TiN/Si3N4纳米复合薄膜及其深孔狭缝表面附着强度的研究

着眼于TiSiN薄膜微观组织结构及其优化设计，掌握脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积制备ne_TiN/α-Si3N4纳米复合薄膜的原理和技术关键。探讨外表面和深孔狭缝内表面镀膜的组织性能差异及其制约机制。通过模拟样品和实物样品的对比分析，重点考察内表面镀膜的均匀性和附着强度，据此提出强韧性与附着性完美结合的TiSiN硬质薄膜类型及其应用于复杂型腔的示范模型。 2100433B

本课题首先通过纳米改性涂料中纳米颗粒种类、添加量、分散性等对涂层附着力影响规律的研究，以及基体表面粗糙度、固化温度与时间等涂覆工艺对附着力的影响规律，建立纳米改性涂料与金属附着力之间的关系；其次，通过对影响附着力的主要因素：界面形貌、涂层与基体的接触模式等界面物理以及纳米颗粒对界面结合状态影响等界面化学的研究，解明纳米改性涂料及其涂覆工艺与涂层附着力的关系。第三，通过对界面物理化学的研究，解明纳米颗粒对界面物理与化学的影响规律，从而揭示纳米改性高分子与金属的附着机理。通过上述研究，既能对纳米改性高分子涂料研究、应用方面提供理论依据，也有助于加深对添加纳米材料后非金属涂层与金属基体之间附着力这一共同问题的理解，推动纳米表面工程中基础问题：纳米材料覆层与基体的表面、界面问题；纳米材料在表面工程覆层制备动态过程中的化学、物理等过程；表面覆层中纳米材料与其它材料之间的协同效应等的研究。 2100433B

本项目主要针对缓解Si3N4/TiAl钎焊接头残余应力以及提高接头高温性能的需求，采用机械球磨的方法制备了纳米Si3N4增强的AgCuTi复合钎料(AgCuTic)，并采用该复合钎料成功实现了TiAl合金和Si3N4陶瓷的连接。Si3N4/AgCuTiC/TiAl钎焊接头典型界面结构为：TiAl/AlCu2Ti/Al4Cu9 TiN Ti5Si3 Ag(s,s)/TiN Ti5Si3/Si3N4。钎焊过程中，液相钎料中的Ti元素与纳米Si3N4反应形成了纳米尺寸的TiN和Ti5Si3颗粒，这些颗粒作为微米尺度Al4Cu9化合物的形核质点，使得钎缝中形成了微纳米颗粒增强的Ag基复合材料组织。复合钎料中增强相含量、钎焊温度、钎焊时间等工艺参数对接头界面结构和力学性能影响较大，当增强相含量为3 wt.%，钎焊温度为880°C，钎焊时间为5min时，接头室温及高温(400°C)抗剪强度最大分别为115MPa和156MPa，比采用AgCuTi钎料获得的接头强度提高一倍。本项目还研究了复合钎料使用对接头性能改善的原因，一方面复合钎缝中弥散分布的细颗粒TiN及Ti5Si3化合物作为第二相通过剪切滞后、位错强化及Orowan强化等方式强化了Ag基体，提高了钎缝性能；另一方面通过降低钎缝的热膨胀系数在一定程度上缓解了接头残余应力，从而提高了接头室温及高温性能。接头残余应力有限元模拟结果表明：复合材料的使用对接头的应力分布形式影响不大，但减小了残余应力分布区域以及应力峰值。X射线应力分析表明：增强相含量为3 wt.%时，Si3N4陶瓷表面压应力峰值降低70MPa左右，与模拟结果相吻合。除此之外，在本项目中纳米增强复合钎料也被应用于其它陶瓷与金属钎焊体系均有优良表现，可显著优化钎焊接头的界面组织并提高钎焊接头的力学性能。目前针对本项目已取得的一系列研究成果，共发表SCI期刊论文22篇，申请专利11项，两项授权。 2100433B