译文-合金基体金红石型.doc

攀枝花学院本科毕业设计（论文）外文译文院 （系）： 材料工程学院 专 业： 材料科学与工程 姓 名： 梁秀梅 学 号： 200511101218 指导教师评语： 签名： 年 月 日译文：合金基体金红石型-Ti02膜层的生产及特性Y.sun，D.Siva Rama Krishna南洋科技大学材料科学与工程系，新加坡，639798摘要：当前，基于在合金基体形成的金红石型-Ti02膜层的摩擦及化学特性运用得到了拓展。本文研究了两种金属合金包括AIS1316L奥氏体不锈钢和铝合金。首先，利用喷溅沉积方法得到纯钛膜层的磁控管上生产得到金红石基膜层，然后，膜层试样上热的氧化物部分地将钛的膜层转化为金红石型氧化物从而来加速界面反应，而这种反应可以极大地提高膜层基体的结合强度。通过包括X射线衍射、辉光放电光谱仪、高分辨率扫描电镜、纳米压痕、微痕、摩擦磨损试验以及电化学测试等多种分析和试验技术对膜和基体组成的系统的结构和性质进行了研究。结果表明，在表面工程技术上，利用红石型-Ti02膜层可以极大提高合金的耐磨性以及耐蚀性。关键词：金红石，钛的氧化物，膜层，不锈钢，铝，磨损，腐蚀.金红石型-Ti02具有许多让人感兴趣的物理、化学、光学及电介质特性，它也是一种具有低摩擦磨损速率的很好的耐磨材料。然而，到目前为止，金红石在摩擦学领域的应用仅限于钛合金，比如通过钛的热氧化物。与钛合金相比，很少有关于金红石膜层直接应用于摩擦学的研究。为了进一步探求金红石型Ti02的优良的摩擦特性，本文作者对在几种金属合金基体上的金红石膜层进行了深入研究，首先是在合金基体上沉积纯钛，然后是沉积钛的热氧化物使膜层中金红石相更易于形成，从而来提高界面反应以获得强的膜层-基体间的结合力。本文探讨了这种新颖过程的工艺、结构、性能特征。1 试验数据本文研究了两种合金，分别是商用铝合金AA6061和AISI316L不锈钢。试样尺寸规格为20mm20mm5mm，用SiC研磨砂纸进行打磨，然后用金刚石粉粒抛光至镜面，试样在放入喷沉积室之前置于丙酮和乙醇的混合液中进行超声波清洗。首先利用直流喷溅沉积方法往试样喷沉积纯钛1.0-2.0m厚，系统的基压为10-4Pa，工作压力保持为常压0.5Pa，纯度为99.99%，直径为75mm，厚度为6mm的钛片放在合金的正上方11cm处作为溅射源。直流电源的功率为300W，沉积过程中基体的温度为300。沉积之前，试样在功率为150W的射頻放电下溅射清洗20分钟。沉积有钛的试样放在空气电阻炉内加热得到热的氧化物，在预备试验阶段，氧化物在550下保温5到11小时。太高的温度将导致钛的氧化物膜层不再生成并造成氧化物膜层的剥落。而在低于500的温度下将造成在钛膜中氧化物生成不足，且不利于钛的氧化物的转变。热的氧化物生成之后，试样随炉冷却。膜层-基体构成的系统结果通过多种分析手段进行反映。这些分析手段包括沉积有斜角的X射线衍射仪（倾斜度为2）用于相的识别，高分辨率场发射扫描电镜用于膜层的形态观察，辉光放电光谱仪用于试样断面的成分分析，纳米压痕测试用于表面硬度及模量的测量，微痕测试用于膜层-基体的粘合评估，摩擦学和电化学腐蚀测试用于摩擦、磨损以及耐蚀特性评价。2 结果和讨论2.1铝合金上的金红石型Ti02膜层利用高分辨率的场发射扫描电镜揭示了铝合金上喷溅沉积纯钛膜层具有多角度形态，粒子尺寸大小在200nm至300nm之间，在晶粒的交接处存在亚微米级别的空位。热的氧化物在550保温11小时后，晶粒尺寸变小，膜层变得更稠密更厚。这主要是由于金红石型Ti02相的形核长大，而由于金红石与钛大的体积比率（达1.73），导致了体积膨胀。X射线衍射分析（见图1），通过呈现出来的几种反射峰所标识出来的随机取向表明沉积的Ti膜层具有密排立方的-Ti结构。而后对热氧化进行X射线衍射分析，多晶相以及随机取向金红石型Ti02成为了主相。除此以外，-Ti峰（图1标识出来的-Ti（O）强度减弱且转移至更低的反射角度上表明了晶体点阵的膨胀。这主要是由于氧和氮溶入进了-Ti晶格点阵中，通过断面成分分析更进一步能证实这一点。图1：附有斜角的X射线衍射仪对铝合金表面沉积的钛的氧化物膜层进行的分析结果从图1中可以得到另外一个重要发现，那就是氧化物膜层的几个低强度峰的2值位于42到45之间。这些峰值可以确定是来源于几个不同的Ti-Al化合物，主要有Al3Ti，TiAl以及Ti3Al相。这些相很显然是由于Ti-Al在界面处相互作用的结果，除此以外，-Al2O3峰值同时也可以明确确定。 氧化试样的断面成分分析揭示了四个成分及结构区见图2。I区含有相当数量的氧以及一些游离态的氮。从氧和钛的大约的原子比可以判断，这个区域主要含有金红石型Ti02相。在区域II，沿基体方向的氧含量很快减少，出现了相当数量的氮。该区域为溶解了氧和氮的-Ti区域，从XRD图样（图1）中-Ti（O）峰值的转移可以证实-Ti点阵的膨胀。在Ti-Al界面处化学反应的发生导致了图2：铝上钛的氧化物膜层的断面元素成分区的形成，在该区出现了Ti和Al的成分平台，表明在富铝区形成了Ti-Al的金属化合物。在区域，Ti进一步深入扩散进Al的基体中，形成了Ti-Al固溶体。的从球形火焰口状可以清晰看到这几个区域的演变过程，而该火焰口状是由氧化物膜层形成如图3所示。图3.由氧化物膜层表面形成的球形火焰口状边缘的光学显微照片显示了几个不同的结构区域.在形成热的氧化物之后，钛膜层的硬度值从2GPa增长到13Gpa，很显然是由于表面有金红石膜层形成以及在区下面，O和N溶入了钛中造成的。更重要的是利用半径为25m的洛氏铁笔进行微痕试验来揭示出膜层结合失败的临界载荷从380mN增加到580mN。膜层-基体之间的结合强度极大地提高是由于界面Al-Ti金属化合物的生成以及Ti在和区内的扩散，使得氧化物膜层和铝基体之间产生了冶金结合。在无润滑条件下的针划球滑动摩擦以及磨损试验说明，铝合金以及沉积有钛膜层的试样通过热氧化物的沉积，其摩擦特性得到了极大的提高，这一点从图4中可以很明显看到。这主要是由于金红石型Ti02的低摩擦特性。铝基体、沉积有钛膜试样以及沉积有氧化物膜层试样的磨损速率分别为1.7810-2mm3/Nm，6.0810-2mm3/Nm以及7.810-2mm3/Nm。这说明在铝合金表面依次混合喷溅有金红石型Ti02膜层的耐磨性等到了很大的提高。2.2 奥氏体不锈钢沉积金红石型Ti02膜层基于对沉积到铝合金的金红石膜层获得的结果可以进一步研究沉积到其它金属合金上。其中一个例子就是对沉积到AISI 316L类型的不锈钢上的金红石型Ti02膜层，图6为从AISI 316L不锈钢上沉积Ti膜层以及氧化物膜层的附有斜角的X射线衍射仪图样，从图中可以看到，沉积了热氧化物之后，钛膜层部分地转变成固溶了O和N-Ti（O）的金红石型Ti02膜层。图6：AISI 316L不锈钢上沉积Ti的氧化物膜层的GAXRD图样利用GDS成分断面分析可以确定氧化物膜层的层面结构。在膜层-基体系统中可以观察到若干结构和成分区。这些区包括膜层外部的金红石区（区），固溶了O和N的-Ti中间区（区）以及有Ti扩散进入不锈钢基体的界面区（区），利用XRD及GDS对由钛的氧化物及不锈钢组成的系统进行断面分析并没有观察到中间化合物的生成，这与前面探讨的Ti的氧化物-Al组成的系统不同。图7显示的在膜层表面球形火焰口处Ti的氧化物-不锈钢组成系统的膜层结构演变情况。沉积了热的氧化物后，钛膜层的硬度也从大约2GPa升高到10GPa，硬度的提高也来自区在表面形成金红石及固溶了O和N的-Ti。由于热的氧化物的原因，基体和膜层的结合强度也得到了极大的提高。结果316L不锈钢的摩擦磨损特性也得到了相当大的改善。摩擦系数从先前的316L不锈钢粘着滑动的0.6减少到钛膜层上沉积金红石基混合膜层的0.2，磨损速率以2到3阶的规律大幅图7：由不锈钢基体沉积氧化物膜层表面处球形火焰口边缘的光学显微图，图中显示出若干组织结构区度减少。图8为在沉积Ti膜层及沉积钛的氧化物膜层的316L不锈钢的磨损径迹比较。很显然，热的氧化物对于减少材料的滑动磨损是特别有效的。在3%的氯化钠溶液中对膜层-不锈钢基体组成的系统进行电化学腐蚀的进一步测试实验。结果表明，在阳极区沉积了金红石基混合膜层的316L不锈钢有利于减少腐蚀速率并提高钢的锈斑腐蚀电位。耐蚀性的提高依赖于氧化条件比如温度和时间。3、结论通过对铝合金以及316L不锈钢试验研究表明，在金属合金基体上喷溅沉积纯Ti膜层以及热氧化膜层构成的金红石-Ti02膜层是可行的。膜层-基体组成的系统具有若干混合区，并且具有好的结合强度，优良的摩擦性质及很好的耐蚀性能。目前，将这种技术应用于其它金属合金系统的尝试正在进行之中，不久的将来相关的成果也将会出版。图8为沉积Ti膜层及在316L不锈钢上沉积钛的氧化物膜层的磨损径迹比较的SEM图片参 考 文 献1 U.Diebold,Surf.Sci.,48(2003)53.2 M.Woydt,A.Skopp,I.Dorfel and K.Witke, Wear,218(1998)84.3 M.N.Gardos,Tribology Letters,8(2000)65.4 H.Dong T.Bel