.2.1 空化
• 1.2.2 空化的分类
• 1.2.3 空蚀
• 1.2.4 空蚀的危害
• 1.3 空蚀磨损的研究进展
• 1.3.1 空化机理
• 1.3.2 空蚀破坏机理
• 1.3.3 材料空蚀磨损特性
• 1.4 微电子机械系统中的空蚀现象
• 1.4.1 微电子机械系统
• 1.4.2 微电子机械中空蚀磨损的研究
• 1.5 本文的研究内容和意义
• 1.5.1 主要研究内容
• 1.5.2 研究意义
• 第2章 实验内容和实验方法
• 2.1 实验材料及设备
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 离子束增强沉积技术
• 2.2.1 离子束增强沉积工艺特点
• 2.2.2 多功能离子束增强沉积设备
• 2.2.3 沉积设备结构组成及工作原理
• 2.3 离子束增强沉积薄膜的制备
• 2.3.1 薄膜基体的制备
• 2.3.2 沉积薄膜的制备
• 2.4 空蚀磨损实验设备
• 2.4.1 磁致伸缩超声振荡仪
• 2.4.2 设备结构及工作原理
• 2.5 沉积薄膜的空蚀磨损实验
• 第3章 沉积薄膜的空蚀磨损特性
• 3.1 概述
• 3.2 沉积薄膜空蚀前表面状态分析
• 3.2.1 沉积薄膜表面微观形貌
• 3.2.2 沉积薄膜的接触角和表面能
• 3.3 沉积薄膜空蚀后表面状态分析
• 3.3.1 薄膜空蚀后表面微观形貌
• 3.3.2 薄膜空蚀之后的接触角和表面能
• 3.4 沉积薄膜表面形貌变化原因分析
• 3.5 Ti6Al4V金属的空蚀磨损特性
• 3.6 Ti6Al4V沉积薄膜和Ti6Al4V金属的空蚀磨损特性比较
• 3.7 小结
• 第4章 薄膜空蚀磨损过程及磨损机理
• 4.1 概述
• 4.2 空蚀磨损过程及磨损机理
• 4.2.1 空蚀孕育阶段
• 4.2.2 薄膜空蚀磨损阶段
• 4.2.3 薄膜剥蚀脱落阶段
• 4.2.4 基体空蚀磨损阶段
• 4.3 空蚀磨损图像的抽象处理
• 4.3.1 图像分色处理
• 4.3.2 空蚀磨损曲线的确立
• 4.4 小结
• 第5章 超声发生强度对薄膜空蚀磨损特性的影响
• 5.1 概述
• 5.2 超声发生强度对薄膜空蚀磨损特性的影响
• 5.2.1 4.5W功率下薄膜的空蚀磨损现象
• 5.2.2 8W功率下薄膜的空蚀磨损现象
• 5.2.3 12.5W功率下薄膜的空蚀磨损现象
• 5.3 不同输出功率下薄膜的空蚀磨损特性比较
• 5.3.1 空蚀磨损形貌
• 5.3.2 空蚀磨损过程
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究生履历