7A04铝合金等离子体浸没离子注入与沉积改性研究

论文摘要

纯铝及其合金密度小,比强度高,塑性好,可加工成各种型材,广泛应用于航空航天领域。但纯铝及其合金的硬度低、耐磨性差,在很大程度上限制了铝合金的应用。本论文采用等离子体离子浸没注入与沉积技术,对7A04超硬铝合金进行氮化处理和类金刚石（DLC）薄膜沉积。在低压高频氮化试验中,着重研究了气压对氮化改性层机械性能的影响,并对高压低频氮化进行了探索；在高压低频DLC薄膜制备试验中,对不同气压及不同过渡层类型对DLC薄膜结构性能的影响进行了重点讨论,并对低压高频沉积DLC薄膜进行了初步的讨论。利用X射线光电子能谱（XPS）对氮化层的结构、成分进行分析；利用激光拉曼光谱（Raman）测定了类金刚薄膜的结构,使用维氏压痕法和划痕法评价了膜基结合强度,利用基片曲率法（Curvature method）测量薄膜内部的残余应力。采用销盘式摩擦磨损试验对两种改性层的摩擦磨损性能进行评价,利用维氏显微硬度计（HXD-1000TM）检测样品显微硬度,采用电化学腐蚀实验检测改性层的耐腐蚀性能。研究结果表明采用低压高频等离子体浸没离子注入在7A04铝合金表面制备出结构致密,耐腐蚀性和耐磨性能优良的氮化物改性层。气压影响氮化改性层的机械性能,当气压为0.2Pa时改性效果最好,氮化改性后样品硬度均低于铝合金基体；经氮注入及人工时效复合处理后,硬度、耐磨损性能大幅度提高。经高压低频注氮与人工时效复合处理的样品,改性效果最好。利用等离子体离子浸没注入与沉积设备,采用高压低频注入与沉积模式,在铝合金表面制备了DLC薄膜。随着气压的升高,结合力、磨损性能变差,但薄膜厚度增加,显微硬度提高,耐腐蚀性能增强。制备有过渡层的样品,膜基结合力、显微硬度、耐磨损性能均有明显提高,其中制备有Si过渡层的样品膜基结合力最强,制备有TiN过渡层的样品显微硬度最高。采用低压高频注入与沉积模式制备的DLC薄膜,随混合气体中C2H2含量的增加,膜基结合力减弱,硬度、耐磨损性能提高；随偏压升高,膜基结合力减弱。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 7A04超硬铝合金性能特点及应用
• 1.2 几种传统的铝合金表面改性方法
• 1.2.1 阳极氧化
• 1.2.2 微弧氧化
• 1.2.3 稀土转化膜
• 1.2.4 激光熔覆
• 1.3 等离子体浸没离子注入与沉积技术的发展及应用
• 1.3.1 离子注入产生的背景及特点
• 1.3.2 传统束线式离子注入与全方位浸没注入方法的区别
• 1.3.3 等离子体浸没离子注入与沉积技术的应用
• 1.4 本论文的研究目的及内容
• 第2章 实验方法及原理
• 2.1 样品制备
• 2.2 氮化铝改性层的制备及人工时效处理
• 2.2.1 氮化铝改性层的制备
• 2.2.2 固溶、人工时效处理
• 2.3 薄膜制备
• 2.3.1 过渡层的制备
• 2.3.2 类金刚石薄膜的制备
• 2.4 表面形貌表征
• 2.5 类金刚石薄膜结构表征-拉曼光谱
• 2.6 薄膜厚度及内应力表征
• 2.7 成分检测（XPS/EDX）
• 2.7.1 X射线光电子谱（XPS）
• 2.7.2 能量色散谱仪（EDX）
• 2.8 机械性能表征
• 2.8.1 显微硬度
• 2.8.2 摩擦磨损性能
• 2.9 膜基结合力评价
• 2.9.1 维氏压痕法
• 2.9.2 纳米划痕法
• 2.10 电化学极化实验
• 第3章 氮等离子体浸没离子注入改性对7A04铝合金结构性能的影响
• 3.1 低压高频氮化
• 3.1.1 低压高频氮化工艺
• 3.1.2 改性层成分分析
• 3.1.3 显微硬度
• 3.1.4 氮化改性试样摩擦磨损性能
• 3.1.5 氮化改性与人工时效复合处理试样机械性能
• 3.2 高压低频注氮
• 3.2.1 实验目的及工艺
• 3.2.2 改性层成分分析
• 3.2.3 显微硬度
• 3.2.4 摩擦磨损性能分析
• 3.3 小结
• 第4章 高压低频等离子体浸没离子注入与沉积技术沉积DLC薄膜
• 4.1 过渡层对薄膜结构性能的影响
• 4.1.1 薄膜制备
• 4.1.2 薄膜结构检测
• 4.1.3 薄膜残余应力
• 4.1.4 显微硬度
• 4.1.5 膜基结合力评价
• 4.1.6 摩擦磨损性能
• 4.1.7 电化学极化实验
• 4.2 气压对薄膜结构性能的影响
• 4.2.1 实验工艺
• 4.2.2 薄膜厚度及表面形态
• 4.2.3 薄膜结构分析
• 4.2.4 薄膜残余应力
• 4.2.5 显微硬度分析
• 4.2.6 结合力评价
• 4.2.7 摩擦磨损性能分析
• 4.2.8 电化学极化实验
• 4.3 本章小结
• 第5章 低压高频等离子体浸没离子注入与沉积技术沉积DLC薄膜
• 5.1 制备工艺
• 5.2 薄膜厚度分析
• 5.3 薄膜结合力评价
• 5.4 显微硬度
• 5.5 摩擦磨损分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文