微合金化和复合化对纳米晶ti5si3涂层性能影响的研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文摘要钛合金以其密度低、比强度高、生物相容性好等优异特点，而被广泛应用于航空航天、石油化工、生物医药等领域，但钛合金的一些固有缺点限制了其应用范围的进一步扩大。表面改性可明显提高钛合金的相关表面性能。鉴于当前钛合金表面改性存在的诸多问题，有必要在表面技术的改进、涂层材料体系的选择、微观组织的设计等方面开展广泛而深入的研究。采用双阴极等离子溅射沉积技术，分别以Ti50Si50和Ti45.5Si45.5C9为靶材，在Ti-6Al-4V合金表面制备了纳米晶Ti5Si3和Ti5Si3C0.8涂层。所制备涂层均匀致密，无明显缺陷，与基体结合良好。XRD结果表明，C微合金化

2、改变了纳米晶Ti5Si3涂层的残余应力状态，由拉应力转变为压应力。此外，纳米晶Ti5Si3C0.8涂层中的C固溶于Ti5Si3中，未改变其晶体结构，显微组织呈现出与纳米晶Ti5Si3涂层一致的花状结构。电化学测试表明，C的引入促进了涂层钝化膜中SiO2的形成，减少了半导体钝化膜的施主密度，增加了空间电荷层厚度，使得纳米晶Ti5Si3C0.8涂层具有比纳米晶Ti5Si3涂层更优异的电化学腐蚀性能。在此基础上，进一步增加靶材的C含量(Ti40Si40C20)，制备了TiC增强的Ti5Si3基纳米复合涂层(TiC/Ti5Si3)。XPS和TEM分析表明，纳米晶TiC/Ti5Si3复合涂层中，一

3、部分C以间隙原子的形式固溶于Ti5Si3中，另一部分以第二相TiC的形式存在，这些TiC晶粒分布于Ti5Si3的花状结构之间。由于合金化和复合化的作用并存，纳米晶TiC/Ti5Si3复合涂层的硬度、弹性模量、断裂韧性以及与基体的结合力均明显高于纳米晶Ti5Si3涂层。电化学测试表明，TiC的引入增大了涂层钝化膜的施主密度和氧空位扩散系数，在一定程度上降低了纳米晶TiC/Ti5Si3复合涂层的腐蚀性能，但显著提高了点蚀抗力；磨损测试中，纳米晶TiC/Ti5Si3复合涂层具有极小的比磨损率，接近零磨损状态，表现出优异的磨损抗力，而纳米晶Ti5Si3涂层在磨损过程中则过早地碎裂剥落，碎裂的涂层

4、产生磨粒磨损作用，造成涂层磨损性能的严重下降。关键词：Ti5Si3，微合金化，复合化，腐蚀性能，磨损性能i微合金化和复合化对纳米晶Ti5Si3涂层性能影响的研究AbstractTitaniumalloyhasawiderangeofapplicationintheaerospace,petrochemicalandmedicalindustriesduetoitsfavorableproperties,suchaslowdensity,highstrength-to-weightratio,superiorbiocompatibility,etc.However,certaininher

5、entshortcomingshavelimiteditsuseinmanyapplications.Surfacemodificationcaneffectivelyimprovesurfacepropertiesoftitaniumalloy.Inviewofsomedisadvantagesofsurfacemodificationtechniques,itisnecessarytoconductcomprehensiveandthoroughresearchintotheimprovementofsurfacemodificationtechnique,thechoiceofco

6、atingmaterialsystem,aswellasthedesignofmicrostructureofcoating.NanocrystallineTi5Si3andTi5Si3C0.8filmsweredepositedontoTi-6Al-4ValloysubstratebydoublecathodeglowdischargetechniqueusingTi50Si50andTi45.5Si45.5C9astarget,respectively.TheSEMmicrographsshowedthattwokindsofnanocrystllinefilmswerewellad

7、herent，uniformanddensewithoutcracksandpinholes.UnlikearesidualtensilestressexistedinnanocrystallineTi5Si3film,Cmicro-alloyingresultedintheformationofacompressivestressinnanocrystaalineTi5Si3C0.8film,andCatomsweredissol