钛合金表面离子增强沉积陶瓷/金属多层膜的强韧化及微动疲劳机制研究

提高钛合金微动疲劳（FF）抗力是航空工业等领域的迫切需求，但因FF影响因素颇多，机理复杂， FF抗力难以解决的难点在于抗磨和提高疲劳强度的措施往往是矛盾的。本项目根据FF对材料表面强韧性能的要求，结合离子增强沉积和多层膜的特点，制备强韧性能合理配合的陶瓷/金属多层膜，达到提高钛合金FF抗力的目的。通过探讨离子增强沉积陶瓷/金属膜层的细晶强化、过固溶强化和多层膜界面、成分、物相、膜层调制周期、内应力在多层膜强韧化中的交互作用机制和规律，确定主导因素和有效的强韧化途径。探讨陶瓷/金属多层膜FF行为，澄清多层膜尺寸因素和界面效应对FF抗力的作用机制，揭示利用陶瓷/金属多层膜有效控制FF行为的机理。研究多层膜强韧性的合理评价方法，并用以指导抗FF多层膜的设计。

探讨了离子增强沉积陶瓷/金属多层膜的调制周期、调制比例、界面在多层膜强韧化中的交互作用机制和规律，确定了主导因素和有效的强韧化途径。研究了陶瓷/金属多层膜微动疲劳（FF）行为，揭示了利用陶瓷/金属多层膜控制钛合金FF行为的机理，主要工作和取得的研究结果如下：.（1）通过动态（小能量多次冲击、小能量循环压压）评价方法的对比研究，建立了合理的陶瓷/金属多层膜强韧性能评价与表征方法。多层膜的韧性、结合强度、内聚强度等力学性能与多层膜的调制周期、膜层制备工艺方法等密切相关。当TiN/Ti多层膜调制周期小于600nm时，其内聚强度、韧性及多冲动态承载能力均高于TiN单层膜。.（2）由于不同调制周期的TiN/Ti多层膜具有良好的抗磨损性能，以及多层膜界面对裂纹扩展方向的偏折和对裂纹扩展驱动力的降低作用，显著提高了钛合金FF抗力。TiN/Ti多层膜提高钛合金FF抗力的效果随多层膜调制周期呈非单调变化趋势，其中调制周期为200nm的TiN/Ti多层膜提高钛合金的FF抗力最为显著，这与多层膜的强韧综合性能及高的耐磨性能有直接的联系。.（3）研究了离子增强轰击能量对TiN/Ti多层膜性能的影响，结果表明，采用离子增强沉积能够明显改善膜层与基体间的结合强度。轰击能量从0V增加到850V 时，膜基结合强度逐步增强，多层膜硬度随之增高，膜层的强韧综合性能也依次增强，摩擦因数降低，摩擦学性能得到改善，TiN/Ti多层膜对钛合金基材FF抗力的提高作用更加明显。.（4）调制比例强烈影响着多层膜的硬度、强韧性和摩擦学性能。调制比例为1:3、1:1 和3:1的TiN/Ti多层膜的硬度随TiN调制比例的增大而增高，但韧性变化规律与之相反，摩擦因数也随TiN调制比例增大而减小。TiN层调制比例较小时，TiN/Ti多层膜的FF抗力随TiN调制比例的增加而提高；当TiN层调制比例增大到一定数值后，TiN/Ti多层膜的微动疲劳抗力则随TiN调制比例的增加而降低。.（5）相同调制周期的TiN/Ti多层膜FF寿命位随移幅度或接触压力增大呈现非单调变化规律，原因是位移幅度或接触压力变化影响疲劳和磨损在FF过程中所占权重，进而影响FF裂纹萌生几率和扩展驱动力，由此导致FF寿命随位移幅度或接触压力增大呈现非单调变化规律。