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《东北大学》 2008年
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激光与等离子体混合方法制备氮化钛的研究

于撼江  
【摘要】:氮化钛是一种新型多功能材料,广泛地用于制备金属陶瓷、切削工具、模具,熔炼金属用的坩埚、电触点和金属表面的被覆材料。制备氮化钛的方法很多,但在工业应用上它们存在着不同的局限性。因此,本文首次采用激光与等离子体混合氮化法(LPN)对工业纯钛进行了氮化处理。并对实验现象进行了合理的解释。 为了优化工艺参数,本文首先分别利用流体模型和蒙特卡罗方法对等离子体炬进行了计算机模拟。从伏安特性,流量与放电电压电流的关系,束流强度,火焰形状,振荡频率,离子数密度以及发射光谱等方面对其性能进行了研究。模拟结果与已知实验结果符合较好。从而预测出当放电电压U5.5kV(流体动力学)或U6kV(蒙特卡罗)时氮等离子体枪已能有效地为材料表面处理提供高能活性粒子。 在大气气氛中,采用LPN法对工业纯钛进行了氮化处理。并利用扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射(XRD)仪、显微硬度计等实验手段对近表面层的组织形貌、结构及化学成分进行了分析研究。结果表明:处理后的钛表面形成了氮化钛层,并且氮化后样品的表面硬度得到显著增强。相同处理工艺参数下,LPN方法不仅氮化效果优于普通的激光热氮气氮化方法,而且能有效的抑制样品氧化。论文中对激光功率密度、扫描速度以及氮等离子体流量等关键工艺参数对氮化效果的影响进行了研究和讨论。在合适的实验条件范围内,随着激光功率的增高,样品表面形成的氮化物含量线性增加,氮化层厚度增大,表面粗糙程度也有所增加;随着扫描速度的增加,氮化物含量二次方递减,氮化深度减小,但是扫描速度对样品表面的粗糙程度影响并不明显;氮等离子体流量对氮化效果也有明显的影响,当等离子体流量0.2m3/h时,样品表面不能形成氮化物;当等(?)体流量0.2m3/h时,随着流量的增加氮化物含量不断增加,当流量为0.8m3/h时,氮化达到饱和,氮化物含量不再增加。 为了了解LPN法制备的样品的高温时效性,在200℃-800℃范围内不同的温度下进行两小时退火实验。退火后,利用XRD、EPM等检测手段对样品进行了测试分析发现,当退火温度≤600℃时,样品中氮化物基本不会分解,只有当退火温度为800℃氮化物才被分解。其热稳定性优于采用物理气相沉积法或等离子体浸没离子注入法获得的氮化钛。 为了更深入的了解LPN法的工艺条件与样品的微结构、性能之间的相关性,采用了多种方法从理论上详细研究了实验过程。对连续激光对材料的辐射过程中的钛表面温度场进行了数学模拟。在温度场与激光扫描速度之间建立方程。并利用此方程得出了在钛表面实现氮化所需的最大扫描速度。在Fick第一定律基础上,考虑到激光与等离子体混合氮化过程中同时存在浓度梯度、温度梯度和氮的活性的影响,对Fick第一定律进行了修正,推导出了氮化过程中的扩散方程。并分别采用蒙特卡罗方法(MC)和分子动力学方法(MD)对LPN方法氮化钛表面的过程进行了计算机模拟。模拟建立在两体碰撞模型的基础上,又根据激光和等离子混合方法的特殊性,引入了温度因子和能量项。利用C语言按照模型描述编写了程序,使用该程序进行了蒙特卡罗模拟计算。在计算过程中通过改变激光功率密度,扫描速度,入射能量,入射角度等参数,获得了不同条件下氮元素在靶材钛中的分布情况,并与实验数据进行比较,两者结果基本一致。对实验过程的理论上的研究合理的解释了本论文中的实验现象,并预测出了在其它工艺条件下的氮化效果。 由于MC和MD需要结合适当的势能函数,本文建立了一个新的势能函数,Ti-N系统的(2NN) MEAM势。此时函数是在(2NN) MEAM框架内,基于Ti、N单质的(2NN)MEAM势,以NaCl型TiN为参考结构构造的。并利用此相互作用势,计算了一些Ti-N系统的物理性质,与实验或第一原理计算结果基本一致。
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