中国科学技术信息研究所--国家工程技术数字图书馆

[学位论文] 鞠洪博江苏科技大学 2016年博士导师: 许俊华共204页

摘要 : 过渡族金属氮化物以其优异的力学及摩擦磨损性能，在诸如刀具涂层等领域占据着一席之地。对过渡族金属氮化物的研究大多集中于ⅣB、ⅤB和ⅥB族这三族当中，并向多元化、智能化等方向发展，以期能够研发一种宽温域条件下均具有低摩擦系数和低磨损率的多... 展开过渡族金属氮化物以其优异的力学及摩擦磨损性能，在诸如刀具涂层等领域占据着一席之地。对过渡族金属氮化物的研究大多集中于ⅣB、ⅤB和ⅥB族这三族当中，并向多元化、智能化等方向发展，以期能够研发一种宽温域条件下均具有低摩擦系数和低磨损率的多元智能薄膜，使其适应诸如高效加工、高温加工等领域日益严苛的服役需求。本文以ⅣB、ⅤB以及ⅥB族中的TiN、Nb-N和Mo-N薄膜为研究对象，以提升宽温域条件下薄膜综合自适应性能为目标，通过添加Si等元素提升薄膜力学以及室温摩擦磨损性能；并在此基础上，引入Magnéli相代表元素Mo、V以及贵金属元素Ag改良薄膜高温摩擦磨损性能。旨在优化现有薄膜设计准则，研发一种宽温域条件下均具有良好摩擦磨损性能的新型过渡族金属氮化物体系。主要结果如下： Al被引入三种不同族的氮化物薄膜中，制备了一系列不同 Al含量的Ti-Al-N、Nb-Al-N以及Mo-Al-N薄膜以期改善薄膜力学及摩擦磨损性能。对于ⅣB、ⅤB族中的Ti-Al-N、Nb-Al-N薄膜，当薄膜中Al含量低于50 at.%时，Al置换了氮化物晶格中的Ti或者Nb形成置换固溶体，由于固溶强化作用，薄膜力学性能得到提升；当Al含量高于50 at.%时，薄膜出现具有较低硬度的六方(hcp)结构AlN，力学性能逐渐降低。对于ⅥB族Mo-Al-N薄膜，薄膜具有面心立方(fcc)结构，由于固溶强化和晶粒粗化的相互作用，薄膜硬度随Al含量升高先升高后降低，硬度最大值为33 GPa(Al含量3.7 at.%)。对于Ti-Al-N、Nb-Al-N以及Mo-Al-N薄膜，一定含量的Al能够提升薄膜抵抗塑性变形能力，减少磨痕表面裂纹数量，缓和摩擦副与磨痕之间的相互作用，使得薄膜室温摩擦磨损性能得到提升。然而，由于在高温环境中磨痕表面生成硬质氧化铝，加剧了摩擦副与磨痕之间的相互作用，薄膜高温摩擦磨损性能没有得到提升。Al在高温环境下有向薄膜表层扩散趋势，生成致密的Al2O3保护层，从而提升薄膜的高温抗氧化性能。选取元素 Si提升薄膜力学性能和室温摩擦磨损性能，在保证薄膜室温摩擦磨损性能的基础上，引入 Magnéli相代表元素 Mo、V制备 Ti-Mo-Si-N以及Nb-V-Si-N薄膜，提升宽温域条件下薄膜综合自适应性能。Si的固溶能够在一定程度上提升薄膜硬度、断裂韧性以及室温摩擦磨损性能。然而过高的Si含量会超出薄膜固溶极限，生成非晶Si3N4，使力学和摩擦磨损性能降低。Magnéli相元素置换了氮化物晶格中的Ti或者Nb形成置换固溶体，固溶强化能够在一定程度上提升薄膜硬度。由于该类元素能够增加薄膜位错钉扎，从而提高薄膜断裂韧性，进而提升薄膜的膜基结合力。在室温以及高温环境下，薄膜磨痕在摩擦副的作用下能够与环境中的氧以及水汽发生化学反应，生成具有较高离子电势的润滑氧化物，从而降低薄膜的平均摩擦系数。然而，该类氧化物大多具有层状结构，具有多个滑移系，在摩擦磨损试验过程中易于被摩擦副磨损，所以Magnéli相元素在室温以及高温环境下能够有效的减磨，但是耐磨性能不佳。为改良薄膜宽温域下摩擦磨损性能，将贵金属Ag引入氮化物薄膜中，研究了Ag对薄膜微观组织以及摩擦磨损特别是宽温域范围内摩擦磨损性能的影响。利用第一原理计算以及摩尔反应焓等理论，讨论了Ag在氮化物薄膜中的形成机理。由于过渡族金属与 N具有较高的化学亲和性，过渡族金属氮化物会在衬底的缺陷处率先形核，并以柱状晶形式长大，随后Ag在TiN柱状晶缺陷处形核，最终在宏观上呈现出Ag以纳米晶镶嵌在金属氮化物柱状晶边界处的微观结构。由于Ag具有优异的润滑性能，含Ag氮化物薄膜，特别是高Ag含量的氮化物薄膜在宽温域条件下均能体现出良好的摩擦磨损性能。此外，本文还研究了稀土元素 Y对过渡族金属氮化物薄膜微观结构和性能的影响。结果表明，Y置换了氮化物晶格中的Ti或者Nb形成置换固溶体，由于固溶强化作用，薄膜硬度略有升高。Y能够升高薄膜高温抗氧化性能。由于 Y的引入能够降低薄膜磨痕表面氧化物含量，从而降低了薄膜的磨损率。收起

关键词 : 氮化物智能纳米结构复合薄膜微观结构力学性能摩擦磨损性能

2. BiFeO3基纳米材料的气敏性能研究

[学位论文] 许红祥江苏科技大学 2022年博士导师: 许俊华共136页

摘要 : 工业飞速发展带来的环境污染问题是人们无法预料的，其中，大气污染已经严重威胁到人类的健康和财产安全。气体传感器是一种实时监控、及时报警的环境监测仪器。半导体气体传感器是市场上应用最多、检测范围最广的一类传感器，具有灵敏度高、响应/恢复... 展开工业飞速发展带来的环境污染问题是人们无法预料的，其中，大气污染已经严重威胁到人类的健康和财产安全。气体传感器是一种实时监控、及时报警的环境监测仪器。半导体气体传感器是市场上应用最多、检测范围最广的一类传感器，具有灵敏度高、响应/恢复时间快、体积小、价格便宜、移动方便等优点。但传统的二元氧化物半导体气体传感器普遍具有工作温度高、选择性差、寿命短等缺点成为制约其应用的瓶颈。本论文采用溶胶凝胶法和静电纺丝法，研制了BiFeO3基新兴气敏材料（纳米颗粒、纳米纤维以及纳米复合物），研究了表面改性、掺杂、纳米复合等因素对BiFeO3基纳米材料气敏性能的影响，并深入探究了其对酮类和醇类气敏性提高的原因。研究结果如下：（1）采用溶胶凝胶法制备出了BiFeO3纳米颗粒，研究其对丙酮、乙醇、异丙醇的气敏响应特性。研究表明在500℃煅烧的BiFeO3纳米颗粒是三方菱形扭曲的钙钛矿结构，颗粒尺寸小于100nm；最佳工作温度为242℃，对50ppm丙酮、乙醇、异丙醇的灵敏度高达28.6、29.4、25.9；对50ppm丙酮、乙醇、异丙醇的响应/恢复时间分别为5/12s、5/15s、9/10s；灵敏度浓度对数关系表明BiFeO3纳米颗粒的准确检测范围为1-100ppm，检测限低，检测范围窄。采用气体吸附/脱附结合化学反应分析BiFeO3的气敏效应，揭示Fe离子变价和氧空位存在是BiFeO3纳米颗粒具有优异气敏性的原因。（2）采用溶胶凝胶法分别制备A位Sr、Ca掺杂的BiFeO3纳米颗粒，研究其对丙酮和乙醇的气敏响应特性。研究表明Sr、Ca掺杂的BiFeO3是纯相且颗粒尺寸小（约50nm）。气敏结果表明Bi0.95Sr0.05FeO3和Bi0.95Ca0.05FeO3对丙酮和乙醇的最佳工作温度为205℃，比BiFeO3的最佳工作温度降低约40℃，对200ppm丙酮的响应/恢复时间为7/16s和5/20s；对乙醇的响应/恢复时间为8/19s和11/20s。采用缺陷方程结合表面控制型气敏机理，分析Sr、Ca掺杂可引起空穴载流子增多、氧空位数量改变、Fe离子变价、光学带隙变小，揭示其工作温度降低的原因。（3）采用溶胶凝胶法分别制备B位Co、Zn掺杂的BiFeO3纳米颗粒，研究其对丙酮、乙醇、异丙醇和醋酸的气敏响应特性。研究表明Co掺杂量≤0.05的BiFeO3是纯相，而Zn掺杂量≥0.05时，体系中出现BiFeO3、Bi2O3、以及Bi12(Bi0.5Fe0.5)O19.5三相混合，且Zn元素可能结合在混合相中。Co、Zn掺杂的BiFeO3纳米颗粒尺寸约为20-30nm。气敏结果表明，Co、Zn掺杂的BiFeO3工作温度为242℃，且随着掺杂量的增加，其灵敏度显著下降。采用缺陷方程结合表面控制型气敏机理，揭示气敏现象发生时捕获的电子受杂相和B位异类离子散射后与空穴复合几率降低是Co、Zn掺杂的BiFeO3气敏性能受到抑制的原因。（4）采用静电纺丝技术制备BiFeO3纳米纤维，研究其对丙酮、乙醇、异丙醇和甲醇的气敏响应特性。研究聚乙烯吡咯烷酮含量和煅烧时间对BiFeO3纳米纤维气敏性能的影响。结果表明500℃煅烧2-4h的纳米纤维是纯相，纤维长约几十μm，宽约200-400nm。其工作温度与BiFeO3纳米颗粒相当，约为242℃。其中聚乙烯吡咯烷酮添加量为2g，在500℃煅烧4h的纤维灵敏度较高，对50ppm的丙酮、乙醇、异丙醇、甲醇的灵敏度分别为21.2、20、25.4、17.2。灵敏度浓度对数拟合符合线性关系，表明BiFeO3纳米纤维能够准确检测2-500ppm浓度的气体，检测范围大于BiFeO3纳米颗粒（1-100ppm），响应/恢复时间非常快。采用气体吸附脱附理论分析纤维特殊结构对氧吸附的影响，揭示纤维灵敏度高、响应/恢复时间快的优点。（5）采用溶胶凝胶法结合煅烧技术制备出BiFeO3-CoTiO3PP结复合物以及BiFeO3-ZnOPN结复合物，研究其对丙酮和乙醇的气敏响应特性。结果表明随着CoTiO3含量的增加，其工作温度从242℃也降到了205℃，复合物的灵敏度明显高于BiFeO3纳米颗粒的灵敏度；随着ZnO含量的增加，工作温度增加到了262℃，复合物的灵敏度明显低于BiFeO3纳米颗粒的灵敏度。采用异质结能量势垒变化探究相关气敏机理。上述研究表明BiFeO3是一种工作温度低、响应速度快、灵敏度高、有效检测范围窄的气敏材料，可通过掺杂、构建异质结等手段进一步提高灵敏度、降低其工作温度，为开发新兴的气体传感器材料提供重要的参考途径。收起

关键词 : 纳米材料 BiFeO3 气体传感器溶胶凝胶钙钛矿结构

3. 陶瓷颗粒对喷射成形7055铝合金TIG焊接接头组织与性能的影响

[学位论文] 黄婷江苏科技大学 2022年博士导师: 许俊华共129页

摘要 : 从减重和提高防护的角度出发，具有超高强度和轻量化特点的喷射成形7055铝合金在航空航天，铁路车辆和兵器等领域具有很好的应用前景，且已成功用于制造国产大飞机的机翼长桁和天宫二号压气机箱体等。但采用传统铝合金焊丝制备的喷射成形7055铝合金熔... 展开从减重和提高防护的角度出发，具有超高强度和轻量化特点的喷射成形7055铝合金在航空航天，铁路车辆和兵器等领域具有很好的应用前景，且已成功用于制造国产大飞机的机翼长桁和天宫二号压气机箱体等。但采用传统铝合金焊丝制备的喷射成形7055铝合金熔化焊接头强度低且脆性大，使得熔化焊接头强度低和脆性大的问题成为制约其应用的瓶颈。本课题研制了含有纳米陶瓷颗粒的7055铝合金焊丝，分别为TiB2-7055、ZrB2-7055和Sc+ZrB2-7055，使用以上焊丝对喷射成形7055铝合金进行TIG焊接，获得了兼具高强度和良好塑韧性的TIG接头。通过XRD、SEM、TEM和拉伸试验机等手段探讨了不同种类的陶瓷颗粒对焊缝微结构和力学性能的影响。研究结果如下：（1）采用原位生成法制备了TiB2-7055、ZrB2-7055和Sc+ZrB2-7055焊丝，研究了不同陶瓷颗粒在焊丝基体上的分布情况及其对基体晶粒形态的影响。研究结果表明：(a)TiB2-7055焊丝为细小等轴晶，TiB2颗粒在α-Al基体上整体分布均匀。(b)ZrB2-7055焊丝为细小树枝晶，ZrB2颗粒在α-Al基体上团聚面积较大。(c)Sc+ZrB2-7055焊丝为细小等轴晶，ZrB2、Al3(Sc,Zr)和Al3Sc颗粒以团絮的形式在α-Al基体上整体分布均匀。（2）分别使用母材、TiB2-7055和ZrB2-7055焊丝对喷射成形7055铝合金进行TIG焊接，对比了TiB2和ZrB2颗粒在焊缝基体上的分布情况，及其分别对焊态的焊接接头微结构和力学性能的影响。研究结果表明：(a)采用母材作为焊丝制备的7055焊缝晶粒粗大，焊接接头的抗拉强度和延伸率分别为245MPa和1.5%。(b)与铝熔液具有良好润湿性的TiB2颗粒在焊缝基体上均匀分布，且随着TiB2颗粒含量的增加，TiB2-7055焊缝晶粒逐渐变为细小等轴晶，焊接接头的抗拉强度和延伸率均先升高后降低，1.5wt%TiB2-7055焊接接头的抗拉强度和延伸率分别达到最大值，约为310MPa和5.4%，表现为韧性断裂，拉伸试样断裂在热影响区。(c)与铝熔液润湿性差的ZrB2颗粒在焊缝基体上大面积团聚，分布极不均匀，且随着ZrB2颗粒含量的增加，ZrB2-7055焊缝逐渐变为细小树枝晶，ZrB2-7055焊接接头的抗拉强度和延伸率均先升高后降低，1.5wt%ZrB2-7055焊接接头的抗拉强度和延伸率达到最大值，约为280MPa和2.0%，拉伸试样断裂在焊缝区。提出了陶瓷颗粒与铝液之间良好的润湿性是其在焊缝基体上均匀分布的关键，揭示了陶瓷颗粒产生的细晶强化和弥散强化是焊接接头力学性能提升的主要原因。（3）使用Sc+ZrB2-7055焊丝对喷射成形7055铝合金进行TIG焊接，研究了Al3(Sc,Zr)、Al3Sc和ZrB2颗粒对焊态的焊接接头微结构和力学性能的影响。研究结果表明：Al3(Sc,Zr)、Al3Sc和ZrB2颗粒混合在一起，以团絮的形式在α-Al基体上整体分布均匀。向焊缝中引入与铝液具有良好润湿性的Al3Sc和Al3(Sc,Zr)颗粒后，使得界面能较高的ZrB2颗粒更倾向于和界面能较低的Al3(Sc,Zr)和Al3Sc颗粒吸附在一起，阻碍了单一ZrB2颗粒在焊缝基体上的大面积团聚。Sc+ZrB2-7055焊缝晶粒为等轴晶，焊接接头的拉伸性能优于ZrB2-7055焊缝，其抗拉强度和延伸率分别约为320MPa和5.0%，表现为韧性断裂，断裂在热影响区。解决了与金属液润湿性差的陶瓷颗粒在焊缝基体上大面积团聚的问题。（4）对7055，TiB2-7055和Sc+ZrB2-7055焊接接头同时进行S1工艺热处理，分析了陶瓷颗粒对焊缝基体析出相的时效析出动力和焊接接头力学性能的影响。研究结果表明：7055，TiB2-7055和Sc+ZrB2-7055焊缝中的η′相尺寸依次减小，且弥散度增加，同时含有Al3(Sc,Zr)、Al3Sc和ZrB2颗粒的焊缝基体析出相的时效析出动力大于仅含有TiB2颗粒的焊缝。TiB2-7055和Sc+ZrB2-7055焊接接头的拉伸性能均优于7055焊接接头，7055，TiB2-7055和Sc+ZrB2-7055焊接接头的抗拉强度和延伸率分别约为540MPa和2.5%，573MPa和3.2%，554MPa和3.5%。分析认为基体析出相产生的沉淀强化、陶瓷颗粒产生的细晶强化和弥散强化综合提高了热处理后TiB2-7055和Sc+ZrB2-7055焊接接头的力学性能。（5）对TiB2-7055和Sc+ZrB2-7055焊接接头同时分别进行S2和S3工艺热处理，研究了二级时效时间对焊接接头微结构和力学性能的影响。研究结果表明：随着二级时效时间的延长，TiB2-7055和Sc+ZrB2-7055焊接接头的抗拉强度逐渐降低，因为亚稳态的η′相转变为稳态η相，并且η相粗化，η相与基体不共格，强化效果降低。延长二级时效时间不会对TiB2-7055和Sc+ZrB2-7055焊接接头延伸率的变化产生大的影响。收起

关键词 : 铝合金陶瓷颗粒非熔化极惰性气体保护焊焊接接头抗拉强度

4. Al、Si对TiN及Mo2N基薄膜微观组织、力学及摩擦磨损性能的影响

[学位论文] 鞠洪博江苏科技大学 2013年硕士导师: 许俊华共118页

摘要 : 采用射频磁控溅射法,制备了一系列不同Mo含量的TiMoN、TiAlMoN薄膜,不同Al含量的TiAlN、MoAlN薄膜及不同Si含量的TiSiN、MoTiSiN薄膜。研究了各薄膜微观结构、力学及摩擦磨损性能。 TiMoN薄膜为fcc结构。Mo含量小于68.37%时,薄膜主要为Mo在TiN中... 展开采用射频磁控溅射法,制备了一系列不同Mo含量的TiMoN、TiAlMoN薄膜,不同Al含量的TiAlN、MoAlN薄膜及不同Si含量的TiSiN、MoTiSiN薄膜。研究了各薄膜微观结构、力学及摩擦磨损性能。 TiMoN薄膜为fcc结构。Mo含量小于68.37%时,薄膜主要为Mo在TiN中的置换固溶体;当Mo含量大于68.37%时,薄膜主要为Ti在Mo2N中的置换固溶体。薄膜显微硬度随Mo含量的增加显著升高,最高为36.37GPa。薄膜的摩擦系数随Mo含量的升高而降低,并最终稳定在0.4左右。TiMoN薄膜具有优异的耐磨性能,磨损率在1×10-6---1×10-8mm2/N之间。TiMoN薄膜摩擦磨损性能受环境温度的影响显著,按平均摩擦系数及磨损率随环境温度的变化趋势,可分为A-C三区间:25-200℃(A)、200-300℃(B)、300-600℃(C)。在三区间内,随环境温度的升高,平均摩擦系数的变化趋势依次为升高、稳定、降低;磨损率的变化趋势依次为降低、稳定、升高。采用“绝热法”定量计算了磨痕氧化物的相对含量,结果表明,氧化物的相对含量变化趋势与磨损率的相同。分析认为,A区间内,由磨痕生成的具有润滑作用、易磨损的层状氧化物相对含量及磨痕吸附的水汽等润滑物共同作用,导致平均摩擦系数及磨损率出现上述变化;磨痕氧化物的相对含量是导致B、C区间平均摩擦系数及磨损率变化的主要原因。 TiAlMoN薄膜为fcc结构。当Mo含量小于30.07%时,此时薄膜主要为Mo固溶在TiAlN中的置换固溶体,薄膜硬度随Mo含量的增加缓慢升高,薄膜平均摩擦系随Mo含量的增加缓慢降低;当Mo含量大于44.61%时,薄膜主要为Ti、Al固溶在Mo2N中的置换固溶体,薄膜硬度及平均摩擦系数较之前者有明显改善,且随Mo含量变化不大;当Mo含量为34.31%时,薄膜主要存在两种固溶体,即Mo固溶在TiAlN中的置换固溶体和Ti、Al固溶在Mo2N中的置换固溶体薄膜硬度及平均摩擦系数在上述两者之间。薄膜组织转变是造成硬度及平均摩擦系数变化的主要原因。 Al含量对TiAlN薄膜微观结构及性能影响显著:当Al含量小于49.38%时,TiAlN薄膜为fcc结构,随Al含量的升高,薄膜硬度逐渐升高,室温摩擦系数逐渐降低;当Al含量大于49.38%时,薄膜为fcc+hcp混合结构,薄膜硬度逐渐降低,室温摩擦系数逐渐升高。受磨痕表面氧化相的影响,TiAlN薄膜(Al含量为49.38%)平均摩擦系数随环境温度的升高逐渐降低。MoAlN薄膜(XAl=5.95%-29.37%)为fcc结构,具有(111)择优取向.薄膜主要为Al固溶在Mo2N中的置换固溶体,其化学式可近似表示为(MoxAl1-x)2N.薄膜显微硬度、弹性模量随Al含量的增加而逐渐降低,抗塑变能力先增强后降低.分析表明,薄膜显微硬度主要受固溶强化、细晶强化和VEC值的影响.在高温环境下,薄膜中Al原子易于向表层扩散生成致密的Al2O3,且Al2O3数量随Al含量的增加而增加,故Al元素的引入显著的提升了薄膜的热稳定性能.室温下,MoAlN薄膜的平均摩擦系数较低,且随Al含量的增加先降低后升高.这种现象主要是由于薄膜抗塑变能力造成的.由于薄膜硬度及抗塑变能力的共同作用导致薄膜磨损率先降低后升高. TiSiN薄膜为面心立方结构,随Si含量的升高,薄膜衍射峰逐渐宽化,当Si含量小于20.19%时,薄膜硬度随Si含量的升高逐渐升高,并在Si含量为20.19%时到达最大值,其值为28.38GPa;当Si含量大于20.19%时,薄膜硬度随Si含量的升高先降低后保持稳定。MoTiSiN薄膜为fcc-Mo2N结构,随Si含量的升高,薄膜衍射峰逐渐宽化,MoTiSiN薄膜最高硬度值为34.08GPa,薄膜硬度及弹性模量随Si含量的升高逐渐降低,随Si含量的升高,薄膜平均摩擦系数逐渐降低。由此可知,Si能有效的降低MoTiSiN薄膜的平均摩擦系数。收起

关键词 : TiN基薄膜 Mo2N基薄膜微观结构力学性能摩擦磨损性能铝元素硅元素

5. TiC-TiB2铝基复合焊丝对喷射成形7055铝合金TIG焊接头组织和性能的影响

[学位论文] 程赟江苏科技大学 2022年硕士导师: 许俊华共110页

摘要 : 喷射成形7055铝合金具有组织均匀、晶粒细小、强韧性好等优点被广泛应用于航空航天等领域。但是采用传统焊丝焊接的7055铝合金热裂敏感性大，熔化焊接头软化严重，这大大限制了7055铝合金的应用。虽然可以通过调整焊接工艺参数来减少接头的热裂纹敏感... 展开喷射成形7055铝合金具有组织均匀、晶粒细小、强韧性好等优点被广泛应用于航空航天等领域。但是采用传统焊丝焊接的7055铝合金热裂敏感性大，熔化焊接头软化严重，这大大限制了7055铝合金的应用。虽然可以通过调整焊接工艺参数来减少接头的热裂纹敏感性，但是组织和性能的恶化并未得到很好的解决。因此，有必要开发新的焊接材料来焊接7055铝合金。本研究采用“陶瓷颗粒-金属熔体-凝固前沿”模型，选择TiC和TiB2陶瓷颗粒作为增强相，采用原位混合盐反应法制备TiC/7055(TC)和TiC-TiB2/7055(BC)复合焊丝，用于喷射成形7055铝合金的非熔化极惰性气体保护(TIG)焊；系统地研究了陶瓷颗粒对喷射成形7055铝合金的焊丝及TIG焊接头组织和性能的影响；此外，对焊接接头进行热处理，研究固溶和时效工艺对焊缝(WM)组织和性能的影响，结果如下： (1)焊丝的研究与制备。基于力平衡原理，通过“陶瓷颗粒-金属熔体-凝固前沿”模型，计算陶瓷颗粒与金属熔体之间的范德华力和范德华势，选择TiC和TiB2陶瓷颗粒作为增强相，并采用原位混合盐反应法制备TC和BC复合焊丝。无论是铸造态，还是T76热处理态，颗粒增强复合焊丝的组织和力学性能均优于铸造的7055铝合金。 (2)陶瓷颗粒对焊态焊缝的组织和性能的影响。陶瓷颗粒使得焊缝显微组织从粗大的树枝晶转变为细小的等轴晶，减少焊缝合金元素的偏析，改善接头的热裂纹敏感性；有效地提高焊态接头的拉伸性能、硬度和冲击韧性。晶粒细化、Load-bearing强化、Zenner钉扎强化、热膨胀系数失配强化和固溶强化是焊态颗粒增强焊接接头的主要强化机制。 (3)固溶-等温时效工艺对焊缝组织和性能的影响。固溶-时效处理过程中，陶瓷颗粒限制固溶和时效过程中焊缝晶粒的长大，加速合金元素固溶和时效析出，缩短焊缝到达峰值时效的时间，促进基体中GP-Ⅱ区、η''相的析出和弥散分布。475℃/2.5h+120℃/15h处理的BC-WM和TC-WM的抗拉强度和延伸率可达530±15MPa、3.9±0.29%和474±15MPa、3.04±0.35%，均高于7055-WM的抗拉强度和延伸率(358±20MPa、2.38±0.42%)。 (4)固溶-非等温时效工艺对焊缝组织和性能的影响。非等温时效处理过程中，随着变温速率的减小，时效时间增加，力学性能增加，电导率增加，但是耐腐蚀性能下降。BC-20的强度和延伸率最高可达580±25MPa和4.16±0.25%。与传统等温时效T6、T74和RRA处理相比，BC-40拥有高于T6处理的力学性能和接近T74和RRA处理耐腐性的同时，还大大缩短时效时间。高强力学性能和优异的耐腐蚀性能源于较窄的晶界无析出带、细小且弥散分布的沉淀相和不连续存在晶界沉淀相。无论是等温时效还是非等温时效，细晶强化、Load-bearing强化、Zenner钉扎强化、热膨胀系数失配强化以及沉淀强化是固溶-时效处理后颗粒增强复合焊接接头具有较高的硬度和强度的原因。收起

关键词 : 铝合金复合焊丝陶瓷颗粒非熔化极惰性气体保护焊显微组织力学性能

6. TiVCN复合膜与TiN/VCN,TiCN/VCN多层膜的性能研究

[学位论文] 曹峻江苏科技大学 2012年硕士导师: 许俊华共98页

摘要 : 采用多靶磁控溅射技术,制备了一系列不同石墨靶功率的TiCN复合膜、不同钒靶功率和石墨靶功率的TiVN和TiVCN复合膜及调制比为1:1不同调制周期的TiN/VCN和TiCN/VCN多层膜。利用X射线衍射仪、纳米压痕仪、高温摩擦磨损测试仪和扫描电子显微镜研究了各种薄... 展开采用多靶磁控溅射技术,制备了一系列不同石墨靶功率的TiCN复合膜、不同钒靶功率和石墨靶功率的TiVN和TiVCN复合膜及调制比为1:1不同调制周期的TiN/VCN和TiCN/VCN多层膜。利用X射线衍射仪、纳米压痕仪、高温摩擦磨损测试仪和扫描电子显微镜研究了各种薄膜的微结构、力学性能及室温和高温摩擦磨损性能。对一系列不同石墨靶功率的TiCN复合膜研究表明:TiCN薄膜为面心立方结构,随着石墨靶功率的增加,TiCN(111)峰逐渐宽化,晶粒尺寸逐渐减小,薄膜最后接近非晶结构;随着石墨靶功率的增加,薄膜的硬度与弹性模量呈先增大后减小的趋势,最大硬度和弹性模量值在石墨靶功率为90W时获得,分别为28.2GPa和230GPa;室温与高温摩擦磨损实验研究表明,室温下TiCN复合膜随着石墨靶功率的增加,摩擦系数值逐渐减小,TiCN复合膜的耐磨性能也有很大的提高,当环境温度升高到300℃至500℃时,TiCN薄膜摩擦系数明显增大。TiCN复合膜的摩擦磨损性能受薄膜微结构,空气中的水蒸气和氧气及环境温度等一系列因素的影响。对一系列不同钒靶功率和石墨靶功率的TiVN和TiVCN复合膜研究表明:当钒靶功率为60W时,TiVN薄膜的硬度达到最大值,为25.02GPa。在此基础上逐渐加入C元素,当石墨靶功率为20W时,TiVCN薄膜的硬度达到最大值,为28.51GPa。随着石墨靶功率进一步增加,薄膜的硬度值开始逐渐降低;室温下,随着石墨靶功率的增加,TiVCN薄膜的摩擦系数逐渐减小;高温下,TiVCN复合膜的摩擦系数随着温度的升高先增加后减小再增加。高温下TiVCN复合膜表面生成Magnéli相V2O5,具有很好的减磨作用和自适应机制。对一系列调制比为1:1不同调制周期的TiN/VCN多层膜研究表明:TiN/VCN多层膜是δ-NaCl面心立方结构和无定形结构组成;TiN/VCN多层膜的最大硬度值为28.71GPa,约为混合法则计算硬度值的1.23倍,分析了TiN/VCN多层膜的致硬机理;室温下TiN/VCN多层膜摩擦系数与TiN单层膜摩擦系数相近;但当环境温度为700℃时,相对TiN单层膜,TiN/VCN多层膜的摩擦系数较低。晶体化学方面,Magnéli相V2O5的离子势较大,容易剪切断裂,从热测量方法角度考虑了V2O5的熔点较低,在700℃时充当了液体润滑剂的作用,因此TiN/VCN在高温下具有很好的摩擦性能。对一系列调制比为1:1不同调制周期的TiCN/VCN多层膜研究表明:不同调制周期的TiCN/VCN多层膜的硬度与混合法则法计算硬度值接近,没有出现超硬现象;TiCN和VCN单层薄膜室温下的摩擦系数较低,TiCN/VCN多层膜调制周期较小时摩擦系数较高,调制周期较大时逐渐接近TiCN和VCN单层膜;TiCN单层膜高温下的摩擦系数主要取决于其表面生成的TiO2,VCN单层膜高温下的摩擦系数主要取决于V2O5,TiCN/VCN多层膜主要取决于TiO2和V2O5的共同作用。与TiCN薄膜比较,TiCN/VCN多层膜的高温摩擦系数有了一定的减小。收起

关键词 : 金属表面处理复合膜石墨靶功率制备工艺多靶磁控溅射技术性能表征

7. TiSiN、Ti-Al-N和TiSiN-Ag复合膜的结构及性能研究

[学位论文] 管斌江苏科技大学 2017年硕士导师: 许俊华共96页

摘要 : 本文采用JGP-450型反应磁控溅射仪，在室温下分别沉积了不同Si含量的TiSiN复合膜、不同Al含量的Ti-Al-N复合膜和不同Ag含量的TiSiN-Ag复合膜。对薄膜的成分、微结构、截面形貌、抗氧化性、显微硬度、膜基结合力及摩擦磨损性能进行表征并分析。研究结果... 展开本文采用JGP-450型反应磁控溅射仪，在室温下分别沉积了不同Si含量的TiSiN复合膜、不同Al含量的Ti-Al-N复合膜和不同Ag含量的TiSiN-Ag复合膜。对薄膜的成分、微结构、截面形貌、抗氧化性、显微硬度、膜基结合力及摩擦磨损性能进行表征并分析。研究结果如下：对不同Si含量的TiSiN复合膜的研究表明：TiN薄膜由面心立方TiN相组成，以c-TiN（111）晶面为择优取向。向TiN中添加Si元素，少量Si原子溶入TiN形成置换固溶体(Ti,Si)N，超过固溶度后在薄膜中形成非晶 Si3N4相。非晶 Si3N4相的存在能有效提高薄膜的抗氧化性。随着Si含量的增加，TiSiN复合膜的显微硬度和弹性模量先升高后降低。适量Si元素可提高薄膜的膜基结合力。Si加入TiN中，薄膜的磨损率大幅降低。随着Si含量的增加，薄膜的室温摩擦系数降低，800℃时的摩擦系数升高；在200~600℃时，Si元素对TiN薄膜的摩擦系数无明显影响。对不同Al含量的Ti-Al-N复合膜的研究表明：当Al含量小于25.72at.%时，Ti-Al-N复合膜以面心立方的TiN相为主，以c-TiN（111）晶面为择优取向，Al原子溶入c-TiN形成c-(Ti,Al)N置换固溶体。当Al含量为25.72at.%时，Ti-Al-N复合膜中出现少量六方AlN相。随着Al含量的增加，薄膜硬度和弹性模量升高，膜基结合力增强；室温和800℃时的摩擦系数升高，磨损率大幅降低。在200~600℃时，Al元素对TiN薄膜的摩擦系数无明显影响。当Al含量大于28.47at.%时，c-TiN相消失，六方AlN成为主要相，存在少量面心立方AlN相，Ti原子溶入h-AlN形成h-(Al,Ti)N置换固溶体。随着Al含量的增加，薄膜硬度升高，膜基结合力下降；室温摩擦系数和磨损率下降；800℃时的摩擦系数下降，磨损率升高。Al元素在高温时形成的Al2O3氧化层能提高Ti-Al-N复合膜的抗氧化性能。对不同Ag含量的TiSiN-Ag复合膜的研究表明：向TiSiN复合膜中添加Ag元素， Ag以独立相存在，当Ag含量为8.21at.%时，出现面心立方Ag（111）衍射峰，单质Ag相的存在阻碍TiN晶粒的生长。随着Ag含量的增加，TiSiN-Ag复合膜的硬度和弹性模量逐渐降低。当Ag含量为20.34at.%时，薄膜的膜基结合力达最大值14N。随着Ag含量的增加，薄膜中具有润滑作用的单质Ag相增多，导致TiSiN-Ag复合膜的摩擦系数和磨损率不断减小。收起

关键词 : 纳米复合膜微结构抗氧化性力学性能摩擦磨损

8. TiB2-Al3Ti改性焊丝对喷射成形7055铝合金TIG焊接头组织和性能的影响

[学位论文] 胡云宣江苏科技大学 2022年硕士导师: 许俊华共95页

摘要 : 喷射成形7055铝合金具有组织均匀、晶粒细小、强韧性好等优点被广泛应用于工业领域中。采用传统焊丝对其进行熔化焊，焊缝(WM)的组织粗大，热裂纹敏感性高，力学性能远低于母材，难以满足服役要求。虽然研发新的焊接工艺能够缓解接头的热裂纹倾向，但... 展开喷射成形7055铝合金具有组织均匀、晶粒细小、强韧性好等优点被广泛应用于工业领域中。采用传统焊丝对其进行熔化焊，焊缝(WM)的组织粗大，热裂纹敏感性高，力学性能远低于母材，难以满足服役要求。虽然研发新的焊接工艺能够缓解接头的热裂纹倾向，但是其组织和性能依旧无法满足实际使用，所以开发新的焊接材料成为了关键。本研究基于TiB2陶瓷颗粒的优异特性和7055铝合金标准成分，通过氟盐(MS)法和中间合金(MA)法制备TiB2-Al3Ti改性焊丝并对喷射成形7055铝合金进行TIG焊，研究了其对接头组织和性能的影响，并进一步探索接头的热处理工艺。主要结果如下： (1)研究MS和MA焊丝中TiB2在铝基体上的分布形式及其对焊丝组织和性能的影响。研究结果表明：MS焊丝中TiB2分布均匀，有少量的团聚；MA焊丝中TiB2分布均匀但未观察到团聚的TiB2，且出现环状Al3Ti相。铸态7055铝合金的组织为粗大的树枝晶；改性后的焊丝组织更加细小，为等轴晶，力学性能也更加优异。 (2)分别使用7055母材焊丝、MS和MA焊丝对喷射成形7055铝合金进行TIG焊，对比三种WM在焊态下的组织和力学性能。研究结果表明：(a)WM中增强颗粒的分布形式不发生明显变化，WM组织从粗大的树枝晶(7055)变为细小的等轴晶(MS、MA)，陶瓷颗粒减少了WM中合金元素的偏析，改善了接头的热裂纹敏感性。通过XRD和TEM分析表明，MS接头的增强颗粒为TiB2，MA接头为TiB2和Al3Ti。(b)接头力学性能提升，焊态下强度和延伸率分别从245±5MPa、1.79±0.24%(7055)增加至313±6MPa、5.64±0.24%(MS)和284±7MPa、4.0±0.35%(MA)。MS接头由于不含脆性的Al3Ti，力学性能优于MA接头。 (3)对接头进行热处理，研究不同时效工艺下三种WM的力学性能及耐腐蚀性能。研究结果表明：(a)TiB2和Al3Ti的分布形式未发生明显改变，并能限制WM晶粒的长大。(b)在相同的时效工艺中，MS接头的强度依旧高于MA接头，7055接头的强度最低；同种接头中，T6处理的接头强度最高，回归再时效(RRA)的强度次之，T76的强度最低。三种接头的延伸率相比焊态均有所下降，但MS和MA接头性能依旧优于7055接头。(c)通过电化学测试可知，MS和MA的WM耐腐蚀性能比较接近，且都优于7055-WM。同种接头的耐腐蚀性能均符合T76＞RRA＞T6的规律。由TEM分析可知，T6状态WM的晶界析出相(GBPs)为连续存在，而T76和RRA的GBPs为断续存在，这打断了晶间腐蚀通道，从而减缓了腐蚀过程。收起

关键词 : 铝合金改性焊丝非熔化极惰性气体保护焊热处理显微组织力学性能

9. ZrMoN、NbCN-Cu纳米复合膜的制备及性能研究

[学位论文] 贾沛江苏科技大学 2020年硕士导师: 许俊华共94页

摘要 : 本文采用多靶射频磁控溅射仪制备了一系列不同Mo含量的ZrMoN复合膜以及不同Cu含量的NbCN-Cu复合膜，并通过第一性原理计算、能谱仪、X射线衍射仪、高分辨透射电镜、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱分析、拉曼光谱仪、纳米力学综合测试系统、高温摩擦... 展开本文采用多靶射频磁控溅射仪制备了一系列不同Mo含量的ZrMoN复合膜以及不同Cu含量的NbCN-Cu复合膜，并通过第一性原理计算、能谱仪、X射线衍射仪、高分辨透射电镜、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱分析、拉曼光谱仪、纳米力学综合测试系统、高温摩擦磨损实验机以及电化学工作站等对其微结构、力学性能、摩擦磨损性能及抗腐蚀性能进行了研究。对ZrMoN复合膜的研究结果表明：在Mo含量为小于等于7.2at.%时，ZrMoN复合膜呈单一fcc-ZrN结构；当Mo含量大于7.2at.%时，复合膜呈fcc-ZrN和fcc-Mo2N双相结构。根据第一性原理计算，ZrMoN复合膜中的Mo元素会更倾向于置换Zr元素形成(Zr, Mo)N固溶体。当Mo含量为16.9at.%时，fcc-ZrN与fcc-Mo2N之间的界面有位错存在。ZrMoN复合膜的硬度和弹性模量随着Mo含量的增加先上升后下降，最大值分别为Mo含量为11.3at.%时的30.2GPa和329.3GPa。复合膜力学性能的变化主要受残余应力、固溶强化、物相构成、细晶强化以及共格界面产生的交变应力场的影响。室温环境下，ZrMoN复合膜的摩擦系数随Mo含量的增加单调降低；磨损率先降低后上升。复合膜室温摩擦磨损性能的变化是由力学性能、残余应力、物相构成的变化以及摩擦产生的氧化相MoO3引起的。Mo含量为16.9at.%时，在200-800℃范围内，ZrMoN复合膜的摩擦系数随测试测试温度升高先上升后下降；磨损率单调上升。复合膜高温摩擦磨损性能的变化是由氧化相MoO3和ZrO2引起的。在3.5mol.%的NaCl溶液中，ZrMoN复合膜的抗腐蚀性能随着Mo含量的增加先提升后降低，在Mo含量为11.3at.%时最佳。复合膜抗腐蚀性能的变化是由晶粒尺寸、晶体结构中元素的变化、物相构成以及共格界面的变化引起的。对NbCN-Cu复合膜的研究结果表明：NbCN-Cu复合膜由弥散分布的晶态fcc-Cu单质、fcc-NbN、hcp-NbN以及非晶CNX组成。CNX在薄膜中的相对含量基本保持不变。Cu含量为2.6at.%时，fcc-Cu(111)与fcc-NbN(200)之间存在共格界面，Cu含量升高至9.5at.%时，fcc-Cu(111)与fcc-NbN(200)界面处开始出现位错。NbCN-Cu复合膜的硬度和弹性模量随着Cu含量的增加先上升后下降，最大值分别为Cu含量为2.6%时的32.8GPa和437.6GPa。复合膜硬度的变化是由物相构成，细晶强化以及fcc-Cu与fcc-NbN界面之间的应力状态引起的。室温环境下，NbCN-Cu复合膜的摩擦系数和磨损率均随着Cu含量的增加持续上升。复合膜室温摩擦磨损性能的变化是由力学性能的变化以及Cu颗粒的受热迁移造成的。在100-500℃范围内，Cu含量分别为0at.%，2.6at.%和13.8at.%的NbCN-Cu复合膜的高温摩擦系数均随测试温度先增加后减小。当测试温度大于300℃时，NbCN-Cu复合膜的摩擦系数远低于NbCN薄膜，且Cu含量越高摩擦系数越低。NbCN-Cu复合膜的高温磨损率随着测试温度的增加逐渐增大，且测试温度一定时，Cu含量越高，薄膜磨损率越大。复合膜的高温摩擦系数和磨损率的变化是由氧化相CuO以及Nb2O5引起的。在3.5mol.%的NaCl溶液中，NbCN-Cu复合膜的抗腐蚀性能随着Cu含量的增加先提升后降低，Cu含量为9.5at.%时复合膜的抗腐蚀性能最佳。复合膜的抗腐蚀性能的变化是由物相构成以及fcc-Cu与fcc-NbN之间的界面状态引起的。收起

关键词 : 氮化物薄膜磁控溅射微结构摩擦磨损性能抗腐蚀性能

10. 304不锈钢基底超疏水表面制备及性能研究

[学位论文] 缪燃江苏科技大学 2019年硕士导师: 许俊华共94页

摘要 : 具有超疏水性能的不锈钢材料在工业、海洋等行业有着十分广阔的应用前景，主要是因为超疏水表面具有十分优异减阻、抗结冰、自清洁等性能。目前人们已经成功研制出多种制备超疏水表面的方法，但对其耐磨性和耐腐蚀性能的相关研究还比较少，也因此限制... 展开具有超疏水性能的不锈钢材料在工业、海洋等行业有着十分广阔的应用前景，主要是因为超疏水表面具有十分优异减阻、抗结冰、自清洁等性能。目前人们已经成功研制出多种制备超疏水表面的方法，但对其耐磨性和耐腐蚀性能的相关研究还比较少，也因此限制了它的使用范围。超疏水表面需具有低表面能的微纳结构，其判断标准为接触角位于区间[150°,180°]，滚动角位于区间[0°,10°]。本文试验研究了三种超疏水表面制备方法并分析了其耐腐蚀性和耐磨性能。本文首先采用化学刻蚀法对304不锈钢进行表面微纳结构的构建，以三氯化铁、磷酸、盐酸、过氧化氢配置成腐蚀液，探究腐蚀时间对其表面结构和接触角的影响，腐蚀时间为2-6min，间隔为1min。研究表明腐蚀后的样品表面为亲水表面。利用全氟癸基三乙氧基硅烷(PFDS)对上述的样品进行表面修饰以降低表面能，修饰时间为30min，然后测量接触角。实验结果表明腐蚀时间为5min时样品超疏水性最佳，此时样品的接触角为156°，滚动角为7.4°。实验进一步对腐蚀5min的样品进行耐腐蚀性能和耐磨性能的研究，超疏水样品的腐蚀速率为原始304不锈钢的1/8，耐腐蚀性能有所提升；但其表面的耐磨性较差，在1000#砂纸上对样品施加1kpa压强，摩擦距离达到10cm时就失去了超疏水性能。在化学刻蚀法的基础上，结合物理气相沉积法以求提高超疏水表面结构的耐磨性和耐腐蚀性能。选取以上述腐蚀液腐蚀5min的304不锈钢样品为基底，在其表面上通过磁控溅射法沉积不同时间的TiN-Ag薄膜，沉积时间为0.5-2h，间隔为0.5h。使用PFDS对镀膜后的样品进行表面修饰，修饰时间为30min，结果表明，仅沉积时间为0.5h的样品达到了超疏水效果，此时接触角为158°，滚动角为6.7°。实验进一步对该样品的耐腐蚀性能和耐磨性能进行分析，该样品的耐蚀性优于原始304不锈钢，腐蚀速率为原始不锈钢的1/10；在耐磨性测试中，摩擦距离超过20cm时，样品开始失去其超疏水性能，可见在不锈钢基底与PFDS中加一层TiN-Ag薄膜有利于提高样品的耐腐蚀与耐磨性能。在化学刻蚀法的基础上，在其表面涂覆纳米涂层以求提高超疏水表面的耐磨性和耐腐蚀性能。首先是纳米涂层的制备：利用PFDS对纳米SiO2粉末进行表面改性，主要是将PFDS与纳米SiO2粉末混合从而制成改性SiO2粉末，然后将改性SiO2与聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合制成SiO2/PDMS涂层，其中改性SiO2的用量分别为0、0.2、0.4、0.6和0.8g。同样以上述三氯化铁腐蚀液腐蚀5min的304不锈钢样品为基底，在其表面上涂覆制备好的具有不同改性SiO2含量的SiO2/PDMS涂层，研究改性SiO2含量对超疏水性能的影响。结果表明当改性SiO2浓度为8wt.%时，样品超疏水性能最佳，此时接触角为165°，滚动角为4.95°。对其进行耐腐蚀性进行研究，实验结果表明，此样品的耐蚀性能与原始304不锈钢相比有大幅度提高，其腐蚀速率为原始304不锈钢的1/100；在耐磨性测试中，当摩擦距离超过60cm时，样品开始逐渐失去超疏水性能，超疏水表面的耐磨性能较之前有了大幅度的提高。收起

关键词 : 超疏水表面化学刻蚀 304不锈钢耐磨性能