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《ti-tin-zr-zrn多層膜殘余應(yīng)力及疲勞性能的研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、Ti/TiN/Zr/ZrN多層膜殘余應(yīng)力及疲勞性能的研究第一章緒論1.1引言航空及民用技術(shù)的飛速發(fā)展，要求材料具有更高的使用性能和加工性能，如飛機(jī)在低空飛行、起飛和降落過程中，空氣中的塵埃和沙粒會被氣流帶入發(fā)動機(jī)，對發(fā)動機(jī)部件產(chǎn)生沖蝕磨損，發(fā)動機(jī)吸入空氣中的水蒸氣或鹽霧也會引起點腐蝕，腐蝕和磨損的相互作用更會加速材料的破壞，在周期性氣流的激振力作用下[1,2]，飛機(jī)葉片還會產(chǎn)生疲勞損傷故障，因此要求防護(hù)涂層具有耐磨損、耐腐蝕及耐疲勞等性能。尤其是疲勞性能更制約著材料的使用壽命，研究表明，航空航天發(fā)動機(jī)零部件的疲勞失效約占全部構(gòu)件
2、損傷的49%[3]，高周疲勞失效又是疲勞失效中主要的失效形式，因此所制備的防護(hù)涂層對基體疲勞性能的影響以及其失效形式是關(guān)系到零件使用壽命最重要的研究內(nèi)容。近幾十年來，薄膜技術(shù)飛速發(fā)展并與復(fù)合處理技術(shù)相互綜合運(yùn)用，已經(jīng)研制出各種性能優(yōu)異的單層膜和多層膜，如單組元的Al[4]、Cu[5]和多組元的TiN[6]、TiC[7]、CrN[8]、ZrN[9]、TiAlN[10]以及Ti/TiN[11]、TiN/ZrN[12]、TiN/CrN[13]多層膜等。其中多層膜可以結(jié)合各層的性能以及涂層之間的相互作用而具有特別優(yōu)異的性能，比如氮化物涂
3、層具有高硬度，好的耐磨性和耐腐蝕性，金屬過渡層可以提高涂層韌性、膜/基結(jié)合強(qiáng)度，阻斷柱狀晶生長，金屬和氮化物涂層相結(jié)合可以有效抑制裂紋的擴(kuò)展，提高材料的使用壽命，多層膜不同的調(diào)制結(jié)構(gòu)對薄膜的性能也有不同的影響，因此許多學(xué)者研究了不同調(diào)制周期、不同調(diào)制比的金屬/金屬多層膜、金屬/氮化物多層膜、氮化物/氮化物多層膜的結(jié)構(gòu)與性能。然而無論采用什么樣的沉積方法，所沉積的多層膜中都不可避免的存在殘余應(yīng)力[14]。殘余應(yīng)力對薄膜的性能有很大影響，薄膜中殘余應(yīng)力較大，薄膜自身會產(chǎn)生彈性或塑性變形，甚至直接剝落；殘余應(yīng)力也不利于提高膜/基結(jié)合力
4、，較大的殘余應(yīng)力會引起薄膜的開裂或者剝落，甚至損壞基片。薄膜中過大的殘余應(yīng)力是薄膜剝落、斷裂的重要原因，對薄膜的擇優(yōu)取向、硬度、結(jié)合強(qiáng)度、疲勞性能等會產(chǎn)生很大影響，對薄膜的結(jié)構(gòu)和性能的影響研究具有至關(guān)重要的作用。......1.2硬質(zhì)多層膜多層膜是由不同成分或不同結(jié)構(gòu)的膜層在基體表面法線方向（Z方向）上交替生長而形成的多層結(jié)構(gòu)[15]。圖1-1所示為A、B兩種材料組成的多層膜，A層與B層構(gòu)成一個基本單元，其厚度為調(diào)制周期，用Λ表示，A層與B層的厚度比為調(diào)制比，對多層膜的研究主要討論多層膜調(diào)制結(jié)構(gòu)[16,17]對薄膜
5、性能的影響。如TiN/TiAlN多層膜[18]，硬度略有增加，耐磨性能明顯增強(qiáng)，并且多層膜獲得最高硬度和最優(yōu)韌性的調(diào)制周期有所不同，耐磨性能最好的多層膜的調(diào)制周期應(yīng)位于上述兩者之間。此外，利用調(diào)制結(jié)構(gòu)可以顯著提高基體的耐腐蝕性能。Andrade等[19]采用非平衡反應(yīng)磁控濺射的方法在不銹鋼基底上沉積TiN/Ti多層膜，研究發(fā)現(xiàn)可以提高基體的耐腐蝕性能。Flores等[20]也得到類似結(jié)果，并且觀察到因為單層膜的柱狀晶粗大，形成的貫穿底部的針孔缺陷會讓腐蝕液直接腐蝕基體，多層膜的多層結(jié)構(gòu)柱狀晶細(xì)小，沒有貫穿到底部的針孔缺陷，所以多
6、層膜的耐腐蝕性能更好。430型掃描電鏡觀察多層膜的表面及截面形貌。掃描電鏡具有較高分辨率、較大觀察景深、放大倍數(shù)范圍廣等特點，并且樣品制備簡單，觀察方便，可以像金相顯微鏡一樣直接觀察表面和截面形貌，而且還可以對表面微區(qū)成分進(jìn)行定性、半定量分析，是材料研究領(lǐng)域中應(yīng)用最廣的儀器之一。薄膜厚度對涂層產(chǎn)品質(zhì)量和使用性能產(chǎn)生很大的影響，是一項重要的技術(shù)參數(shù)。薄膜厚度的測試方法有很多種，金相截面法是最為常用的一種測量方法，采用光學(xué)顯微鏡或者掃描電鏡觀察薄膜的橫截面形貌并測量其厚度。本實驗采用NovaNanoSEM430型掃描電鏡，拍攝圖片后
7、用軟件在截面形貌圖上直接測量薄膜的厚度。薄膜的厚度通常在微米或納米級別，測試過程中薄膜變形也會引起基體塑性變形，因此，測得的硬度值往往是薄膜與基體的復(fù)合硬度，一般認(rèn)為壓痕深度小于薄膜厚度的1/10時所測得的硬度為薄膜的硬度。本實驗采用MH-5D型顯微硬度儀來測量Ti/TiN/Zr/ZrN多層膜硬度，加載載荷10g，保載時間15s，測量5個點的平均值為薄膜的顯微硬度值。.....第三章TI/TIN/ZR/ZRN多層膜殘余應(yīng)力及性能研究............233.1引言.......233.2TiN和ZrN單層膜應(yīng)力及性能...
8、......233.3不同調(diào)制周期多層膜的應(yīng)力及性能.........273.4不同調(diào)制比對Ti/TiN/Zr/ZrN多層膜的應(yīng)力及性能..........333.5不同Ti/TiN/Zr/ZrN多層膜厚度的應(yīng)力及性能.........363.6小結(jié)......
