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共注入共沉积金属材料表面改性及其纳米镶嵌结构的研究

易仲珍  
【摘要】:本论文是利用MEVVA源离子注入机和沉积设备,首次采用金属与碳离子及金属与金属离子共注入和共沉积新方法,对H13钢和不锈钢进行合成表面改性优化层和陶瓷层的研究。本研究探讨了共注入和共沉积的特点和表面优化机理,分析研究了纳米镶嵌结构对金属材料表面改性的影响,以及热原子化学效应对共注入表面改性的作用。利用改进了的阴极,成功地对H13钢和不锈钢进行了共注入和共沉积,使得两种以上元素同时注入或沉积成为现实,为离子束表面改性技术开辟一条新路。 首次采用共注入方法研究了金属材料表面改性的效果。本实验选用了C+Me和Cr+Me两大系列阴极材料共注入H13钢和不锈钢基体材料中。结果表明:C+Ti和C+Mo系列共注入H13钢和不锈钢后,有效地提高了这两种材料的表面硬度和耐磨性能,同时材料表面的耐腐蚀性能也得到了明显改善,其中,C+Ti共注入系列表现出更好的材料表面改性效果;Cr+Ti和Cr+Mo系列共注入不锈钢中,同样有效地提高了样品表面的显微硬度和抗磨损能力,也提高了不锈钢表面的耐腐蚀性能,此系列中,Cr+Ti共注入更有利于改善不锈钢表面的耐酸蚀性能,而Cr+Mo共注入对改善不锈钢表面的耐点蚀行为更有效。 采用X射线衍射和透射电镜分析方法对共注入层的微观组织结构进行了综合分析,结果表明:共注入后,在注入层内生成了多种新相,这些新相主要是合金相、碳化物和陶瓷相,它们以纳米量级的尺寸均匀地弥散在注入改性层内,使得基体材料中的表面结构发生变化。正由于这种表面结构的变化,尤其是纳米级陶瓷相的镶嵌作用,使得注入层硬化,表面硬度和抗磨损特性明显提高,同时显著地改善了注入层的抗腐蚀特性。 首次对共注入过程中的热原子化学效应进行了研究和分析。采用俄歇电子能谱分析方法研究了C+Ti共注入系列注入层内元素的浓度分布,发现共注入层内碳原子的浓度分布大大高于理论计算值,且高于C原子单注入和Ti+C原子双注入样品内的C原子浓度(俄歇测试结果)。研究结果表明,这是由于共注入过程中产生了比双注入和单注入过程中更强的热原子化学效应所导致的结果。 本文首次采用磁过滤MEVVA源进行了Ti+C+N共沉积实验。Ti+C+N共沉积于H13钢后,其表面形成了均匀而致密的陶瓷膜,这层陶瓷膜的形成极大地提高了H13钢表


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