TiN/Si3N4納米復(fù)合薄膜及其深孔狹縫表面附著強(qiáng)度的研究基本信息

著眼于TiSiN薄膜微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jī)制。通過(guò)模擬樣品和實(shí)物樣品的對(duì)比分析，重點(diǎn)考察內(nèi)表面鍍膜的均勻性和附著強(qiáng)度，據(jù)此提出強(qiáng)韌性與附著性完美結(jié)合的TiSiN硬質(zhì)薄膜類(lèi)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(guò)納米改性涂料中納米顆粒種類(lèi)、添加量、分散性等對(duì)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(shí)間等涂覆工藝對(duì)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(guò)對(duì)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(duì)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(guò)對(duì)界面物理化學(xué)的研究，解明納米顆粒對(duì)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(jī)理。通過(guò)上述研究，既能對(duì)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(duì)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(wèn)題的理解，推動(dòng)納米表面工程中基礎(chǔ)問(wèn)題：納米材料覆層與基體的表面、界面問(wèn)題；納米材料在表面工程覆層制備動(dòng)態(tài)過(guò)程中的化學(xué)、物理等過(guò)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(xiàng)目主要針對(duì)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(jī)械球磨的方法制備了納米Si3N4增強(qiáng)的AgCuTi復(fù)合釬料(AgCuTic)，并采用該復(fù)合釬料成功實(shí)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(guò)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(diǎn)，使得釬縫中形成了微納米顆粒增強(qiáng)的Ag基復(fù)合材料組織。復(fù)合釬料中增強(qiáng)相含量、釬焊溫度、釬焊時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)接頭界面結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響較大，當(dāng)增強(qiáng)相含量為3 wt.%，釬焊溫度為880°C，釬焊時(shí)間為5min時(shí)，接頭室溫及高溫(400°C)抗剪強(qiáng)度最大分別為115MPa和156MPa，比采用AgCuTi釬料獲得的接頭強(qiáng)度提高一倍。本項(xiàng)目還研究了復(fù)合釬料使用對(duì)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(guò)剪切滯后、位錯(cuò)強(qiáng)化及Orowan強(qiáng)化等方式強(qiáng)化了Ag基體，提高了釬縫性能；另一方面通過(guò)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(duì)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(xiàn)應(yīng)力分析表明：增強(qiáng)相含量為3 wt.%時(shí)，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(xiàng)目中納米增強(qiáng)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(duì)本項(xiàng)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(qǐng)專(zhuān)利11項(xiàng)，兩項(xiàng)授權(quán)。 2100433B