【摘要】：銅合金導電、導熱性能優(yōu)良,兼?zhèn)淞己玫募庸ば阅?被廣泛應用于電子、電力、制造業(yè)、航空航天以及能源等領域。隨著工業(yè)技術的迅猛發(fā)展,對銅合金零部件的服役環(huán)境、使用精度、服役壽命等提出了更高的要求。將表面改性技術應用于銅合金領域,為銅合金表面賦予新的性能成為研究熱點。為了提高涂層與基體之間的結合強度,梯度熱擴散涂層具有更大的優(yōu)越性。在熱擴散過程中,硬質涂層與基體可以實現(xiàn)冶金結合,從而大大提高了涂層與基體之間的結合強度。由于Cu-Ti為基的熱擴散層與銅合金基體具有相似的力學和物理性能,所以Cu-Ti熱擴散層是最好的選擇。等離子體氮化過程可以將含氮氣體的介質電離后使氮元素滲入材料表面,形成氮化物或者含氮固溶體,并提供擴散的熱力學條件。因此,本文針對提高C17200鈹青銅和C61900鋁青銅表面耐磨性的要求,基于熱力學計算與第一性原理計算方法提出了Ti-Cu-N復相改性層的設計思路,采用非平衡磁控濺射與等離子體滲氮復合改性方法在兩種耐磨銅合金表面制備了Ti-Cu-N改性層,并研究了改性層的形成機制,測試了改性層的硬度、摩擦學性能和結合力等力學性能。根據(jù)Ti-N相圖、Cu-Ti相圖、Al-Cu-Ti三元相圖及熱力學計算確定Ti-CuN復相改性層在等離子體滲氮溫度區(qū)間(900~1100 K)可能的生成相。結果表明,Cu-Ti各相(Cu_4Ti、Cu_3Ti、Cu_2Ti、Cu_3Ti_2、Cu_4Ti_3、CuTi和CuTi_2)、TiN各相(δ-Ti N、ε-Ti_2N和α-Ti(N))及Al Cu_2Ti相均可形成。采用第一性原理方法計算了上述各相的穩(wěn)定性及力學性質,Cu-Ti化合物的彈性模量和硬度均高于Cu和Ti,其中CuTi化合物的彈性模量、硬度及德拜溫度最高,除CuTi相和CuTi_2相之外的Cu-Ti金屬間化合物均為韌性。Ti-N各相的彈性模量、硬度和德拜溫度均比Cu-Ti化合物高,并且隨著N含量的增加而提高。因此,將TiCu-N復相改性層設計為外層高硬Ti-N層,中間為Cu-Ti過渡層具有理論依據(jù)。另外,由Ti-Cu-N體系計算結果可知,銅合金表面Ti-Cu-N復相改性層的相演變過程中N和Cu存在與Ti結合的競爭關系,Cu可以起到細化表面Ti-N層晶粒的作用。AlCu_2Ti相是硬度、模量較高的韌性材料,可作為優(yōu)質耐磨材料應用。采用非平衡磁控濺射方法在兩種銅合金表面制備了Ti/Cu原子比分別為7:1、7:4和1:2三種成分的Cu-Ti膜。對所制備薄膜的相分析結果表明,Ti/Cu原子比為7:1的工藝膜層的相結構為β-Ti相、Ti_2Cu相和少量的α-Ti,Ti/Cu原子比為7:4的膜層的相結構為Ti_2Cu相和少量的CuTi相,Ti/Cu原子比為1:2的膜層為非晶態(tài)。銅合金表面預置Cu-Ti膜后分別進行了真空擴散和等離子體滲氮處理,獲得了Cu-Ti和Ti-Cu-N復相改性層,其中Ti-Cu-N復相改性層包括表面Ti-N層和中間Cu-Ti化合物層,Ti/Cu原子比為1:2的膜層滲氮后次表層出現(xiàn)富Cu相,Ti-N層為TiN相和TiN0.3相。C17200鈹青銅表面制備的Cu-Ti中間層主要包括Ti_2Cu相、CuTi相和Cu_3Ti相,另外還有Be_3Ti_2Cu相。預置Cu-Ti膜的C61900銅合金等離子體滲氮后改性層靠近基體位置迅速形成較厚的AlCu_2Ti相,中間層還存在CuTi相、Cu_3Ti相和少量Ti_2Cu相。隨著擴散的進行,Cu原子的擴散促使含Cu比例高的Cu-Ti化合物形成,并且Ti與Cu之間和Ti與N之間的競爭反應限制了Ti-N化合物層的生長。Ti-Cu-N復相改性層硬度與模量值的變化規(guī)律與改性層的相結構密切相關,Ti-N層的厚度越厚表層的硬度越高。C17200銅合金和C61900銅合金表面預置Ti/Cu原子比為7:1的膜層經(jīng)過650℃滲氮1h后,改性層的硬度(10 GPa)與模量(180~190 GPa)最高,磨損率分別降低至2.4×10~(-15)m~3/Nm和1.0×10~(-15)m~3/Nm,穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)依然較高約為0.25。C17200銅合金表面預置Ti/Cu原子比為7:1的膜層和Ti/Cu原子比為7:4的膜層650℃滲氮4h后摩擦系數(shù)大幅度降低,分別為0.06和0.07,磨損率分別為1.4×10~(-15)m~3/Nm和1.0×10~(-15)m~3/Nm,比基體降低了94%以上。而C61900銅合金表面預置Ti/Cu原子比為7:4的膜層650℃滲氮4h后摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.1和1.0×10~(-15)m~3/Nm,比基體磨損率降低了99.5%,磨損機制均為輕微黏著磨損和氧化磨損。
【圖文】：

激光改性后試樣橫截面的SEM照片

Ni-Co復合涂層的橫截面SEM照片
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG174.4

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 梁宏偉;嚴東旭;白彬;郎定木;肖紅;王曉紅;;鈾表面離子注入碳改性層抗腐蝕性研究[J];原子能科學技術;2008年08期

2 秦妍梅;張卓;李長樂;王恒;;純鈦表面滲N改性層組織性能研究[J];山西冶金;2015年01期

3 宣偉;張平則;黃俊;;純鈦表面滲鉭改性層在硫酸中的耐腐蝕性能[J];機械工程材料;2010年09期

4 顏朝暉,廖家軒,夏立芳;鈦中間層對改性層結構及性能的影響[J];中國有色金屬學報;2002年04期

5 王若男;張平則;畢強;魏東博;陳小虎;;采用雙層輝光等離子表面合金化技術在Q235鋼表面制備鉭改性層及其耐蝕性[J];機械工程材料;2013年09期

6 王鶴峰;張洪濤;李秀燕;;不銹鋼表面TiO_2改性層在NaCl溶液中的腐蝕行為研究[J];稀有金屬快報;2006年12期

7 廖家軒,夏立芳,孫躍;氮和碳等離子體基離子注入鋁合金表面氮化鋁/類金剛石碳膜改性層的摩擦學特性[J];摩擦學學報;2001年05期

8 楊德良,高海偉,趙景山,邵波,黃誠;鑄鐵表面改性熱力學分析及改性層深度預測[J];山東冶金;2000年05期

9 張峰;范鏑;高勁松;;碳化硅表面硅改性層的特性研究[J];激光與光電子學進展;2012年03期

10 蔡航偉;高原;馬志康;王成磊;;奧氏體不銹鋼表面雙輝等離子滲鋯改性層的耐蝕性[J];稀有金屬;2013年06期

相關會議論文 前10條

1 梁宏偉;嚴東旭;白彬;郎定木;肖紅;王曉紅;;鈾表面離子注入及輔助沉積碳改性層抗腐蝕性研究[A];2006全國荷電粒子源、粒子束學術會議論文集[C];2006年

2 張峰;范鏑;高勁松;;碳化硅表面硅改性層的特性研究[A];中國光學學會2011年學術大會摘要集[C];2011年

3 羅軍;鄭健峰;莫繼良;何莉萍;朱e，

本文編號：2654931