鋁合金表面鍍鈦滲氮復合改性層設計與組織結構研究.pdf

1、鈦鋁基金屬間化合物具有優(yōu)異的抗氧化能力、良好的耐磨和耐蝕性、較高的高溫強度、低密度和高熔點，被廣泛應用于結構材料，近年來材料工作者致力于將其應用于鋁合金表面的強化層，另外，鈦元素與氮元素有極高的親和性，能形成高硬度的鈦氮化合物，基于此，本文預期通過鍍/滲復合改性方法在2024鋁合金和5083鋁合金表面制備出耐磨耐蝕層。該復合改性方法分為兩步，首先利用磁控濺射離子鍍技術在鋁合金表面預鍍鈦膜作為合金化擴散源，再將鍍鈦鋁合金進行脈沖等離子體滲

2、氮獲得復合改性層。
　　針對該方法，本文以第一性原理計算為基礎，結合熱力學分析，研究了擴滲反應生成相的可能性以及結構穩(wěn)定性，并對其力學性能進行了預測，基于此，在鋁合金表面設計多層涂層結構。采用X射線衍射分析（XRD）、掃描電鏡觀察（SEM）、能譜分析（EDS）、透射電鏡觀察（TEM）等手段研究了預鍍鈦膜工藝和擴滲工藝對復合改性層組織結構和性能的影響。采用維氏顯微硬度計、球-盤式摩擦試驗機和3.5％NaCl溶液中的陽極極化法測試了改

3、性層的硬度、耐磨和耐蝕性能。
　　熱力學分析表明鈦-氮體系和鋁-鈦-鎂反應擴散體系在低溫下能分別形成α-TiN0.3，Al3Ti和Al18Ti2Mg3，第一性原理計算表明 Al3Ti的形成能最負，α-TiN0.3的結合能最負。三種物相均存在共價、離子和金屬鍵的混合作用，其中Ti-N之間的共價作用最強，Al3Ti中的Al-Ti鍵共價性強于Al18Ti2Mg3中的Al-Ti鍵。首次預測了α-TiN0.3和Al18Ti2Mg3的楊氏模量

4、，分別為199GPa和122GPa，三種化合物的B/G分別為1.84、1.56和1.25，其中α-TiN0.3和Al18Ti2Mg3具有較低的脆性傾向，計算結果表明復合改性層的多相多層結構有利于降低界面殘余熱應力。
　　鋁合金表面預鍍 Ti膜均為密排六方結構，并存在(002)晶面的擇優(yōu)取向，提高偏壓、增大濺射功率和延長沉積時間，(002)晶面的擇優(yōu)取向趨勢減弱。鍍鈦2024鋁合金和5083鋁合金經等離子體滲氮后，表面形成多層結構，

5、分別由α-TiN0.3/Al3Ti/Al18Ti2Mg3和α-TiN0.3/ Al18Ti2Mg3組成，復合改性層中Al3Ti層和Al18Ti2Mg3層的增厚滿足冪函數關系，動力學生長指數分別為0.797和1.133，近似線性生長規(guī)律。
　　等離子滲氮溫度和時間對復合改性層的相結構和層厚影響較大。2024鋁合金表層的α-TiN0.3在低溫(<460℃)時存在(002)晶面擇優(yōu)取向，提高溫度時轉向(100)晶面擇優(yōu)生長，而5083鋁

6、合金表層的α-TiN0.3隨著溫度的升高，(002)晶面的擇優(yōu)取向趨勢增強。2024鋁合金表面復合改性層厚度隨滲氮溫度的提高而增加，并且Al18Ti2Mg3層的厚度增加大于Al3Ti層。在低氮氣氛處理時，2024鋁合金層的α-TiN0.3沿(100)晶面擇優(yōu)生長，在高氮氣氛下轉向(002)晶面的擇優(yōu)生長，而滲氮氣氛對鋁基化合物層相結構和5083鋁合金表層相結構影響不大。在460℃不同時間擴滲后，2024鋁合金表面α-TiN0.3均保持(

7、100)晶面的擇優(yōu)取向，α-TiN0.3層厚緩慢減小，而鋁基金屬間化合物層的厚度增加，5083鋁合金的表層α-TiN0.3的(002)晶面的擇優(yōu)生長趨勢隨保溫時間的延長而減弱。低溫和低氮氣氛下，α-TiN0.3顆粒細化至50nm，提高溫度和氮氫比，延長保溫時間，顆粒聚集長大，表層變得致密。
　　復合改性層顯著提高了2024鋁合金和5083鋁合金的表面硬度，兩者的基體硬度分別為HV98和HV61，鍍滲處理后的硬度可分別高達到HV63

8、1和HV880。α-TiN0.3層存在(002)晶面的擇優(yōu)取向時，改性層的表面硬度得到明顯提高。納米壓痕測試結果表明，α-TiN0.3和Al18Ti2Mg3的楊氏模量分別為172GPa和131GPa，與第一性原理預測結果相近，納米硬度分別為10.35GPa和8.97GPa，遠高于鋁合金基體的硬度1.46GPa。
　　復合改性層降低了鋁合金表面的摩擦系數和磨損率，2024鋁合金和5083鋁合金基體的摩擦系數分別為0.52和0.71，