论文部分内容阅读
钛铝基金属间化合物具有优异的抗氧化能力、良好的耐磨和耐蚀性、较高的高温强度、低密度和高熔点,被广泛应用于结构材料,近年来材料工作者致力于将其应用于铝合金表面的强化层,另外,钛元素与氮元素有极高的亲和性,能形成高硬度的钛氮化合物,基于此,本文预期通过镀/渗复合改性方法在2024铝合金和5083铝合金表面制备出耐磨耐蚀层。该复合改性方法分为两步,首先利用磁控溅射离子镀技术在铝合金表面预镀钛膜作为合金化扩散源,再将镀钛铝合金进行脉冲等离子体渗氮获得复合改性层。针对该方法,本文以第一性原理计算为基础,结合热力学分析,研究了扩渗反应生成相的可能性以及结构稳定性,并对其力学性能进行了预测,基于此,在铝合金表面设计多层涂层结构。采用X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜观察(SEM)、能谱分析(EDS)、透射电镜观察(TEM)等手段研究了预镀钛膜工艺和扩渗工艺对复合改性层组织结构和性能的影响。采用维氏显微硬度计、球-盘式摩擦试验机和3.5%Na Cl溶液中的阳极极化法测试了改性层的硬度、耐磨和耐蚀性能。热力学分析表明钛-氮体系和铝-钛-镁反应扩散体系在低温下能分别形成α-Ti N0.3,Al3Ti和Al18Ti2Mg3,第一性原理计算表明Al3Ti的形成能最负,α-Ti N0.3的结合能最负。三种物相均存在共价、离子和金属键的混合作用,其中Ti-N之间的共价作用最强,Al3Ti中的Al-Ti键共价性强于Al18Ti2Mg3中的Al-Ti键。首次预测了α-Ti N0.3和Al18Ti2Mg3的杨氏模量,分别为199GPa和122GPa,三种化合物的B/G分别为1.84、1.56和1.25,其中α-Ti N0.3和Al18Ti2Mg3具有较低的脆性倾向,计算结果表明复合改性层的多相多层结构有利于降低界面残余热应力。铝合金表面预镀Ti膜均为密排六方结构,并存在(002)晶面的择优取向,提高偏压、增大溅射功率和延长沉积时间,(002)晶面的择优取向趋势减弱。镀钛2024铝合金和5083铝合金经等离子体渗氮后,表面形成多层结构,分别由α-Ti N0.3/Al3Ti/Al18Ti2Mg3和α-Ti N0.3/Al18Ti2Mg3组成,复合改性层中Al3Ti层和Al18Ti2Mg3层的增厚满足幂函数关系,动力学生长指数分别为0.797和1.133,近似线性生长规律。等离子渗氮温度和时间对复合改性层的相结构和层厚影响较大。2024铝合金表层的α-Ti N0.3在低温(<460°C)时存在(002)晶面择优取向,提高温度时转向(100)晶面择优生长,而5083铝合金表层的α-Ti N0.3随着温度的升高,(002)晶面的择优取向趋势增强。2024铝合金表面复合改性层厚度随渗氮温度的提高而增加,并且Al18Ti2Mg3层的厚度增加大于Al3Ti层。在低氮气氛处理时,2024铝合金层的α-Ti N0.3沿(100)晶面择优生长,在高氮气氛下转向(002)晶面的择优生长,而渗氮气氛对铝基化合物层相结构和5083铝合金表层相结构影响不大。在460°C不同时间扩渗后,2024铝合金表面α-Ti N0.3均保持(100)晶面的择优取向,α-Ti N0.3层厚缓慢减小,而铝基金属间化合物层的厚度增加,5083铝合金的表层α-Ti N0.3的(002)晶面的择优生长趋势随保温时间的延长而减弱。低温和低氮气氛下,α-Ti N0.3颗粒细化至50nm,提高温度和氮氢比,延长保温时间,颗粒聚集长大,表层变得致密。复合改性层显著提高了2024铝合金和5083铝合金的表面硬度,两者的基体硬度分别为HV98和HV61,镀渗处理后的硬度可分别高达到HV631和HV880。α-Ti N0.3层存在(002)晶面的择优取向时,改性层的表面硬度得到明显提高。纳米压痕测试结果表明,α-Ti N0.3和Al18Ti2Mg3的杨氏模量分别为172GPa和131GPa,与第一性原理预测结果相近,纳米硬度分别为10.35GPa和8.97GPa,远高于铝合金基体的硬度1.46GPa。复合改性层降低了铝合金表面的摩擦系数和磨损率,2024铝合金和5083铝合金基体的摩擦系数分别为0.52和0.71,经扩渗处理后,铝合金表面的摩擦系数可分别降低至0.31和0.28,磨损率可分别降低59.4%和68.8%,显著提高了铝合金表面的耐磨性。复合改性层的磨损机制主要是磨粒磨损,并伴有氧化磨损和轻微的粘着磨损。