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纯铜双辉等离子渗钛、镍表面合金化研究
中文名称: 纯铜双辉等离子渗钛、镍表面合金化研究
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论文编号: 3044933收藏本论文】【我的收藏】【我要投稿
英文名称: Surface Titanizing and Nickelizing of Copper Using Double Glow Plasma Surface Alloying Technique
学位类型: 博士毕业论文
作者: 涉及隐私,隐去***  作者本人请参看权力声明>>
导师: 涉及隐私,隐去***
毕业学校: 涉及隐私,隐去***
专业: 材料加工工程
毕业年份: 涉及隐私,隐去***
关键字: 合金 合金化 纯铜 双层辉光 离子渗金属 Cu-Ti合金层 Cu-Ni合金层 组织性能
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论文简介:本文是采用双层辉光离子渗金属技术在纯铜基材上发展新型实用的耐磨、耐氧化、耐腐蚀表面合金层的应用基础研究。 以显著提高纯铜材料表面性能和服役寿命为目的,从保持纯铜良好的传导性能的实际需要出发,利用双层辉光离子渗金属技术在纯铜基材上渗钛、渗镍,成功制备了Cu-Ti,Cu-Ni合金层,证实了双层辉光离子渗金属技术在纯铜表面形成具有特定功能铜合金层的可行性。在大量实验结果的基础上,确定了最佳工艺参数范围。同时结合SEM,EDS,XRD,TEM等手段,对合金层的显微组织形貌、相结构组成、成分分布进行了检测分析,详细研究了合金层形成过程、工艺参数的作用、扩散机制、Cu-Ti合金层固溶时效硬化机理等。对Cu-Ti合金层高温氧化性能、磨损性能,Cu-Ni合金层的电化学腐蚀性能及二者的表面阻抗性能的实验结果与纯铜作了对比分析。 工艺参数对合金层表面溶质元素含量、溶质元素沿合金层厚度方向的分布、合金层总厚度及组织形貌有显著影响。气压在一定范围内,对工件温升亦即对离子轰击能量的传递影响不大。在试验温度范围内,温度升高,合金层总厚度增加,但Cu-Ti合金层表面钛含量下降,而Cu-Ni合金层表面镍含量升高。温度不同,Cu-Ti合金层的组织形貌不同。采用扫描电镜、X射线衍射和透射电镜分析方法对Cu-Ti合金层的微观组织结构的综合分析表明:在880℃温度下,合金层组织主要由沉积层和扩散层组成;在910℃、925℃和945℃温度下,合金层组织由沉积层+熔合层+扩散层构成;而在965℃温度下,合金层组织则由熔合层+扩散层构成。Ti成分分布测定结果表明约20μm厚度的表层钛含量较高。925℃和965℃两种温度下形成的合金层的组织结构为CuTi+Cu4Ti+(Cu)固溶体,未发现有Cu3Ti2、Cu2Ti及CuTi2化合物。透射电镜衍射花样证实Cu4Ti为Ni4Mo型的D1a结构。实验发现工件温度与源极电压和工件电压有关。在保证一定温度的前提下,应合理选择气压、源极电压和工件电压。最佳气压选在25~40Pa为宜。源极电压与工件电压之比V源/V工>2较为合适。 根据Ar+离子在阴极位降区内的分布规律建立的数学模型计算结果表明,Ar+离子平均能量值在双层辉光离子渗金属工艺条件下达102eV数量级,大于各常用合金元素的溅射阈值。这一能量范围为欲渗合金元素活性粒子的产生提供了保证。同样Ar+离子在工件负偏压的作用下与工件表面原子碰撞,发生能量转换,同时会发生溅射作用而形成点缺陷,其结果有利于沉积原子与工件原子的互扩散而形成冶金结合层。轰击亦会使工件温度升高。温度升高有利于沉积原子与工件原子之间的互扩散过程。由钛在铜中的浓度曲线回归方程计算结果表明,铜与钛的互扩散系数为~10-9cm2/s数量级,随钛含量的增加而增大,这与随钛浓度增大,Cu-Ti合金的熔点降低有关。钛沿铜基体晶界的扩散系数比晶内扩散系数大几个数量级。 Cu-Ti合金层经固溶时效处理后发现,固溶处理后截面组织出现层状形貌,表明固溶后淬火的同时发生钛元素的再分布。钛含量一定的微区,经固溶时效处理后发现显微硬度出现双峰现象。第一个硬度峰值为调幅分解同淬火位错的交互作用的结果,第二个峰值为有序相形成长大阻碍位错运动引起。随时效温度的升高,第一个峰值左移,表明调幅分解与位错的交互作用这一过程加快。而第二个峰值经短时时效便可达到最大值,这与调幅组织的长大动力学有关。X射线衍射证明经固溶时效处理后,Cu-Ti合金层表面组织结构为CuTi+Cu4Ti+α固溶体。 氧化实验结果表明,纯铜渗钛后可以改善铜的抗氧化性能。其原因在于表面高浓度Ti含量氧化后形成均匀的二氧化钛膜,从而有效地降低了氧原子在氧化膜中的扩散速率,抑制了氧化膜生长速度的急剧增大。Cu-Ti合金层的氧化增重与氧化时间满足抛物线规律。抛物线速率常数k与合金含Ti量CTi,氧表面浓度Cs及扩散系数Do之间满足k2=CsDo/CTi,表面高浓度的CTi是降低抛物线速率k的主要原因。 显微硬度测定与磨损实验结果表明,纯铜渗钛后可使表面硬度、耐磨性大幅度提高。在磨损过程中,由于CuTi和Cu4Ti起到支承作用,软基体α相被磨损后具有储油作用,可以充分发挥润滑的功效。从而使磨损失重随着载荷的增加而增幅不大。 纯铜双层辉光离子渗镍实验结果表明,渗镍温度选在950-1050℃较好。Cu-Ni合金层与铜基体结合良好,由表及里镍含量呈梯度分布,金相组织逐渐由以镍为基的固溶体过渡到以铜为基的固溶体。纯铜双层辉光离子渗镍方法具有表面浓度高,效率高等优点。 采用电化学方法对Cu-Ni合金层在1molHCl,10%HNO3,1molH2SO4溶液中的腐蚀性能测定结果表明:同纯铜相比自腐蚀电位、腐蚀电位均发生正移,腐蚀电流密度、腐蚀速率下降,即抗蚀能力提高,但腐蚀溶解行为差异很大,腐蚀机理不同。在1molHCl溶液中,纯铜发生粉状锈蚀,Cu-Ni合金层腐蚀形貌呈颗粒状,虽然颗粒状组织未能起到良好的保护作用,但降低了腐蚀速率,反映出纯铜经渗镍处理后抗Cl-活化溶解能力有所提高。纯铜及Cu-Ni合金层在10%HNO3溶液中的极化曲线表明,二者的腐蚀电位相近,且均不发生钝化现象。溶解电流密度呈增加趋势,但Cu-Ni合金层的增加趋势稍缓,说明耐蚀性略有提高。纯铜表面呈现大面积均匀腐蚀,Cu-Ni合金层的腐蚀形貌为疏松粉状锈。纯铜经渗镍处理后在1molH2SO4溶液中的极化曲线呈典型的活化-钝化特征。与纯铜相比,其致钝电位、致钝电流密度、稳钝电位和维钝电流密度均降低,且腐蚀电位正移,表明耐蚀能力增强。腐蚀形貌观察发现,Cu-Ni合金层电化学腐蚀为程度不等的非均匀腐蚀,在合金层与基体的交界处发生严重的溃疡状腐蚀现象,在此部位存在局部腐蚀电流密度较大的可能性。 纯铜渗Ni和渗Ti处理后的表面交流阻抗值同纯铜相比增大,特别是渗Ti层的表面交流阻抗值增加幅度更大。其影响程度与溶质原子的核外电子排布有关。
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