铝基复合材料表面多层膜的研究

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AlN颗粒增强2024铝基复合材料(AIN/Al)作为一种新开发的复合材料,因其在比强度、比刚度、振动阻尼、热膨胀系数、机械性能等方面的优异性能,非常适合在航空航天结构件方面的应用。但是,AlN颗粒增强的铝基复合材料在硬度、摩擦系数、耐磨性耐腐蚀性等方面的性能尚难以满足一些精密仪器的特殊要求。而TiN、DLC等硬质膜层具有硬度高、摩擦系数小、耐磨性好和抗氧化性能强等优点,可以改善工件性能,极大延长工件使用寿命,在机械、电子、光学、医学等领域具有广阔的应用前景。通过一层或多层的中间层系统作用于硬质膜层材料和基体材料之间改善它们的适应性,.缓解化学键、热膨胀系数等性能的差别。本文以此为指导思想,对含50%AlN颗粒的2024铝基复合材料进行适当的预处理后,依次采用浸锌化学镀镍、脉冲偏压磁过滤电弧离子镀、磁过滤阴极弧技术在其表面制备了Ni-P/Ti/TiN/Ti-DLC的多层膜。利用多种测试设备分析表征多层膜的成分、结构、形貌、显微硬度、摩擦系数等性能;采用热震法测试薄膜的结合力。结果表明:(1)采用浸锌层作底层,然后再进行化学镀镍的工艺,可以有效地解决铝基复合材料表面的氧化物薄膜影响膜基结合强度的难题,能在铝基复合材料表面获得均匀、致密、附着力良好的Ni-P镀层,从而将难镀基材转化为易镀基材。选择Ti/TiN层来作为Ni-P层和Ti-DLC层间的过渡膜层以形成结构、硬度梯度,起到释放Ni-P层的张应力和Ti-DLC硬质涂层的压应力的作用,从而减小多层膜的内应力。(2)多层膜具有结构交替变化,相邻界面形成混合层,性能梯度分布,硬度逐渐增加,摩擦系数小的特点,能够有效解决基体上镀硬质涂层的热适配和晶格错配度大的难题,提高Ti-DLC层的结合力。(3)脉冲偏压磁过滤技术能够有效地抑制薄膜表面的大颗粒,改善表面质量,降低沉积温度,提高膜层的性能,但同时又降低了镀膜速率。(4)Ni-P层呈银白色,TiN膜色泽为金黄色,Ti-DLC膜为均匀灰黑色,无彩虹色现象;多层膜的表面光滑平整致密,无龟裂起皮鼓包现象。(5)Ni-P层没有明显的衍射峰,为非晶态。经过300℃退火后Ni-P层发生晶化转变。Ti/TiN膜主要由Ti2N相组成,膜层以Ti2N(112)为择优取向。Raman光谱分析显示Ti-DLC膜具有典型的DLC薄膜的特征。(6) Ti-DLC层的显微硬度为2256 Hk,摩擦系数为0.10。(7)采用热震法测试结合强度,结果表明多层梯度膜层有良好的结合强度。
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