金刚石涂层的纳米压痕力学性能研究

用HFCVD法在硬质合金刀具上制备了CVD金刚石涂层,利用纳米压痕仪研究了CVD金刚石涂层的硬度和弹性模量等力学性能.结果表明,反应室气压、衬底温度、反应气体中CH4含量、沉积时间等参数改变了CVD金刚石膜中sp2成分含量、晶界数量及晶界上缺陷,从而影响CVD金刚石涂层的纳米硬度和弹性模量.较高或较低的衬底温度都会导致硬质合金刀具上CVD金刚石涂层的纳米硬度、弹性模量降低;随着反应室气压、反应气体中CH4含量的增加,硬质合金刀具上CVD金刚石涂层的纳米硬度、弹性模量降低;沉积时间低于6 h时,沉积时间对硬质合金刀具上CVD金刚石涂层的纳米硬度、弹性模量影响显著,沉积时间超过6 h后,沉积时间对硬质合金刀具上CVD金刚石涂层的纳米硬度、弹性模量逐渐趋向稳定.     

EACVD摆动衬底空间流场有限元模拟研究

根据EACVD系统的实际几何特点和工艺参数建立了该系统的三维流场有限元模型,研究了衬底温度及摆动周期、热丝参数、进气口参数对衬底表面流场均匀性的影响.结果表明:衬底低速摆动情况下摆动周期的变化对衬底表面流场的分布没有影响,衬底温度,热丝参数,进气口参数对衬底表面流场都有一定的影响,其中,热丝的排列方式以及进气口气体流量对衬底表面流场的影响最大.最后,采用一组优化的沉积参数进行金刚石膜衬底表面流场的仿真计算,结果表明:采用优化的沉积参数可以使衬底表面气体流速和流场的均匀性都得到很大提高,此研究结果为制备高质量金刚石膜提供理论依据.     

硬质合金表面去钴和脱碳对金刚石薄膜粘结性能的影响

金刚石涂层的粘结性能是影响CVD金刚石薄膜涂层刀具使用寿命的关键因素.本文分别对硬质合金(YG6)表面进行酸蚀去钴和原位脱碳两种不同的预处理后,在热丝CVD系统中沉积金刚石薄膜,运用压痕试验评价金刚石薄膜与硬质合金基体的粘结性能.结果表明,经过原位脱碳预处理的硬质合金表面上金刚石涂层的粘结性能比酸蚀去钴法提高了近一倍;同时分析了硬质合金表面酸蚀去钴对金刚石薄膜粘结性能的影响及其剥离机制,并讨论了硬质合金表面原位脱碳的化学机制.     

模具法制备CVD金刚石热沉片的温度场与流场研究

本文通过有限元仿真研究了模具法制备CVD金刚石热沉片的温度场和流场,并对制备参数进行了优化.实验与仿真的结果均表明,进气量的大小对衬底附近流场的均匀性影响显著,热丝温度、热丝间距以及热丝到衬底的距离对衬底的平均温度影响显著,热丝间距和热丝温度对衬底温度的均匀性影响显著;模具法制备的CVD金刚石复制了模具型腔,保证了热沉片的结构完整性和尺寸精度,最终制备了精度较高的小型CVD金刚石热沉片.     

微波等离子化学气相沉积金刚石膜涂层氮化硅刀具

金刚石的成核和生长影响金刚石膜的质量.本文用自制的一种新型的不锈钢谐振腔型微波等离子CVD设备,等离子直径为76mm,均匀的温度分布使得金刚石膜均匀生长,在不同工艺条件下研究Si3N4陶瓷刀具上金刚石涂层的成核质量,用SEM,Raman检测和分析研究了在Si3N4刀具上高速高质量生长金刚石膜涂层的制备工艺,并检测了涂层刀具的切削性能,切削试验表明,在切削18wt;Si-Al合金时,金刚石涂层刀具比未涂层刀具的使用寿命增多10倍以上.     

大面积自支撑CVD金刚石厚膜的应力研究

在HFCVD系统中制备了直径为φ100 mm的自支撑CVD金刚石厚膜,利用XRD研究了自支撑CVD金刚石厚膜的应力.结果显示制备的大面积自支撑CVD金刚石厚膜处于较低的应力水平,应力分布较均匀,生长面应力状态为压应力,成核面应力状态为张应力.     

沉积温度对硬质合金表面MPCVD法制备SiC过渡层的影响

采用MPCVD法,以氢气和四甲基硅烷为先驱气体,YG6硬质合金刀片为基体材料,在不同沉积温度下制备了SiC涂层;并选用致密连续且附着性能优良的SiC涂层作为过渡层制备金刚石涂层.使用场发射扫描电镜、能谱仪和掠X射线衍射仪对SiC涂层和金刚石涂层的形貌和组成进行了分析,并对SiC涂层和金刚石涂层的附着力进行测试.结果表明,随着沉积温度升高,SiC涂层先由团聚在一起的β-SiC微晶相先转变为颗粒状和片状β-SiC,进而转变为团聚在一起的非晶态的SiC晶须;SiC涂层的厚度呈递增、致密度呈现先增强后减弱、表面粗糙度整体呈现先减小后增大、附着力呈先升高后降低的趋势.沉积温度为800℃时制备的片状SiC涂层与硬质合金基体有着良好的结合强度,将其作为过渡层时,能够在硬质合金表面制备出均匀、连续、致密的且附着力良好的金刚石涂层.     

硬质合金金刚石涂层工具基体真空渗硼预处理技术研究

研究了真空渗硼预处理硬质合金基体的表面组织、形貌、粗糙度,并在处理过的硬质合金基体上,用强电流直流伸展电弧等离子体CVD法沉积金刚石薄膜涂层.结果表明,真空渗硼预处理不仅可以有效地消除或控制钴在金刚石沉积时的不利影响,而且还显著粗化硬质合金基体表面.因此,提高了金刚石薄膜的质量和涂层的附着力,其临界载荷值达到1500N.     

W18Cr4V高速钢衬底CVD金刚石涂层沉积技术研究

研究了通过热丝CVD法在施加了Ni-P/Cu复合中间过渡层的W18Cr4V高速钢衬底表面进行金刚石涂层的沉积技术以及不同压力条件对沉积出的CVD金刚石涂层质量的影响.最后通过扫描电镜分别对Cu、Ni-P以及不同反应压力下沉积的金刚石涂层的表面形貌进行了检测分析,通过XRD、拉曼光谱仪、洛氏硬度仪对金刚石涂层性能进行检测分析.结果表明:Ni-P/Cu复合中间过渡层可以明显的抑制Fe、Co的催石墨化作用.在此基础上通过沉积参数的优化,在W18Cr4V高速钢衬底表面成功沉积出高质量的CVD金刚石涂层.压力为4 kPa条件下沉积的CVD金刚石涂层较5 kPa的金刚石颗粒晶型明显、分布致密.     

渗硼并两步处理硬质合金微晶金刚石涂层工具研究

研究了固体粉末渗硼并碱酸两步处理预处理硬质合金基体的表面组织、形貌、粗糙度,并在处理过的硬质合金基体上,用强电流直流伸展电弧等离子体CVD法沉积微晶金刚石薄膜涂层.进一步的涂层质量表征,附着力测试及切削实验研究结果表明,这种涂层质量高、附着力好(压痕测试临界载荷大于1500N).金刚石涂层工具的切削加工性能明显优于无涂层硬质合金工具.在加工ZAlSi12合金时,微晶金刚石涂层车刀片、铣刀片的切削寿命是无涂层车刀片、铣刀片切削寿命的32倍和26倍.     

氩气对直流弧光放电PCVD金刚石薄膜晶体特征的影响

本文采用自主研制的直流弧光放电等离子体CVD设备,在YG6硬质合金基体上进行了不同氩气流量下金刚石薄膜的制备研究.采用SEM对金刚石薄膜的晶体特征进行了观察.结果表明,氩气对直流弧光放电等离子体CVD金刚石薄膜的晶体特征有明显影响.在CH_4/H_2恒定时(0.8;),硬质合金基体上制备的金刚石薄膜表面形貌随Ar流量增加而变化的规律,即从以(111)八面体晶面为主→(111)和(100)立方八面体混杂晶面→以(100)立方体晶面为主→菜花状的顺序转变;当Ar流量为420～700 mL/min时,金刚石晶粒的平均尺寸由1.5 μm 逐步增大到7 μm;Ar流量为700～910 mL/min时,金刚石晶粒的平均尺寸由7 μm急剧减小到纳米尺度,约50 nm.     

硬质合金CVD金刚石涂层工具衬底前处理技术研究

本研究采用KOH:K3[Fe(CN)6]:H2O和H2SO4:H2O2两种溶液浸蚀硬质合金衬底,分别选择刻蚀WC和Co.并在浸蚀过的硬质合金衬底上,用强电流直流伸展电弧等离子体CVD法沉积金刚石涂层.研究表明,两步混合处理法不仅可以有效的去除硬质合金基体表面的钴,而且,还可显著粗化硬质合金衬底.因此,提高了金刚石薄膜的质量和涂层的附着力.     

高性能超细晶粒金刚石涂层刀具制备及试验研究

采用改进的预处理方法和变参数沉积工艺在硬质合金刀片上制备了超细晶粒金刚石薄膜涂层.通过玻璃纤维增强塑料的车削试验,研究了薄膜与基体之间的附着强度、涂层刀具的磨损和加工工件的表面粗糙度.试验结果表明改进的预处理方法能够有效增强金刚石薄膜与基体之间的附着强度;超细晶粒金刚石薄膜减小了刀具与工件之间的摩擦,降低了刀具磨损,并使加工表面的表面粗糙度显著降低;使用改进预处理方法和变参数沉积工艺制备的超细晶粒金刚石涂层刀具的寿命达到未涂层刀具寿命的8倍以上.     

CVD金刚石薄膜涂层衬底预处理方法

概述了CVD金刚石薄膜涂层衬底预处理的基本方法,并对一些主要方法作了评述.对于硬质合金类衬底预处理、铜衬底表面预处理、钢铁衬底表面预处理、硅表面预处理,提高膜基结合力的途径除有研磨、超声清洗、植晶、化学腐蚀、等离子体刻蚀、沉积中间过渡层等方法外,还有优化衬底形状、通过表面扩散感应促进成核等手段.     

Ti、V、Ni、Mo对CVD金刚石涂层形核影响

基于密度泛函理论,计算分析了CH₃基团在含有过渡金属元素Ti、V、Ni、Mo的孕镶金刚石颗粒硬质合金基底表面的吸附能、Mulliken电荷分布、电荷密度差和态密度(density of states, DOS)等一系列性质,研究Ti、V、Ni、Mo对孕镶金刚石颗粒硬质合金基底化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)金刚石涂层形核阶段的影响及其作用机理。计算结果表明:与CH₃基团在WC表面及金刚石表面的吸附相比,Ti、V、Ni、Mo与C原子间有较强的弱相互作用,这使得其对CH₃基团有更强的吸附能力(其中Ti>V>Mo>Ni);吸附能力大小与各原子的价电子结构相关,含有Ti元素的表面对CH₃的吸附最稳定;CH₃基团与Ni原子间更易发生电荷的转移形成共价键,Mo有利于促进CH₃基团的脱氢反应;形核阶段适当添加Ti、V、Ni、Mo这几种过渡金属元素将有利于增加形核密度,改善CVD金刚石膜基界面结合强度。     

直流电弧等离子喷射CVD中控制生长(111)晶面占优的金刚石膜

运用光发射谱(OES)技术对大功率直流电弧等离子喷射CVD金刚石膜的气相沉积环境进行了原位诊断,研究了气相环境中主要含碳基团的浓度及分布与沉积参数的关系,发现了C2基元比其他基元对沉积参数更加敏感.利用光发射谱对C2基元发射强度的监测,实时调控沉积各参数,在大功率直流电弧等离子喷射CVD中实现了(111)晶面占优的金刚石膜的可控生长,I(111)/I(220)XRD衍射峰强度的比值达48.     

热丝化学气相法生长单晶金刚石颗粒的衬底温度场仿真及实验研究

本文使用金刚石磨料作为晶种颗粒,通过热丝化学气相法生长出单晶金刚石颗粒,并且建立三维的有限元模型,利用有限元仿真分析了生长过程中影响金刚石磨料生长速率以及沉积质量的各种因素,如热丝的排列方式,衬底的温度场,以及晶种的分布方式.通过固定在热丝CVD反应腔里的热电偶测量了实际的衬底温度分布,从而验证了仿真结果的正确性.另外,通过改变仿真模型优化了沉积单晶金刚石颗粒的工艺参数,获得适应于合成单晶金刚石颗粒的新技术,为化学气相沉积合成单晶金刚石颗粒奠定了基础,也为高温高压金刚石磨料品级的改进与提高提供了新途径.