Zr-Ta-Nb-Ti-W-N多主元薄膜組織結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、為了提高Ti6Al4V合金的耐磨性能,本文采用多靶磁控濺射與等離子體基注氮方法在Ti6Al4V合金表面分別制備了四元TaNbTiW合金薄膜,(TaNbTiW)N氮化物薄膜,五元ZrTaNbTiW合金薄膜和(ZrTaNbTiW)N氮化物薄膜。采用X射線熒光光譜(XRF)、X射線光電子能譜(XPS)、X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)等分析手段對薄膜的化學(xué)成分,元素價態(tài)、相組成和微觀結(jié)構(gòu)進行了分析,研究了薄膜的摩擦

2、磨損性能并對其機理進行了分析。
　　通過磁控濺射在Ti6Al4V合金上制備了TaNbTiW合金薄膜,并對薄膜的組織結(jié)構(gòu)與性能進行了研究。研究表明,TaNbTiW合金薄膜為簡單的體心立方結(jié)構(gòu)且各衍射峰的位置隨著Ta、Nb含量的減少及Ti、W含量的增加逐漸向高角度方向移動。TaNbTiW合金薄膜在500,700和900℃退火時具有良好的相穩(wěn)定性和抗氧化性能,且隨著Ti和W含量的增加薄膜的抗氧化性能增強。場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM

3、)分析結(jié)果顯示,TaNbTiW合金薄膜的表面為顆粒狀,斷面為柱狀晶結(jié)構(gòu)。在Ti6Al4V合金基體上沉積的TaNbTiW合金薄膜的最大硬度為5.2GPa,較基體硬度提高了13％左右。摩擦系數(shù)較基體有所上升,但比磨損率較基體下降了17%。
　　采用磁控濺射和等離子體基注氮方法制備了(TaNbTiW)N氮化物薄膜。XPS結(jié)果表明,TaNbTiW合金薄膜注氮后形成了Ta-N、Nb-N、Ti-NO、Ta-O化學(xué)鍵和Ta0+、W0+價態(tài)。XR

4、D結(jié)果表明,(TaNbTiW)N薄膜由體心立方和面心立方固溶體組成。TaNbTiW合金薄膜注氮后,其硬度和彈性模量都有顯著提高且隨著注氮時間的增加而增大,Ta25.4Nb13.4Ti20.9W40.3注氮3h試樣具有最大的硬度和彈性模量,其值分別達到9.0和154.1GPa。注氮之后摩擦系數(shù)較合金薄膜有顯著降低,耐磨性能較合金薄膜和基體Ti6Al4V都有明顯提高,注氮1h薄膜具有最小的比磨損率,較四元合金薄膜降低了200%,較基體Ti6

5、Al4V下降了223%。氮化物薄膜的磨損機理主要是磨粒磨損,同時也存在粘著磨損。
　　采用多靶磁控濺射制備了五元ZrTaNbTiW合金薄膜。XRD分析結(jié)構(gòu)表明,ZrTaNbTiW合金薄膜為簡單的體心立方或非晶相。當(dāng)薄膜中Zr含量超過35at%時,出現(xiàn)非晶相。該薄膜在500、700和900℃退火無相轉(zhuǎn)變發(fā)生,具有良好的相穩(wěn)定性,且隨著Ti和W含量的增加,薄膜的抗氧化性能提高。FESEM分析結(jié)果表明,ZrTaNbTiW合金薄膜的表面形

6、貌為顆粒狀,斷面形貌為柱狀晶。隨著Zr含量的增多,表面顆粒逐漸變小,斷面柱狀晶結(jié)構(gòu)逐漸變致密。ZrTaNbTiW合金薄膜的最大硬度為6.7GPa。ZrTaNbTiW合金薄膜的摩擦系數(shù)為0.35左右,較基體Ti6Al4V合金高,但比磨損率顯著低于基體Ti6Al4V,最大下降了2倍多,其磨損機制主要為磨粒磨損和粘著磨損,同時伴有輕微的氧化磨損。
　　采用多靶磁控濺射和等離子體基注氮方法制備了(ZrTaNbTiW)N氮化物薄膜。XPS分

7、析結(jié)果表明,薄膜中存在Ta-N、Nb-N、Ti-N、Zr-N、Zr-O化學(xué)鍵和Nb0+、W0+價態(tài)。XRD結(jié)果顯示,五元合金薄膜ZrTaNbTiW注氮之后相結(jié)構(gòu)為體心立方和面心立方組成的固溶體。(ZrTaNbTiW)N薄膜的斷面為寬度約為30nm的柱狀晶。注氮后,薄膜的硬度和彈性模量都有顯著提高,最大硬度和彈性模量分別達到13.5和178.9GPa,耐磨性能較其合金薄膜ZrTaNbTiW和基體Ti6Al4V都有較大的提高,比磨損率分別下

8、降了3.6倍和5倍。
　　通過對TaNbTiW合金薄膜分別注N,加入Zr元素,加Zr元素后注N分析發(fā)現(xiàn),TaNbTiW合金薄膜注氮后,薄膜中形成了面心立方結(jié)構(gòu)的氮化物,晶體結(jié)構(gòu)由原來的體心立方轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方和面心立方的混合固溶體。Zr元素加入TaNbTiW合金薄膜后,薄膜的晶格畸變增大,當(dāng)Zr、Ta、Nb、Ti和W各元素含量屬于高熵薄膜范疇時,薄膜具有較高的混合熵,晶格畸變和高的混合熵導(dǎo)致薄膜中形成非晶相。在TaNbTiW薄膜中加