1、本文是采用雙層輝光離子滲金屬技術(shù)在純銅基材上發(fā)展新型實(shí)用的耐磨、耐氧化、耐腐蝕表面合金層的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。 以顯著提高純銅材料表面性能和服役壽命為目的，從保持純銅良好的傳導(dǎo)性能的實(shí)際需要出發(fā)，利用雙層輝光離子滲金屬技術(shù)在純銅基材上滲鈦、滲鎳，成功制備了Cu-Ti，Cu-Ni合金層，證實(shí)了雙層輝光離子滲金屬技術(shù)在純銅表面形成具有特定功能銅合金層的可行性。在大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，確定了最佳工藝參數(shù)范圍。同時(shí)結(jié)合SEM，EDS，XRD，

2、TEM等手段，對(duì)合金層的顯微組織形貌、相結(jié)構(gòu)組成、成分分布進(jìn)行了檢測(cè)分析，詳細(xì)研究了合金層形成過程、工藝參數(shù)的作用、擴(kuò)散機(jī)制、Cu-Ti合金層固溶時(shí)效硬化機(jī)理等。對(duì)Cu-Ti合金層高溫氧化性能、磨損性能，Cu-Ni合金層的電化學(xué)腐蝕性能及二者的表面阻抗性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與純銅作了對(duì)比分析。 工藝參數(shù)對(duì)合金層表面溶質(zhì)元素含量、溶質(zhì)元素沿合金層厚度方向的分布、合金層總厚度及組織形貌有顯著影響。氣壓在一定范圍內(nèi)，對(duì)工件溫升亦即對(duì)離子轟擊能

3、量的傳遞影響不大。在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，溫度升高，合金層總厚度增加，但Cu-Ti合金層表面鈦含量下降，而Cu-Ni合金層表面鎳含量升高。溫度不同，Cu-Ti合金層的組織形貌不同。采用掃描電鏡、X射線衍射和透射電鏡分析方法對(duì)Cu-Ti合金層的微觀組織結(jié)構(gòu)的綜合分析表明：在880℃溫度下，合金層組織主要由沉積層和擴(kuò)散層組成；在910℃、925℃和945℃溫度下，合金層組織由沉積層+熔合層+擴(kuò)散層構(gòu)成；而在965℃溫度下，合金層組織則由熔合層+擴(kuò)

4、散層構(gòu)成。Ti成分分布測(cè)定結(jié)果表明約20μm厚度的表層鈦含量較高。925℃和965℃兩種溫度下形成的合金層的組織結(jié)構(gòu)為CuTi+Cu4Ti+(Cu)固溶體，未發(fā)現(xiàn)有Cu3Ti2、Cu2Ti及CuTi2化合物。透射電鏡衍射花樣證實(shí)Cu4Ti為Ni4Mo型的D1a結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)工件溫度與源極電壓和工件電壓有關(guān)。在保證一定溫度的前提下，應(yīng)合理選擇氣壓、源極電壓和工件電壓。最佳氣壓選在25～40Pa為宜。源極電壓與工件電壓之比V源/V工＞2較為

5、合適。 根據(jù)Ar+離子在陰極位降區(qū)內(nèi)的分布規(guī)律建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果表明，Ar+離子平均能量值在雙層輝光離子滲金屬工藝條件下達(dá)102eV數(shù)量級(jí)，大于各常用合金元素的濺射閾值。這一能量范圍為欲滲合金元素活性粒子的產(chǎn)生提供了保證。同樣Ar+離子在工件負(fù)偏壓的作用下與工件表面原子碰撞，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，同時(shí)會(huì)發(fā)生濺射作用而形成點(diǎn)缺陷，其結(jié)果有利于沉積原子與工件原子的互擴(kuò)散而形成冶金結(jié)合層。轟擊亦會(huì)使工件溫度升高。溫度升高有利于沉積原子與工

6、件原子之間的互擴(kuò)散過程。由鈦在銅中的濃度曲線回歸方程計(jì)算結(jié)果表明，銅與鈦的互擴(kuò)散系數(shù)為～10-9cm2/s數(shù)量級(jí)，隨鈦含量的增加而增大，這與隨鈦濃度增大，Cu-Ti合金的熔點(diǎn)降低有關(guān)。鈦沿銅基體晶界的擴(kuò)散系數(shù)比晶內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 Cu-Ti合金層經(jīng)固溶時(shí)效處理后發(fā)現(xiàn)，固溶處理后截面組織出現(xiàn)層狀形貌，表明固溶后淬火的同時(shí)發(fā)生鈦元素的再分布。鈦含量一定的微區(qū)，經(jīng)固溶時(shí)效處理后發(fā)現(xiàn)顯微硬度出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象。第一個(gè)硬度峰值為調(diào)幅分解

7、同淬火位錯(cuò)的交互作用的結(jié)果，第二個(gè)峰值為有序相形成長(zhǎng)大阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起。隨時(shí)效溫度的升高，第一個(gè)峰值左移，表明調(diào)幅分解與位錯(cuò)的交互作用這一過程加快。而第二個(gè)峰值經(jīng)短時(shí)時(shí)效便可達(dá)到最大值，這與調(diào)幅組織的長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)有關(guān)。X射線衍射證明經(jīng)固溶時(shí)效處理后，Cu-Ti合金層表面組織結(jié)構(gòu)為CuTi+Cu4Ti+α固溶體。 氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，純銅滲鈦后可以改善銅的抗氧化性能。其原因在于表面高濃度Ti含量氧化后形成均勻的二氧化鈦膜，從而有效地降

8、低了氧原子在氧化膜中的擴(kuò)散速率，抑制了氧化膜生長(zhǎng)速度的急劇增大。Cu-Ti合金層的氧化增重與氧化時(shí)間滿足拋物線規(guī)律。拋物線速率常數(shù)k與合金含Ti量CTi，氧表面濃度Cs及擴(kuò)散系數(shù)Do之間滿足k2=CsDo/CTi，表面高濃度的CTi是降低拋物線速率k的主要原因。 顯微硬度測(cè)定與磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，純銅滲鈦后可使表面硬度、耐磨性大幅度提高。在磨損過程中，由于CuTi和Cu4Ti起到支承作用，軟基體α相被磨損后具有儲(chǔ)油作用，可以充分發(fā)

9、揮潤(rùn)滑的功效。從而使磨損失重隨著載荷的增加而增幅不大。 純銅雙層輝光離子滲鎳實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，滲鎳溫度選在950-1050℃較好。Cu-Ni合金層與銅基體結(jié)合良好，由表及里鎳含量呈梯度分布，金相組織逐漸由以鎳為基的固溶體過渡到以銅為基的固溶體。純銅雙層輝光離子滲鎳方法具有表面濃度高，效率高等優(yōu)點(diǎn)。 采用電化學(xué)方法對(duì)Cu-Ni合金層在1molHCl，10％HNO3，1molH2SO4溶液中的腐蝕性能測(cè)定結(jié)果表明：同純銅相比自腐

10、蝕電位、腐蝕電位均發(fā)生正移，腐蝕電流密度、腐蝕速率下降，即抗蝕能力提高，但腐蝕溶解行為差異很大，腐蝕機(jī)理不同。在1molHCl溶液中，純銅發(fā)生粉狀銹蝕，Cu-Ni合金層腐蝕形貌呈顆粒狀，雖然顆粒狀組織未能起到良好的保護(hù)作用，但降低了腐蝕速率，反映出純銅經(jīng)滲鎳處理后抗Cl-活化溶解能力有所提高。純銅及Cu-Ni合金層在10％HNO3溶液中的極化曲線表明，二者的腐蝕電位相近，且均不發(fā)生鈍化現(xiàn)象。溶解電流密度呈增加趨勢(shì)，但Cu-Ni合金層的增

11、加趨勢(shì)稍緩，說明耐蝕性略有提高。純銅表面呈現(xiàn)大面積均勻腐蝕，Cu-Ni合金層的腐蝕形貌為疏松粉狀銹。純銅經(jīng)滲鎳處理后在1molH2SO4溶液中的極化曲線呈典型的活化-鈍化特征。與純銅相比，其致鈍電位、致鈍電流密度、穩(wěn)鈍電位和維鈍電流密度均降低，且腐蝕電位正移，表明耐蝕能力增強(qiáng)。腐蝕形貌觀察發(fā)現(xiàn)，Cu-Ni合金層電化學(xué)腐蝕為程度不等的非均勻腐蝕，在合金層與基體的交界處發(fā)生嚴(yán)重的潰瘍狀腐蝕現(xiàn)象，在此部位存在局部腐蝕電流密度較大的可能性。