钛铝系金属间化合物薄膜的制备和摩擦性能
钛铝系金属间化合物薄膜的制备和摩擦性能
田明霞,李长生,张晔,金岚,孙建
(江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江212013)
摘要:应用射频磁控溅射方法沉积钛铝系金属间化合物薄膜;用X射线衍射仪(XRD)、配有
能谱仪(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)和UMT2型摩擦试验机对薄膜的相组成、形貌和摩擦性
能进行了分析。结果表明:该薄膜是由TiAl、TiAl3、Al2O3和TiO2相组成;薄膜表面晶粒均匀细
小;对于不同钛、铝含量的薄膜,当铝含量(原子分数)为45%时具有最低的摩擦因数;摩擦因数随
着载荷、转速和摩擦时间的增加而减小。
关键词:射频磁控溅射;钛铝系金属间化合物;薄膜;摩擦性能
中图分类号:TB331文献标识码:A文章编号:10003738(2008)05006203
TribologicalPropertiesandPreparationofTiAlIntermetallicFilm
TIANMingxia,LIChangsheng,ZHANGYe,JINLan,SUNJian
(JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)
Abstract:Radiofrequency(RF)magnetronsputteringwasusedtoprepareTiAlintermetallicsfilm.The
filmwasexaminedbyXRD.ThesurfacemorphologyofthefilmwasanalyzedbySEMwithanattachedEDS.The
tribologicalpropertiesofthefilmweretestedbyUMT2frictiontestapparatus.Generally,thefilmiscomposedof
TiAl,TiAl3,Al2O3andTiO2.Thecrystalgrainsofthefilmareuniformandfine.Thefilmwith45at%Alshowed
thelowestfrictioncoefficient.Thefrictioncoefficientreducedwiththeincreaseofload,rotationrateandfriction
time.
Keywords:RFmagnetronsputtering;TiAlintermetallics;film;tribologicalproperty
0引言
金属间化合物中金属键和共价键共存,使其兼
备金属的较好塑性和陶瓷的高温强度[1]。研究表
明[2],由于特殊的晶体结构,某些金属间化合物的强
度在一定范围内随着温度的升高(700~800)而
升高。目前已有约300种金属间化合物,由于具有
耐高温、抗氧化、耐磨损的特点,可望成为航空航天、
交通运输、化工、机械等许多工业部门重要的结构材
料。其中,钛铝系金属间化合物由于铝化合物本身
所具有的极高的抗氧化性能、较高的熔点、较低的密
度等特点,而成为研究焦点[3,4]。而以薄膜形式存
在的钛铝系金属间化合物,特别适合用于切割和加
工含铁材料,并且由于其高温抗氧化性能优良[5],还可用于高温部件上。
收稿日期:20070628;修订日期:20070828作者简介:田明霞(1982-),女,山东济宁人,硕士研究生。
导师:李长生教授目前关于钛铝系金属间化合物薄膜的研究报道
主要集中在其力学和高温抗氧化性的研究,对于其
摩擦性能很少涉及。为此,作者采用射频磁控溅射
的方法制备钛铝间化合物薄膜,并对其物相组成、表
面形貌和摩擦性能进行了分析。
1试样制备与试验方法
采用大连理工大学的微波ECR等离子体增强
沉积设备,用铝和钛双靶溅射的方法制备钛铝金属
间化合物薄膜。铝靶纯度99.99%,密度2.7g
cm-3,钛靶纯度99.99%,密度4.51g cm-3,均由
合肥科晶材料技术有限公司生产。在双靶磁控溅射
过程中,基体摆放位置不同,可以制备出不同原子比
的薄膜,见图1。工作气体为纯度99.999%的氩气,
基体为45钢。将基体加工成15mm!15mm的
试样,经研磨、抛光至镜面后,用乙醇、丙酮和去离子
水进行超声波清洗后放入磁控反应室。抽真空至5!10-4Pa后,对基体表面进行氩离子预溅射处理,
去除表面残留的吸附物和氧化物,5min后沉积薄
62 第32卷第5期2008年5月机械工程材料
MaterialsforMechanicalEngineeringVol.32No.5May2008膜。工艺参数为靶基距83mm,氩气流量60cm3
s-1,真空室内温度为室温,工作气压为1Pa,钛靶和
铝靶溅射功率均为150W,沉积时间2h[6-9]。
图1基体的摆放位置
Fig.1Relativepositionofsubstrates
用SKF212可编程高温炉对沉积后的试样进
行热处理,氩气保护,热处理温度600~800,时间
1h。
用D/MAXRC型X射线衍射仪(XRD)和JE
OLJXA840A型扫描电镜(SEM,附能谱仪)分析
薄膜的相组成和形貌。用UMT2型摩擦试验机进
行摩擦试验,试验条件为无润滑、室温;摩擦副为
GCr15(3mm),表面粗糙度Ra∀0.05m,硬度61
HRC,载荷分别为1~5N,摩擦线速度0.1~0.5m s-1,摩擦时间15min。
2结果和讨论
2.1薄膜的相组成
热处理温度在600~800时,TiAl系的反应
主要可以用以下方程来描述:
2Ti+4Al#TiAl3+TiAl
Ti+O2#TiO24Al+3O2#2Al2O37Al+3TiO2#3TiAl+2Al2O3反应初期,一部分钛原子和铝原子反应生成
TiAl3和TiAl,由于高温炉中仍有少量的氧气存在,
另一部分钛原子和铝原子则分别与氧气发生化学反
应,生成了TiO2和Al2O3。最后由于Al2O3与
TiAl都是铝化物,且热膨胀系数也很接近,从而保
证了其化学稳定性和相容性,所以会发生铝热反应:
Al+TiO2#TiAl+Al2O3。
由图2可见,反应按照设计进行,钛铝薄膜的衍
射谱中约44∃的位置上产生了衍射峰,为TiAl相;
约37∃,64∃,75∃和82∃的位置上产生的衍射峰均为
TiAl3相。另外,衍射谱上还出现了较多的Al2O3相和TiO2相。这说明采用射频磁控溅射方法成功
制备出了钛铝系金属间化合物薄膜。图2钛铝薄膜的XRD谱Fig.2XraydiffractionofTiAlfilm
2.2薄膜的形貌
用射频磁控溅射方法制备的钛铝系金属间化合
物薄膜表面晶粒均匀细小、晶粒结合紧密无裂缝,可
以有效阻止薄膜的氧化,减少TiO2的形成。由图
3a可见,黑色区域经电子探针能谱分析为Al2O3颗
粒,白色物质为TiO2颗粒。通过比较可知,Al2O3颗粒比TiO2颗粒多。这是因为薄膜在进行热处理
过程中,不仅薄膜表面的铝原子被氧化,而且内部的
铝原子也迁移到表面取代钛原子的位置被氧化而生
成Al2O3,发生了铝热反应。由图3a中还可见,
Al2O3呈点状不连续分布,阻止了TiO2的进一步生
长。由图3b可见,薄膜的磨痕表面相对比较平整,
只有轻微擦伤引起的犁沟,磨痕边缘的磨粒细小,没有观察到裂纹的产生。
(a)表面(b)摩擦划痕
图3钛铝薄膜的SEM形貌Fig.3SEMmicrographsofTiAlfilm
2.3摩擦性能
由双靶射频磁控溅射方法制备的钛铝金属间化
合物薄膜试样由于基体摆放位置的不同,使得这些
薄膜具有不同的组分,铝含量为0%~100%(原子
分数,下同)。钛铝薄膜中含有的TiO2具有相当好
的韧性,不易发生脆性断裂和裂纹,使该薄膜具有较
长的磨损寿命。但TiO2薄膜一般在400以下使
用,过多的TiO2会限制该薄膜在高温下的使用性
能。另外TiO2的摩擦性能不如Al2O3好。Al2O3具有硬度高、摩擦因数低、化学稳定性好及耐腐蚀性
优良等特点,可用作耐滑动摩擦涂层材料。但是
63 田明霞,等:钛铝系金属间化合物薄膜的制备和摩擦性能Al2O3的韧性较差,影响薄膜的磨损寿命。将TiO2颗粒渗入Al2O3晶格产生固溶,能提高薄膜的韧性
和耐腐蚀性;另一方面,大部分的TiO2可粘在
Al2O3颗粒之间,提高薄膜的致密度、粘结强度,有
利于耐腐蚀性及耐磨损性的进一步提高。为了得到
摩擦性能较好的钛铝薄膜的组分,作者进行了摩擦
试验,载荷2N,摩擦线速度0.2m s-1。由图4可
见,摩擦15min后铝含量约为45%的薄膜试样摩
擦因数最低,摩擦性能最好。
图4不同组分的钛铝薄膜的摩擦因数Fig.4FrictioncoefficientoftheTiAlfilmswithdifferentcompositions
由图5可见,钛铝薄膜(铝含量约45.5%)的摩
擦因数随着法向载荷和线速度的增大总体均呈下降
趋势,并且逐渐趋于一个稳定的数值。线速度为0.
2m s-1,每隔180s载荷增加1N,钛铝薄膜的摩
擦因数从0.08降到0.02(曲线1);载荷为2N时,
每隔180s线速度增加0.1m s-1,钛铝薄膜的摩
擦因数从0.12左右降到到0.04(曲线2)。
图5变载荷和变转速下钛铝薄膜的摩擦因数Fig.5FrictioncoefficientofTiAlfilmbychangingoftheloadandtherotationspeed
钛铝薄膜的摩擦因数随着法向载荷和线速度的
增大而减小,作者认为这是由于在小载荷和低速下,
薄膜试样与摩擦副的摩擦主要以局部的微颗粒断续
机械撞击为主,脱落的细小晶粒在摩擦区阻碍了两者之间的相对运动,所以摩擦因数较大。而在大载
荷和高速下,其转变为连续的机械摩擦力,摩擦区内
薄膜的相对强度增加,细小晶粒很少脱落,其摩擦因
数相对较小。
3结论
(1)试验制备的薄膜是由TiAl、TiAl3、Al2O3和TiO2相组成,说明其为钛铝间化合物薄膜。薄
膜表面晶粒均匀细小、晶粒结合紧密无裂缝,磨痕表
面相对比较平整。
(2)铝含量在45%时,钛铝间化合物薄膜的摩
擦性能最好。在载荷、转速和摩擦时间增加时,其摩
擦因数均会发生一定程度的降低,摩擦因数最小可
达0.02。
参考文献:
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[3]YangBin,ChenGuoxiang,ZhangJishan.EffectofTi/CadditionsontheformationofAl3TiofinsituTiC/Alcomposites[J].Materials&Design,2001,22:645-650.[4]王华明,李晓轩,于利根.TiAl金属间化合物合金激光表面合金化组织与摩擦学性能[J].航空学报,2000,21(增刊):15-19.
电弧离子镀沉积TiN／AlN—TiAlN复合膜的耐磨性
《装备制造技术）２０１０年第２期
电弧离子镀沉积ＴｉＮ／ＡＩＮ—ＴｉＡＩＮ复合膜的耐磨性
李争显，王少鹏，潘晓龙，杜继红，王宝云，严鹏
（西北有色金属研究院腐蚀与防护研究所，陕西西安７１００１６）
摘要：采用高纯铝、钛靶材，通过电弧离子镀工艺在ＴＣ４基材上沉积制备了ＴｉＮ／ＡＩＮ—ＴｉＡＪＮ复合多层膜，用ＨＶ一１０００型显微硬度
计测试了膜层的硬度，用球盘磨损试验对比研究了膜层和基材的耐磨性。结果表明：膜层硬度为２ ８５６ Ｈｖ。耐磨性相比基材提高６倍 以上。
关键词：电弧离子镀；复合膜；耐磨性
中图分类号：ＴＧ１７４．４４ 文献标识码：Ａ
钛合金具有比强度高、耐腐蚀性能优异、中温性能稳定等 优点，使其在航空工业具有广阔的应用前景［１］。但钛合金的摩
擦系数大，抗粘着磨损性能差，在作为磨损部件时，容易造成 部件的磨损失效嘲。因此，为提高钛合金的耐磨性，延长钛合金
部件的使用寿命，必须对钛合金进行表面改性处理。
电弧离子镀技术（Ａｒｃ Ｉｏｎ Ｐｌａｔｎｉｇ，简称ＡＩＰ），是将电弧等
离子体应用于表面领域的一种先进的薄膜沉积技术。具有沉 积速度快、绕镀性好、膜与基体结合力高、膜层致密性好、基材
温度低等优点 。利用电弧离子镀技术在钛合金表面沉积硬
度高的氮化物膜层，可增加钛合金的表面硬度，改善钛合金的
耐磨性，同时对钛合金基材的性能影响很小。 本文以高纯的Ｔｉ和Ａｌ作为靶材，采用电弧离子镀技术，
通过控制相应的工艺参数，在钛合金ＴＣ４表面沉积了
ＴｉＮ／Ａ１Ｎ—ＴｉＡ１Ｎ复合膜层，对比研究了复合膜层和ＴＣ４基材的
硬度及耐磨性。
１ 试验材料及方法
试验用基材为西北有色金属研究院生产的ＴＣ４合金，经
机加工成３０ｍｍ ｘ ３０ｍｍ×５ｍｍ的试样片。电弧离子镀靶材
采用纯度为９９．９９％的铝靶和钛靶。镀膜前试样经机械打磨、
抛光、清洗。沉积设备为ＳＰ一０８１０ＡＳ型多功能真空镀膜机。沉
积时，将试样装夹在试样架上，试样架以一定的速度转动，使 试样在不同的时间面向不同的靶材。试样面向Ｔｉ靶时，在试
TC11钛合金TiAlSiN涂层微织构表面脂润滑摩擦性能研究
机械工程
27新型工业化·2018年第3期TC11钛合金TiAlSiN涂层微织构表面脂润滑摩擦性能研究
徐上1，华希俊1*，解玄1，徐金峰3，尹必峰2，张加力1 （1.江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013；2.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013；3.江苏西希维轴承有限公司，江苏镇江212013）摘要：研究了激光微织构处理后材料表面覆盖TiAlSiN涂层在脂润滑条件下的摩擦磨损性能。使用声光调Q二极管Nd：YAG激光器在TC11钛合金表面进行织构化处理。使用磁控溅射设备在织构后表面加镀覆TiAlSiN涂层。通过Rtec通用摩擦磨损试验机考察涂层织构在脂润滑条件下的摩擦磨损性能。通过加工不同密度研究织构形貌参数对摩擦性能的影响。研究结果表明：在室温滑动摩擦条件下TiAlSiN涂层能够保护基体减小磨损，表面织构能够进一步减小摩擦系数。在织构密度为30%时摩擦系数最小。关键词：激光微织构；TiAlSiN涂层；滑动摩擦；TC11钛合金Laser Texturing of TiAlSiN Film Coatings and its Tribological Performance under Grease Sliding Friction XU Shang1, HUA Xi-jun1*, XIE Xuan1, XU Jin-feng3, YIN Bi-feng2, ZHANG Jia-li1(1. School of Mechanical Engineering of Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China; 2. School of Automotive and Traffic Engineering of Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China; 3. Jiangsu CCVY Bearing Co.,Ltd., Zhenjiang, Jiangsu 212013, China)Abstract: Studied the tribology performance of TiAlSiN coated and laser textured surface under grease lubrication. TC11 surface was textured by Nd: YAG laser. The tribology performance of samples was measured by Rtec tribometer after using magnetron sputtering to process TiAlSiN coating. The study find that textured TiAlSiN coating can protect TC11 substrate from surface wear and reduce friction coefficient. Samples get minimum friction coefficient under 30% texturing density.Key words： Laser texturing; TiAlSiN coating; Sliding friction; TC11 alloy
TA2钛合金表面A1203／石墨自润滑沉积层的制备及其摩擦学性能研究
第３３卷 第３期
２０１３年６月 航空材料学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＥＲＯＮＡＵＴＩＣＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ Ｖｏ１．３３．ＮＯ．３
Ｊｕｎｅ ２０１３
ＴＡ２钛合金表面Ａｌ２ ｏ３／石墨自润滑沉积层的制备
及其摩擦学性能研究
李维学 ， 张 凯 ， 戴剑锋 ， 梁 军 ， 霍晓迪
（１．兰卅Ｉ理工大学理学院，兰州７３００５０；２．中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，兰卅ｌ ７３００００）
摘要：采用阴极液相等离子体电解沉积技术（ＰＥＤ）在ＴＡ２钛合金表面一步制备了含石墨的Ａ１ Ｏ 陶瓷沉积层。利
用ＳＥＭ和ＸＲＤ对沉积层的结构和成分进行了表征，并探讨了沉积层的形成过程和机理。用摩擦试验机评价了沉
积层的摩擦磨损性能。结果表明，通过在电解液中添加适量的石墨，利用ＰＥＤ技术可在ＴＡ２钛合金表面制备由０【一
Ａ１ Ｏ 、 一Ａ１：Ｏ 和石墨相组成的复合沉积层。与ＴＡ２钛合金以及不含石墨的Ａ１ Ｏ 沉积层相比，Ａ１ ０ ／石墨复合沉
积层的摩擦系数显著降低，磨损率随之减小，具有良好的减摩抗磨性能。
关键词：阴极液相等离子体电解沉积；ＴＡ２钛合金；氧化铝；石墨；自润滑
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—５０５３．２０１３．３．００９ 中图分类号：ＴＧ１４６．２ ３；ＴＧ１７４．４５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５．５０５３（２０１３）０３—００４６．０７
钛（Ｔｉ）及钛合金相对于其他金属材料比强高，
密度小，在海水和海洋中耐蚀性好，是在汽车、船舶、
航空航天等领域中广泛应用的重要结构材料。但钛
及钛合金的摩擦系数大，尤其是高温条件下抗磨性
能差，使得零部件的寿命缩短，机械的维护成本很
大。通常采用表面处理来提高钛材料的机械性能，
目前常用的表面处理技术有气相沉积 Ｊ、激光熔
覆 ’ 、离子注入 等。采用上述方法对材料表面
改性具有各自的优点，但是也存在诸如工艺繁琐，设
钛合金表面改性层的摩擦学性能
钛合金表面改性层的摩擦学性能
钛合金表面改性层的摩擦学性能评价
摩擦学性能是指材料在摩擦运动过程中的摩擦系数、磨损指数以及摩擦表面温度等性能指标。钛合金作为一种重要的结构材料，常常需要对其表面进行改性以提高其摩擦学性能。下面将对钛合金表面改性层的摩擦学性能进行评价。
首先，改性层的摩擦系数是评价其摩擦学性能的重要指标之一。在真实使用环境中，材料的摩擦系数往往会直接影响到摩擦力的大小以及材料的磨损程度。因此，改性层的摩擦系数应该尽量低，以降低摩擦力和磨损量。通过表面处理、添加陶瓷颗粒或者纳米材料等方式可以有效地降低钛合金表面的摩擦系数。
其次，改性层的磨损指数也是评价其摩擦学性能的重要指标之一。材料在摩擦运动中的磨损是不可避免的，因此改性层应具有较高的耐磨性能。例如，可以利用等离子喷涂、激光熔覆等方法在钛合金表面形成坚硬的磨损层，以提高其耐磨性。
此外，在摩擦过程中，摩擦表面温度的升高也会对摩擦学性能产生影响。改性层应具有较好的热导性能，以快速将摩擦过程中产生的热量导出，避免摩擦表面温度过高。
综上所述，钛合金表面改性层的摩擦学性能评价应包括摩擦系数、磨损指数以及摩擦表面温度等指标。通过合理的改性方法，可以有效地提高钛合金表面的摩擦学性能，为其在各个领域的应用提供更好的保障。此外，改性层的润滑性能也是影响钛合金表面摩擦学性能的重要因素之一。优良的润滑性能可以减少两个表面之间的直接接触，降低摩擦系数和磨损量。润滑剂的选择非常关键，可以考虑使用具有较低摩擦系数和高温稳定性的润滑剂，如钙基润滑剂、硼酸盐润滑剂等。
在评价钛合金表面改性层的摩擦学性能时，还需考虑其耐腐蚀性能。许多实际应用环境中存在着腐蚀介质，如酸性、碱性或盐水等，在这种条件下，表面改性层应具有良好的抗腐蚀性能，以确保材料的长期稳定性和使用寿命。
此外，表面改性层的硬度和粗糙度也会对摩擦学性能产生直接影响。一般来说，较高的硬度可以减少磨损，而较低的粗糙度则有助于减小摩擦系数。因此，在改性层的选择和制备过程中，需要综合考虑硬度和粗糙度的平衡。
二氧化钛薄膜材料的制备及其摩擦学研究
二氧化钛薄膜材料的制备及其摩擦学研究
Introduction
二氧化钛薄膜材料在摩擦学中具有广泛的应用。本文将介绍二氧化钛薄膜材料的制备过程，以及对该材料的摩擦学研究。
Experimental Section
制备二氧化钛薄膜材料的实验步骤如下：
1. 首先，将二氧化钛粉末放入高能球磨机中，与球磨介质混合。球磨时间为6小时，采用不同的比例以得到不同颗粒大小的二氧化钛粉末。
2. 将球磨得到的二氧化钛粉末溶解在异丙醇中。异丙醇可使二氧化钛颗粒均匀分散。
3. 在磁力搅拌器上以200rpm的速度将混合溶液搅拌3小时，以获得均匀的二氧化钛分散液。
4. 选取适当的基材，例如玻璃、硅片等。
5. 使用喷涂法或旋涂法将二氧化钛分散液喷涂或旋涂在基材上，然后在高温下烘干，从而获得二氧化钛薄膜材料。
摩擦学研究实验步骤如下：
1. 选取适当的试样，在二氧化钛薄膜材料上涂敷一层石墨粉末。
2. 使用自制的摩擦磨损测试设备，在不同载荷下进行摩擦测试，记录下试验数据。
3. 根据摩擦测试数据计算摩擦系数和磨损率，并分析数据。
Results and Discussion
通过制备实验，我们获得了不同颗粒大小的二氧化钛粉末，并得到了均匀的二氧化钛分散液。通过喷涂法或旋涂法，我们成功地制备出了二氧化钛薄膜材料。
在摩擦测试实验中，我们发现随着载荷的增大，摩擦系数和磨损率都呈现出增长的趋势。同时，在不同载荷下，磨损表面的形貌也存在一定的差异。
结论
本研究成功地制备了二氧化钛薄膜材料，并通过摩擦测试实验，分析了该材料的摩擦学性能。实验结果显示，二氧化钛薄膜在摩擦学领域具有良好的应用前景。此外，二氧化钛薄膜还具有其他重要的特性，如高抗腐蚀性、耐高温性、良好的光学性能等。因此，该材料在涂料、太阳能电池、传感器、防伪材料等领域也得到了广泛的应用。
在制备过程中，球磨是关键的步骤之一。通过球磨可以使二氧化钛颗粒细化并得到合适的分散效果，从而能够更好地喷涂或旋涂在基材上。
Ti—Al系金属间化合物
Ti—Al系金属间化合物
秦高梧;郝士明
【期刊名称】《稀有金属材料与工程》
【年(卷),期】1995(24)2
【摘 要】简要介绍了钛铝系金属间化合物的发展背景，着重阐述了目前α２－Ｔｉ３Ａｌ基、γ－ＴｉＡｌ基及δ－ＴｉＡｌ３基合金的发展状况、总结了近年来为了获得钛铝系金属间化合物的良好综合机械性能尤其是室温塑性，国内外研究者所采用的一系列方法。
【总页数】7页(P1-7)
【关键词】金属间化合物;Ti3Al;TiAl;力学性质
【作 者】秦高梧;郝士明
【作者单位】东北大学材料系
【正文语种】中 文
【中图分类】TG131;O614
【相关文献】
1.连续陶瓷纤维增强Ti-Al系金属间化合物复合材料研究进展 [J], 韩雨蔷;蔺春发;陈长江;常云鹏;姜风春;王振强;果春焕
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钛铝金属间化合物
钛铝金属间化合物
钛铝金属间化合物是一种具有特殊性质的化合物，它的发现和研究为材料科学领域带来了新的突破。作为一种重要的金属间化合物，钛铝金属间化合物具有许多独特的特点和应用价值。
钛铝金属间化合物具有很高的热稳定性和机械性能。它的熔点高，硬度大，抗氧化能力强，能够在高温和极端环境下保持稳定性。这使得钛铝金属间化合物在航空航天、能源、汽车等领域具有广泛的应用前景。
钛铝金属间化合物具有优异的导电性和导热性能。它的电子结构使得电子在其内部能够自由移动，从而具有良好的电导率。同时，钛铝金属间化合物的晶体结构也决定了它的导热性能优越，能够有效地传导热量。因此，在电子器件、导电材料和散热材料等领域，钛铝金属间化合物具有广泛的应用前景。
钛铝金属间化合物还具有良好的化学稳定性和耐腐蚀性。它不容易被常见的酸、碱等化学物质侵蚀，能够在恶劣的化学环境中保持稳定性。这使得钛铝金属间化合物在化工、制药等领域具有广泛的应用潜力。
钛铝金属间化合物的研究和应用还面临一些挑战。首先，钛铝金属间化合物的制备方法和工艺还需要进一步改进和优化，以提高生产效率和降低成本。其次，钛铝金属间化合物的性能和应用还需要进一步研究和探索，以满足不同领域的需求。
钛铝金属间化合物作为一种具有特殊性质和广泛应用前景的化合物，其研究和应用对于推动材料科学的发展具有重要意义。我们相信，在科学家们的不懈努力下，钛铝金属间化合物必将在各个领域展现出更多的潜力和价值，为人类社会的进步和发展做出更大的贡献。
钛合金热浸镀铝镀层的磨损行为和磨损机理
钛合金热浸镀铝镀层的磨损行为和磨损机理
本文通过对TC4钛合金热浸镀后进行不同温度和时间的真空扩散处理,表面获得钛铝金属间化合物镀层。采用MPX-2000型磨损试验机,针对经650℃扩散0.5h后的热浸镀铝镀层在不同工况条件下进行干滑动磨损实验,系统研究了镀层的磨损行为,采用SEM、XRD、EDS、XPS以及显微硬度仪等微观测试手段检测和分析了钛铝镀层的组成和结构以及磨面和剖面的形貌、物相、成分和性能,重点研究了钛铝镀层在磨损过程中摩擦层的形成及作用,探讨了磨损机理。
结果表明:TC4钛合金经热浸镀铝及扩散退火后获得TiAl3金属间化合物镀层。扩散温度和保温时间对镀层的组织和结构有一定的影响。
分析可知,浸镀铝化后的TC4合金再经650℃扩散0.5h后所获得的钛铝镀层致密,与基体界面结合良好,硬度高达614HV。而随着扩散时间的延长和温度升高,镀层出现了大量的裂纹和孔洞甚至剥落。
经650℃扩散0.5h后所获得的钛铝金属间化合物镀层质量最佳。研究发现,钛铝金属间化合物镀层在不同载荷下磨损量随着滑动速度的升高而呈现相似的变化。
在滑动速度0.5-4m/s内,磨损量先随速度的升高而降低,在0.75m/s后磨损量先是平缓上升,然后急剧升高,在2.68m/s时,磨损量升至最高值。随着速度继续升高,磨损量又开始下降,在4m/s下磨损量降至最低值。
在相同滑动条件下,钛铝镀层在高速4m/s时的耐磨性最好,而在2.68m/s时的耐磨性最差。在相同滑动条件下,TC4合金的磨损量明显高于钛铝金属间化合物镀层,尤其在4m/s时,表现的更为显著。
可见,TC4合金经镀渗铝扩散获得钛铝金属间化合物镀层使耐磨性得到改善。通过分析可以认为,这主要是由于钛铝镀层和摩擦层的共同作用的结果。
钛铝镀层在滑动过程中通过自身消耗或存在改善了TC4合金的耐磨性。不同滑动条件下,镀层磨损表面皆形成了不同于基材的摩擦层。
研究发现,钛铝镀层的抗磨性取决于摩擦层的特征和性能。而摩擦层的特征和性能决定了钛铝镀层磨损机理。
钛铝金属间化合物多孔膜材料标准
钛铝金属间化合物多孔膜材料标准
1. 工艺规范
膜材料应由钛铝金属间化合物（TiAl）制成，具有高比表面积和连通的孔隙结构。
膜的厚度应控制在10-200 μm范围内，孔隙率应大于60%。
孔径分布应均匀，介于10-100 nm之间。
膜应具有良好的机械强度和热稳定性。
2. 化学成分
膜材料中钛（Ti）和铝（Al）的原子比应为1:1。
杂质元素的含量应低于1 wt%。
3. 物理特性
膜的比表面积应大于100 m²/g。
孔隙率应通过氮气吸附-脱附法或压汞法测量。
孔径分布应通过扫描电子显微镜（SEM）或透射电子显微镜（TEM）观测。
膜的机械强度应通过拉伸或弯曲测试测量。
膜的热稳定性应通过热重分析（TGA）或差示扫描量热法（DSC）测量。
4. 表面特性
膜的表面应清洁，无污染物。
膜的表面化学组成应通过X射线光电子能谱（XPS）分析。
膜的表面能应通过接触角测量。
5. 测试方法
膜的厚度可通过扫描电子显微镜（SEM）或透射电子显微镜（TEM）测量。
膜的比表面积和孔隙率可通过氮气吸附-脱附法或压汞法测量。
孔径分布可通过扫描电子显微镜（SEM）或透射电子显微镜（TEM）观测。
膜的机械强度可通过拉伸或弯曲测试测量。
膜的热稳定性可通过热重分析（TGA）或差示扫描量热法（DSC）测量。
膜的表面化学组成可通过X射线光电子能谱（XPS）分析。
膜的表面能可通过接触角测量。
6. 应用领域
钛铝金属间化合物多孔膜材料因其优异的性能而被广泛应用于以下领域：
催化剂载体
过滤材料
传感器
能源存储
溅射工艺对TiAlN薄膜摩擦学性能的影响
第27卷 第2期2007年4月 航 空 材 料 学 报JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSVol127,No12 April 2007
溅射工艺对TiAlN薄膜摩擦学性能的影响
罗 飞, 何 欣, 杨会生, 高克玮, 王燕斌(北京科技大学材料物理与化学系,北京100083)摘要:研究利用反应磁控溅射法在高速钢基体上制备TiAlN薄膜材料,采用XRD测试薄膜晶体结构,用UMT显微力学测试仪测试薄膜摩擦系数。在此基础上讨论铝含量、直流偏压及后期处理对薄膜摩擦系数的影响。结果表明,不同铝含量的TiAlN薄膜中都存在面心立方相和六方相,随着铝含量的增高,面心立方相比例逐渐减小,六方相增多。铝的引入使膜层的硬度明显提高。随着Al含量增加,GCr15与TiAlN膜层之间的摩擦系数下降。另外,直流偏压和后期处理亦可显著改善薄膜的抗摩擦性能。关键词:磁控溅射;TiAlN薄膜;摩擦系数中图分类号:O48414 文献标识码:A 文章编号:100525053(2007)0220033204
收稿日期:2006203202;修订日期:2006207213基金项目:国家自然科学基金项目(50471091)作者简介:罗飞(1978—),女,博士研究生,研究方向为薄膜材料制备及力学性能表征。 TiAlN薄膜具有硬度高、耐腐蚀、耐磨性好、抗高温氧化能力强的特点,在模具、刀具、等许多领域显示出极其广阔的应用前景,近年来受到越来越多的关注[1～3]。作为一种先进的薄膜材料,在航空航天方面也有很多应用,例如航天发动机的内层耐磨层,航空发动机压气机叶片抗冲蚀和抗盐雾腐蚀镀层。TiAlN薄膜材料已经成为替代TiN的新一代材料[4]。目前,制备TiAlN薄膜的工艺方法很多[5,6],在各种不同制备方法中薄膜中的铝含量对薄膜的耐磨性都有显著的影响[7,8]。反应磁控溅射方法是物理气相沉积中的一种,因为沉积薄膜表面平整致密,沉积温度低,产品不易变形等优点而被用于要求精度高的薄膜制备。本工作利用反应磁控溅射方法在高速钢基体上制备TiAlN薄膜,研究铝含量以及溅射过程中加入的直流偏压和后期处理工艺对薄膜摩擦学性能的影响。1 试验方法用复合靶在高速钢基体上溅射制备TiAlN薄膜,高纯度Al靶和Ti靶(直径50.5mm)相向溅射,试样在两靶之间旋转。工作气体为氩气,反应气体为氮气。通过调整铝靶的功率控制薄膜成分,在溅射过程中可以在基片架上加不同数值的负偏压。工艺条件如下:本底真空为4.0×10-3Pa;双靶间距为170mm,工作气压为1.4×10-1Pa,Ar气与N2气分压比为3∶4,钛靶溅射功率为350W,铝靶选择了200W,250W,300W,350W和400W五种不同的功率。在钛靶溅射功率为350W,铝靶功率300W的情况下对基体加了-25V,-50V和-75V三种直流偏压。后期处理工艺采用在1.4×10-1Pa的工作气压下用氩气轰击15min后取出。在上述工艺条件下制备的TiAlN薄膜的晶体结构由XRD测得。利用UMT显微力学测试仪(具有摩擦磨损实验台)测量薄膜的摩擦系数。摩擦试验采用直线式滑动,试验条件为:滑动距离10mm,滑动速度1mm/s,室温,相对湿度30%～50%。摩擦副选用<5mm的GCr15钢球,无润滑。2 结果与讨论2.1 X射线衍射物相分析结果从图1中可以看出薄膜中存在两种相结构:TiN的面心立方结构和AlN的六方结构。在不同的铝靶功率下薄膜中面心立方(111)峰的相对强度很强,说明薄膜存在(111)晶面择优取向。利用X射线能谱仪得到了薄膜中的Ti和Al的原子比(图2),可以看出随着铝靶功率升高,薄膜中Al含量的不断增加(图2),此时面心立方(111)峰的强度逐渐减弱。这可能是由于TiAlN中Al含量愈多,Al原子取代Ti原子的数量越多,面心立方畸变程度愈大,内应力也愈大,减弱了沿(111)面的择优趋势。航 空 材 料 学 报第27卷面心立方的(222)取相也有逐渐减弱的趋势。六方相出现了(002)取向峰,并在Al靶功率大于200W时出现了(100)峰。随着铝靶功率的增加,(002)衍射强度增加。这些情况说明随着Al含量的增加,TiAlN薄膜的结构面心立方相比例相对减小,六方相比例加大。这与AyakoKimura[9]等人的研究结果一致。