TiN/Si3N4納米復(fù)合薄膜及其深孔狹縫表面附著強度的研究

著眼于TiSiN薄膜微觀組織結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計，掌握脈沖直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積制備ne_TiN/α-Si3N4納米復(fù)合薄膜的原理和技術(shù)關(guān)鍵。探討外表面和深孔狹縫內(nèi)表面鍍膜的組織性能差異及其制約機制。通過模擬樣品和實物樣品的對比分析，重點考察內(nèi)表面鍍膜的均勻性和附著強度，據(jù)此提出強韌性與附著性完美結(jié)合的TiSiN硬質(zhì)薄膜類型及其應(yīng)用于復(fù)雜型腔的示范模型。 2100433B

本課題首先通過納米改性涂料中納米顆粒種類、添加量、分散性等對涂層附著力影響規(guī)律的研究，以及基體表面粗糙度、固化溫度與時間等涂覆工藝對附著力的影響規(guī)律，建立納米改性涂料與金屬附著力之間的關(guān)系；其次，通過對影響附著力的主要因素：界面形貌、涂層與基體的接觸模式等界面物理以及納米顆粒對界面結(jié)合狀態(tài)影響等界面化學(xué)的研究，解明納米改性涂料及其涂覆工藝與涂層附著力的關(guān)系。第三，通過對界面物理化學(xué)的研究，解明納米顆粒對界面物理與化學(xué)的影響規(guī)律，從而揭示納米改性高分子與金屬的附著機理。通過上述研究，既能對納米改性高分子涂料研究、應(yīng)用方面提供理論依據(jù)，也有助于加深對添加納米材料后非金屬涂層與金屬基體之間附著力這一共同問題的理解，推動納米表面工程中基礎(chǔ)問題：納米材料覆層與基體的表面、界面問題；納米材料在表面工程覆層制備動態(tài)過程中的化學(xué)、物理等過程；表面覆層中納米材料與其它材料之間的協(xié)同效應(yīng)等的研究。 2100433B

本項目主要針對緩解Si3N4/TiAl釬焊接頭殘余應(yīng)力以及提高接頭高溫性能的需求，采用機械球磨的方法制備了納米Si3N4增強的AgCuTi復(fù)合釬料(AgCuTic)，并采用該復(fù)合釬料成功實現(xiàn)了TiAl合金和Si3N4陶瓷的連接。Si3N4/AgCuTiC/TiAl釬焊接頭典型界面結(jié)構(gòu)為：TiAl/AlCu2Ti/Al4Cu9 TiN Ti5Si3 Ag(s,s)/TiN Ti5Si3/Si3N4。釬焊過程中，液相釬料中的Ti元素與納米Si3N4反應(yīng)形成了納米尺寸的TiN和Ti5Si3顆粒，這些顆粒作為微米尺度Al4Cu9化合物的形核質(zhì)點，使得釬縫中形成了微納米顆粒增強的Ag基復(fù)合材料組織。復(fù)合釬料中增強相含量、釬焊溫度、釬焊時間等工藝參數(shù)對接頭界面結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響較大，當(dāng)增強相含量為3 wt.%，釬焊溫度為880°C，釬焊時間為5min時，接頭室溫及高溫(400°C)抗剪強度最大分別為115MPa和156MPa，比采用AgCuTi釬料獲得的接頭強度提高一倍。本項目還研究了復(fù)合釬料使用對接頭性能改善的原因，一方面復(fù)合釬縫中彌散分布的細(xì)顆粒TiN及Ti5Si3化合物作為第二相通過剪切滯后、位錯強化及Orowan強化等方式強化了Ag基體，提高了釬縫性能；另一方面通過降低釬縫的熱膨脹系數(shù)在一定程度上緩解了接頭殘余應(yīng)力，從而提高了接頭室溫及高溫性能。接頭殘余應(yīng)力有限元模擬結(jié)果表明：復(fù)合材料的使用對接頭的應(yīng)力分布形式影響不大，但減小了殘余應(yīng)力分布區(qū)域以及應(yīng)力峰值。X射線應(yīng)力分析表明：增強相含量為3 wt.%時，Si3N4陶瓷表面壓應(yīng)力峰值降低70MPa左右，與模擬結(jié)果相吻合。除此之外，在本項目中納米增強復(fù)合釬料也被應(yīng)用于其它陶瓷與金屬釬焊體系均有優(yōu)良表現(xiàn)，可顯著優(yōu)化釬焊接頭的界面組織并提高釬焊接頭的力學(xué)性能。目前針對本項目已取得的一系列研究成果，共發(fā)表SCI期刊論文22篇，申請專利11項，兩項授權(quán)。 2100433B