【摘 要】
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随着技术的发展钛合金逐渐由结构件向运动件扩展,如人工骨关节、齿轮和活塞等,这对其表面性能（摩擦和硬度等）提出了更高的要求。类金刚石（DLC）薄膜是集高硬度和低摩擦系数为一体的材料,钛合金表面沉积DLC薄膜可以有效提高其表面性能。然而,DLC薄膜与钛合金的力学性能差异较大、结合性差、且易脱落,引入典型过渡层（Si、Ti和Cr）是解决此问题最有效的方法之一,但其中微观机制不明晰,同时,钛合金表面易氧化
【基金项目】
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本国家自然科学基金（51505050、51805063）; 重庆市材料表面与界面重点实验室（KFJJ2007）; 重庆市教委科技研究计划（KJQN201801134）; 重庆基础研究与前沿技术研究项目（cstc2019jsc-fxyd X0046）
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随着技术的发展钛合金逐渐由结构件向运动件扩展,如人工骨关节、齿轮和活塞等,这对其表面性能（摩擦和硬度等）提出了更高的要求。类金刚石（DLC）薄膜是集高硬度和低摩擦系数为一体的材料,钛合金表面沉积DLC薄膜可以有效提高其表面性能。然而,DLC薄膜与钛合金的力学性能差异较大、结合性差、且易脱落,引入典型过渡层（Si、Ti和Cr）是解决此问题最有效的方法之一,但其中微观机制不明晰,同时,钛合金表面易氧化,氧化对钛合金/过渡层界面微观特性影响尚未被报道。本文利用第一性原理方法研究了钛合金（氧化与未氧化）/典型过渡层（Si、Ti、Cr）/DLC薄膜的界面结合机理以及失效机理,得到了如下结论:（1）未氧化钛合金/（Si、Ti、Cr）过渡层/DLC附着力研究表明:当过渡层为Si时,钛合金/Si过渡层界面抗拉强度低于Si/DLC界面,抗拉强度分别为19.93 GPa和23.09GPa;当过渡层为Ti时,钛合金/Ti过渡层界面抗拉强度高于Ti过渡层/DLC界面,抗拉强度分别为24.49 GPa和21.61 GPa;当过渡层为Cr时,钛合金/Cr过渡层界面抗拉强度低于Cr过渡层/DLC界面,抗拉强度分别为21.83 GPa和43.80 GPa。（2）氧化钛合金/（Si、Ti、Cr）过渡层/DLC附着力研究结果表明:当过渡层为Si时,钛合金/Si过渡层界面抗拉强度低于Si/DLC界面,抗拉强度分别为18.75 GPa和23.09 GPa;当过渡层为Ti时,钛合金/Ti过渡层界面抗拉强度低于Ti过渡层/DLC界面,抗拉强度分别为9.32 GPa和21.61 GPa;当过渡层为Cr时,钛合金/Cr过渡层界面抗拉强度低于Cr过渡层/DLC界面,抗拉强度分别为12.92 GPa和43.80 GPa。（3）对比钛合金未氧化与氧化/（Si、Ti、Cr）过渡层附着力结果表明:钛合金氧化后不利于钛合金与过渡层结合力的提升。在整体的钛合金未氧化与氧化/（Si、Ti、Cr）过渡层/DLC的界面中,钛合金未被氧化,钛合金/Cr过渡层/DLC界面结合力提升最高;钛合金氧化后,钛合金/Si过渡层/DLC界面结合力最强。（4）对钛合金未氧化与氧化/（Si、Ti、Cr）过渡层界面电子结构分析表明:钛合金未被氧化时内部是金属键,由于钛合金内部的金属键有较多的电子在原子间分布,钛合金与过渡层形成界面后受到的削弱较小,所以界面结合强度相对较高。钛合金氧化后形成的Ti O2内部为离子键,与过渡层形成界面时界面键总是强键（与O相关的离子键或者共价键）,当界面形成强键时会掠夺周围的电子,导致Ti O2内部化学键被削弱,引起界面结合强度降低,拉伸时断裂发生在Ti O2内部。（5）对钛合金未氧化与氧化/（Si、Ti、Cr）过渡层/DLC界面原子和电子结构分析表明:Cr过渡层对未氧化钛合金/过渡层/DLC界面结合力提升最好,原因在于钛合金/Cr界面强化学键对钛合金强度削弱最小,且Cr过渡层抗拉强度大于Ti过渡层;Si过渡层对氧化钛合金/过渡层/DLC界面结合力提升最大,原因在于Si原子与Ti O2表面的O原子的堆叠方式不同于与Ti和Cr,界面间距更大,界面成键对Ti O2的内部键削弱强度和范围更小,导致Ti O2内部键较强。
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