tialn复合膜室温摩擦磨损性能研究(附件)【字数：14102】
摘 要摘 要运用JGP-450型多靶磁控溅射仪来改变Al靶功率制备铝元素含量有差别的TiAlN复合薄膜样品。通过X射线衍射仪、扫描电镜、摩擦磨损仪等设备对样品进行实验。并得出其在微结构、力学性能以及摩擦磨损性能方面的结论。实验结果表明TiAlN复合膜沿TiN(111)衍射峰择优生长；当Al原子百分含量为8.01%、14.88%和15.98%时，随着Al原子百分含量的增加，(111)衍射峰强度逐渐减小，向大角度偏移，出现新的衍射峰TiN(222)，当Al含量为19.88 at.%时，(111)衍射峰偏移的角度变小，新相AlN引起了这一现象。TiN的初始硬度为17.21 GPa，随着Al元素含量的增加，当Al原子百分含量在0-8.01%时显著提升。当Al含量为8.01 at.%时，硬度达到最大值21.12 GPa。而Al元素含量继续上升，在8.01 at.%到19.88 at.%之间时，TiAlN复合薄膜的硬度开始缓慢下降。TiN薄膜的摩擦系数为0.6223。Al元素含量不断增加过程中，TiAlN复合膜的摩擦系数先降后升。在Al元素含量在0-15.98 at.%时，随着Al元素含量的增加，薄膜的摩擦系数在逐渐降低，历经0.4873、0.4596，在Al元素含量为15.98 at.%时，薄膜的摩擦系数达到最小值为0.4256；随着Al元素含量的继续增大，摩擦系数的值开始回升，在Al元素含量在19.88 at.%时，最终升高到0.5148。关键词磁控溅射；TiAlN复合薄膜；力学性能；摩擦磨损性能
目录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2 表面涂层技术的研究历程 1
1.3 硬质薄膜的研究和进展 2
1.4纳米复合膜 3
1.4.1纳米复合膜的基本概念及分类 3
1.4.2纳米复合膜的研究现状 3
1.4.3纳米复合膜的致硬机理研究 4
1.5摩擦与磨损理论基础 5
1.5.1摩擦 5
1.5.2影响摩擦的因素 5
1.5.3磨损 8
1.6TIALN复合膜的结构特点及研究现状 9
1.6.1 TiAlN复合膜的结构 9
1.6.2 TiAlN复合膜的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
特点 9
1.6.3 TiAlN复合膜的研究现状 10
1.7课题的研究目的和主要研究内容 10
1.7.1 课题的研究目的及意义 10
1.7.2 课题的研究内容 11
第二章 薄膜的制备与表征 11
2.1引言 11
2.2 薄膜的制备原理与实验设备 12
2.2.1薄膜的制备工艺 12
2.2.2薄膜制备原理 13
2.2.3薄膜制备设备 13
2.3 薄膜的表征 14
2.3.1 X射线衍射分析 14
2.3.2 扫描电镜分析 15
2.3.3 纳米力学综合测试 15
2.3.4摩擦磨损 16
第三章 实验及结果分析 16
3.1 实验 16
3.1.1 制备薄膜样品 16
3.1.2纳米复合薄膜的表征 17
3.2 实验结果与讨论 17
3.2.1 微结构 17
3.2.2 显微硬度 20
3.2.3 室温摩擦磨损性能 22
结 论 23
致 谢 23
参 考 文 献 24
第一章 绪论
1.1引言
21世纪以来，随着机械加工工艺和的不断向前发展，刀具的工作情况变得越发艰难，并有高转速、高切削温度等变化趋势，二元薄膜TiN等发展已经遇到瓶颈，汽车、模具行业等刀具需求大户对其的切削性能要求在不断提升，表面处理技术也向多元、复合涂层方向发展，科学家们通过复合以及多层薄膜的设计，让薄膜的强度、硬度和综合性得到了较大幅度的提高[1]。制造加工工艺、生产结构、先进检测手段的改进，进一步提高了薄膜的强度、硬度等各方面性能，目前，机械加工零件有大量的消耗是在摩擦磨损上，经济损失和资源浪费问题越发突出，经济上的损失更是以万亿计算，而且，长期的摩擦、磨损更会使机械零部件逐渐失效无法使用[2]。其中，将近有90%的机械元件因为受到磨损的影响而不同程度的失效，摩擦磨损问题产生的能源浪费无时无刻不在对社会经济的蓬勃发展造成着无法估量的损失，除此之外也在很大程度上引起了资源浪费、环境破坏等人为问题的迅速扩大，甚至长此以往会威胁着人类的生命财产安全，本课题研究讨论的TiAlN复合薄膜是在TiN二元薄膜的基础上继续发展起来的一 种强度、硬度以及综合性能更为优越的超硬膜，高强度、硬度，良好的抗氧化性能以及耐磨性能，使其具有良好的发展前景，在薄膜研究领域也引起了众多国内外专家学者的深度研究[3]。
1.2 表面涂层技术的研究历程
表面涂层技术兴起于上世纪末，它指的是在加工材料表面通过一些加工工艺使其原材料因为涂层材料的存在而得到更为优越的抗氧化性能、强度硬度、摩擦磨损性能，从而改善了其原有的特性的一种加工方法，因此，原料可以在特殊的工作环境中工作，以及满足各种技术要求。通常来说，表面技术有很多种类。PVD 和CVD技术、热喷涂技术、激光熔覆技术等都是它的分支，得到了多个领域的认可[4]。表面涂层技术不仅是涉及材料学科，随着表面技术的推广，涂层技术显示出与其他学科互相交融的现象。这也是它成为了材料加工领域类的热门学科和研究重点 [5]。
表面涂层技术是指通过在零部件表面通过增加一层其他性能的材料，让基体的抗氧化性、强度硬度、摩擦磨损性能等得到提高和改善的一项技术 [6]。表面涂层技术的商业价值很被看好：一方面由于它在工业生产的过程中发挥着巨大的作用，被广泛应用；另一方面，在如今倡导节能减排的时代，它也有很大的优越性，复合目前时代发展的需求。还有不容忽视的是其能很大程度上降低企业的生产成本，提高工作零件材料的耐磨性能、抗氧化性能和使用寿命，使生产的产品的质量显著提升，从而为企业带来丰厚的利润回报。这也使得国内外专家学者对其进行了深刻的研究和探索，极大地促进了表面涂层技术的发展 [7][10]。
1.3 硬质薄膜的研究和进展
硬质薄膜的是在正常工作状态中，零件表面的薄膜厚度小于10100微米的薄膜，当它的厚度大于40 GPa时被称为超硬薄膜 [7]。它的各方面性能十分优越，在应用上非常广泛，是国内外研究学者们追逐的焦点。上世纪末，TiN作为单一元素成分的涂层引起关注，在多个机械加工领域的刀具生产应用中被大量使用。随着加工工艺和技术要求的不断完善先进，单一组元的涂层已经不能满足工业领域高速发展的带来的高标准，严要求，这时候，涂层的发展趋势向着更多组成元素，更多微观结构迈进。总的来说，可以将其归纳总结为四个阶段：
目录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2 表面涂层技术的研究历程 1
1.3 硬质薄膜的研究和进展 2
1.4纳米复合膜 3
1.4.1纳米复合膜的基本概念及分类 3
1.4.2纳米复合膜的研究现状 3
1.4.3纳米复合膜的致硬机理研究 4
1.5摩擦与磨损理论基础 5
1.5.1摩擦 5
1.5.2影响摩擦的因素 5
1.5.3磨损 8
1.6TIALN复合膜的结构特点及研究现状 9
1.6.1 TiAlN复合膜的结构 9
1.6.2 TiAlN复合膜的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
特点 9
1.6.3 TiAlN复合膜的研究现状 10
1.7课题的研究目的和主要研究内容 10
1.7.1 课题的研究目的及意义 10
1.7.2 课题的研究内容 11
第二章 薄膜的制备与表征 11
2.1引言 11
2.2 薄膜的制备原理与实验设备 12
2.2.1薄膜的制备工艺 12
2.2.2薄膜制备原理 13
2.2.3薄膜制备设备 13
2.3 薄膜的表征 14
2.3.1 X射线衍射分析 14
2.3.2 扫描电镜分析 15
2.3.3 纳米力学综合测试 15
2.3.4摩擦磨损 16
第三章 实验及结果分析 16
3.1 实验 16
3.1.1 制备薄膜样品 16
3.1.2纳米复合薄膜的表征 17
3.2 实验结果与讨论 17
3.2.1 微结构 17
3.2.2 显微硬度 20
3.2.3 室温摩擦磨损性能 22
结 论 23
致 谢 23
参 考 文 献 24
第一章 绪论
1.1引言
21世纪以来，随着机械加工工艺和的不断向前发展，刀具的工作情况变得越发艰难，并有高转速、高切削温度等变化趋势，二元薄膜TiN等发展已经遇到瓶颈，汽车、模具行业等刀具需求大户对其的切削性能要求在不断提升，表面处理技术也向多元、复合涂层方向发展，科学家们通过复合以及多层薄膜的设计，让薄膜的强度、硬度和综合性得到了较大幅度的提高[1]。制造加工工艺、生产结构、先进检测手段的改进，进一步提高了薄膜的强度、硬度等各方面性能，目前，机械加工零件有大量的消耗是在摩擦磨损上，经济损失和资源浪费问题越发突出，经济上的损失更是以万亿计算，而且，长期的摩擦、磨损更会使机械零部件逐渐失效无法使用[2]。其中，将近有90%的机械元件因为受到磨损的影响而不同程度的失效，摩擦磨损问题产生的能源浪费无时无刻不在对社会经济的蓬勃发展造成着无法估量的损失，除此之外也在很大程度上引起了资源浪费、环境破坏等人为问题的迅速扩大，甚至长此以往会威胁着人类的生命财产安全，本课题研究讨论的TiAlN复合薄膜是在TiN二元薄膜的基础上继续发展起来的一 种强度、硬度以及综合性能更为优越的超硬膜，高强度、硬度，良好的抗氧化性能以及耐磨性能，使其具有良好的发展前景，在薄膜研究领域也引起了众多国内外专家学者的深度研究[3]。
1.2 表面涂层技术的研究历程
表面涂层技术兴起于上世纪末，它指的是在加工材料表面通过一些加工工艺使其原材料因为涂层材料的存在而得到更为优越的抗氧化性能、强度硬度、摩擦磨损性能，从而改善了其原有的特性的一种加工方法，因此，原料可以在特殊的工作环境中工作，以及满足各种技术要求。通常来说，表面技术有很多种类。PVD 和CVD技术、热喷涂技术、激光熔覆技术等都是它的分支，得到了多个领域的认可[4]。表面涂层技术不仅是涉及材料学科，随着表面技术的推广，涂层技术显示出与其他学科互相交融的现象。这也是它成为了材料加工领域类的热门学科和研究重点 [5]。
表面涂层技术是指通过在零部件表面通过增加一层其他性能的材料，让基体的抗氧化性、强度硬度、摩擦磨损性能等得到提高和改善的一项技术 [6]。表面涂层技术的商业价值很被看好：一方面由于它在工业生产的过程中发挥着巨大的作用，被广泛应用；另一方面，在如今倡导节能减排的时代，它也有很大的优越性，复合目前时代发展的需求。还有不容忽视的是其能很大程度上降低企业的生产成本，提高工作零件材料的耐磨性能、抗氧化性能和使用寿命，使生产的产品的质量显著提升，从而为企业带来丰厚的利润回报。这也使得国内外专家学者对其进行了深刻的研究和探索，极大地促进了表面涂层技术的发展 [7][10]。
1.3 硬质薄膜的研究和进展
硬质薄膜的是在正常工作状态中，零件表面的薄膜厚度小于10100微米的薄膜，当它的厚度大于40 GPa时被称为超硬薄膜 [7]。它的各方面性能十分优越，在应用上非常广泛，是国内外研究学者们追逐的焦点。上世纪末，TiN作为单一元素成分的涂层引起关注，在多个机械加工领域的刀具生产应用中被大量使用。随着加工工艺和技术要求的不断完善先进，单一组元的涂层已经不能满足工业领域高速发展的带来的高标准，严要求，这时候，涂层的发展趋势向着更多组成元素，更多微观结构迈进。总的来说，可以将其归纳总结为四个阶段：
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