Ti-Mo-N纳米结构复合膜的微结构与性能研究

论文摘要

本论文采用在JGP450复合型高真空多靶磁控溅射设备上采用分离靶磁控反应溅射制备了MoN单层膜和TiMoN复合膜,研究了靶功率对MoN单层膜和不同Mo含量的TiMoN复合膜的微结构、力学性能、抗氧化性能和耐磨性能的影响。对MoN单层膜的研究表明:MoN薄膜主要呈现面心立方γ-Mo2N结构,并以柱状晶的形式生长。氧化温度发生在500～600℃之间,600℃时氧化较严重,生成针状的氧化物。在干式摩擦磨损的条件下,功率为240W时,薄膜的硬度较低但是摩擦系数较小,耐磨性较好,分析其原因是Mo的润滑性能较好。对低Mo含量TiMoN复合膜的研究表明:随着Mo靶功率的升高,（1）TiMoN复合膜中Mo原子的含量逐渐增大;且复合膜呈立方TiN结构,有（111）面择优生长的趋向;（2）TiMoN复合膜的硬度均比TiN单层膜的硬度有所提高,其最大硬度值为24.76GPa;（3）TiMoN复合膜的抗氧化温度在500～600℃之间;（4）室温下,TiMoN复合膜摩擦系数较小,磨损率较低,耐磨性较好,最小平均摩擦系数为0.3583。磨损机理主要是粘着和剥层磨损;高温下,摩擦系数随Mo含量的增加先升高后降低,最小平均摩擦系数为0.3882,Magnéli相Mo的氧化物是影响TiMoN复合膜摩擦系数的主要因素,其磨损机理主要是氧化磨损。对高Mo含量TiMoN复合膜的研究表明:随Mo靶功率升高,（1）TiMoN复合膜中Mo含量增大;且TiMoN复合膜呈立方的Mo2N结构,复合膜的衍射峰（111）逐渐减小,（200）逐渐增大;（2）TiMoN复合膜的显微硬度逐渐增大,最大值为36.32GPa,推断是由固溶强化、晶粒尺寸等因素造成的;（3）TiMoN复合膜抗氧化性能较好,在600℃左右,原因是Mo的加入使得TiMoN复合膜更好的阻止氧元素的渗入;（4）TiMoN复合膜室温下的摩擦系数逐渐下降,最小值为0.3917,影响因素主要是硬度;高温下复合膜的摩擦系数先增大后减小,最小值为0.3817,影响因素主要是润滑性氧化物和黏着磨损的强弱程度;并从MoO3和TiO2的离子电势差较大这一晶体化学理论解释了TiMoN复合膜耐磨性较好。Mo含量为73.15at.%的TiMoN复合膜综合性能最优异,显微硬度为36.32GPa,抗氧化温度600℃左右,室温摩擦系数为0.3917,700℃时摩擦系数为0.3817。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 硬质纳米薄膜的类型、研究现状和发展趋势
• 1.2.1 单元及多元纳米薄膜
• 1.2.2 多层薄膜
• 1.2.3 梯度薄膜
• 1.2.4 新型薄膜
• 1.3 摩擦磨损理论
• 1.3.1 滑动摩擦理论
• 1.3.2 摩擦机理
• 1.3.3 磨损类型与机理
• 1.4 选题意义与研究内容
• 1.4.1 选题意义
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 薄膜的制备与性能表征
• 2.1 引言
• 2.2 薄膜的制备方法与实验设备
• 2.2.1 物理气相沉积（PVD）
• 2.2.2 磁控溅射原理及优缺点
• 2.3 本实验所用设备
• 2.4 镀膜前的处理
• 2.4.1 镀膜前基底的处理
• 2.4.2 薄膜的制备工艺过程
• 2.5 薄膜的性能检测
• 2.6 薄膜的检测设备
• 2.6.1 XRD
• 2.6.2 SEM
• 2.6.3 EDS
• 2.6.4 MM-6 显微硬度仪
• 2.6.5 UMT-2 型摩擦磨损试验机
• 2.6.6 箱式电阻炉
• 第3章 MoN 薄膜的微结构及性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 靶功率对MoN 薄膜微结构的影响
• 3.3.2 靶功率对MoN 薄膜力学性能的影响
• 3.3.3 靶功率对MoN 抗氧化性能的影响
• 3.3.4 靶功率对MoN 薄膜摩擦磨损性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 低Mo 含量TiMoN 复合膜的微结构及性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程
• 4.2.1 TiMoN 薄膜的制备
• 4.2.2 TiMoN 复合膜的表征
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 Mo 靶功率对TiMoN 复合膜中Mo 含量的影响
• 4.3.2 Mo 含量对TiMoN 复合膜微结构的影响
• 4.3.3 Mo 含量对TiMoN 复合膜力学性能的影响
• 4.3.4 Mo 含量对TiMoN 复合膜抗氧化性能的影响
• 4.3.5 Mo 含量对TiMoN 复合膜的室温摩擦磨损性能的影响
• 4.3.6 Mo 含量对TiMoN 复合膜的高温摩擦磨损性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 高Mo 含量TiMoN 复合膜的微结构及性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 TiMoN 薄膜的制备
• 5.2.2 TiMoN 复合膜的表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 Mo 靶功率对TiMoN 复合膜中Mo 含量的影响
• 5.3.2 Mo 含量对TiMoN 复合膜微结构的影响
• 5.3.3 Mo 含量对TiMoN 复合膜力学性能的影响
• 5.3.4 Mo 含量对TiMoN 复合膜高温抗氧化性能的影响
• 5.3.5 Mo 含量对TiMoN 复合膜室温摩擦磨损性能的影响
• 5.3.6 Mo 含量对TiMoN 复合膜高温摩擦系数的影响
• 5.3.7 低Mo 和高Mo 含量TiMoN 复合膜微结构与性能的比较
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 详细摘要