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[学位]

高硬度Ti-Si-N纳米复合薄膜若干性能及热稳定性研究

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Author:

马大衍 (马大衍.)

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学位论文库

Abstract:

由于纳米复合结构特有的组织协调性、优越的力学性能,及其良好的化学稳定性,因此纳米复合薄膜在工模具表面改性领域具有巨大的工业应用优势。本文基于nc-MnN/a-Si3N4纳米超硬复合薄膜的设计概念,分别用等离子体辅助化学气相沉积(PCVD)和物理气相沉积(PVD)制备出了硬度在40GPa以上的Ti-Si-N、Ti-Al-Si-N以及Ti-Si-C-N纳米复合超硬薄膜,探讨了纳米复合薄膜相组成、力学性能及高温稳定性能。对模具等具有复杂型腔内表面沉积Ti-Si-N纳米复合超硬薄膜进行了模拟研究。重点就纳米复合超硬薄膜的室温、高温摩擦学性能进行了表征,主要工作分为以下几个方面:(1)针对PCVD设备及工艺特点,提出了N2活性是影响Ti-Si-N薄膜相结构的主要因素。探讨了Ti-Si-N纳米结构特征及其与力学性能的相互关系。总结了纳米复合超硬Ti-Si-N薄膜的微观结构、化学组成及其对性能影响等普适性规律。结果表明,沉积过程中N2活性改变会造成薄膜相组成改变;Ti-Si-N薄膜体系中薄膜晶粒尺寸基本保持在10nm以下;Ti-Si-N薄膜的硬度普遍与非晶Si3N4层厚存在抛物线变化关系,TiN晶粒被1个分子层厚的Si3N4包覆时,薄膜的硬度达到最大值且薄膜具有良好的断裂韧性;Si元素的加入显著增强了TiN膜基体系耐蚀性和高温抗氧化性。(2)研究了氧、氯杂质元素对纳米复合薄膜硬度的影响规律。结果表明:PCVD制备Ti-Si-N薄膜中残余一定的氧含量和氯含量均可使薄膜的硬度大幅降低。 薄膜中氧含量小于0.2%(原子分数), 薄膜硬度可以达到45-55GPa, 而氧含量升至1-1.5%后, 薄膜硬度降至30GPa左右。首次提出PCVD制备纳米复合薄膜硬度受氧、氯、氢元素的共同支配,PCVD沉积薄膜中,氧含量对薄膜硬度影响大于氯含量影响,其机理是氧、氢造成氯化物的水解反应,该反应同时促进了非晶Si3N4和TiN的分解。(3) 考察了高温退火对纳米复合超硬薄膜晶粒尺寸及其硬度的影响以及退火后膜/基之间元素扩散的影响。结果表明:纳米复合超硬薄膜表现出了较高的热稳定性能,薄膜的原始晶粒尺寸决定薄膜的再结晶温度。膜基之间的元素热扩散可能对薄膜的稳定性有一定影响。分析认为,纳米复合超硬薄膜高热稳定性是由于沉积过程中发生的自发调幅分解,使得纳米晶晶界具有强的热力学稳定性。(4)用不同直径和深度的盲孔模拟工模具表面的复杂型腔,通过测试盲孔底部的Ti-Si-N薄膜评价型腔尺寸对其内表面沉积薄膜均匀性和性能的影响及脉冲直流PCVD技术对复杂型腔模具内表面的强化能力,并建立了脉冲直流PCVD在型腔内表面沉积Ti-Si-N薄膜的模型。(5)从设计抗磨损低摩擦系数薄膜的思路出发,在Ti-Si-N薄膜中添加C元素,研究发现,Ti-Si-C-N薄膜是由Ti(C,N)/a-C/a-Si3N4/a-TiSi2组成的纳米复合结构,薄膜的晶粒尺寸在2-25nm范围内。当Ti-Si-C-N薄膜中N含量很少时,薄膜的表面形貌由颗粒状转变为粗条状。在一定的工艺条件下,薄膜硬度随Si含量和C含量增加,都呈线性增加趋势,控制薄膜元素含量,薄膜硬度可以达到40GPa以上。(6)对高硬度Ti-Si-N和Ti-Si-C-N纳米复合薄膜的摩擦学性能进行了对比研究。结果表明, 相对于TiN薄膜Ti-Si-N薄膜室温及高温的抗磨损性能大大优于TiN薄膜, 但Ti-Si-N薄膜室温摩擦系数均在0.5以上,550°C下摩擦系数有所降低。当Ti-Si-N薄膜中加入C元素后,薄膜的摩擦系数可降低至0.3以下。提出薄膜中Si3N4非晶体含量是影响Ti-Si-C-N薄膜摩擦机制的控制因素。

Keyword:

摩擦学 纳米复合薄膜 热稳定性 硬度

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  • [ 1 ] 西安交通大学材料科学与工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 徐可为

Year: 2005

Language: Chinese

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