直流电弧等离子体区域电弧分布特征对自支撑金刚石膜性质的影响

直流电弧等离子体喷射法制备自支撑金刚石膜时,电弧区域可分为弧心、弧干和弧边三个区域.本文运用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、激光Raman光谱、正电子湮没寿命谱(PAL)和力学性能实验机研究了同一块自支撑金刚石膜不同区域的生长面形貌、晶体取向、内应力、空位缺陷和断裂强度.结果表明:随着与直流电弧等离子体弧心距离增加金刚石膜生长更稳定,(220)取向晶粒减少,平均空位缺陷减少,内应力和断裂强度呈现先增大后减小的趋势.     

在预涂陶瓷过渡层的多谱段ZnS衬底上沉积金刚石膜的探索研究

本文采用真空电子束蒸镀技术在多谱段ZnS衬底上沉积了适合金刚石膜沉积的致密陶瓷过渡层,并利用微波等离子体CVD金刚石膜低温沉积技术进行了金刚石膜沉积研究.发现在陶瓷过渡层上的金刚石形核极其困难,其原因可能是陶瓷涂层在沉积过程中龟裂导致ZnS蒸汽扩散逸出干扰金刚石形核所致.本文采用诱导形核技术在过渡层/ZnS试样表面观察到极高密度(1010/cm2)的金刚石形核,并对金刚石/过渡层/ZnS试样的红外透过特性进行了评价.     

硬质合金基体上钛过渡层碳化条件对金刚石薄膜附着力的影响

以WC-6;Co为基体,采用磁控溅射法,在酸蚀后进行氢等离子体脱碳试样上制备Ti过渡层,然后碳化过渡层为TiC.在电子辅助热丝化学气相沉积装置中制备金刚石薄膜.研究碳化条件对金刚石薄膜与基体附着力的影响.结果表明,在700℃左右的低温碳化,TiC结构致密,而在850℃左右的高温碳化,TiC呈疏松的多孔组织,在CH4-Ar等离子体中碳化则850℃左右仍能获得致密的TiC层.在致密的过渡层上沉积的金刚石薄膜具有更高的附着力.     

基于离子渗铌过渡层的金刚石刀具涂层结合性能研究

对含钴量10wt;的硬质合金刀片进行酸碱两步法预处理后采用双辉离子渗技术在表面渗铌过渡层,采用热丝化学气相沉积金刚石涂层.通过SEM、Raman等手段表征涂层形貌和质量,用压痕法检测膜基结合性能,研究了该预处理方法对金刚石生长及其结合性能的影响.结果表明,相比传统的过渡层制备方法,双辉离子渗技术具有更大的优势,铌过渡层填补了酸碱两步法产生的孔隙,在高温作用下向基体内部扩散并浸润WC颗粒,与基体结合紧密,减小了疏松层厚度,同时阻挡了Co的扩散,提高了形核密度并细化了金刚石晶粒,涂层质量和膜基结合性能得到改善.     

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。     

超高频连续感应钎焊金刚石界面特征

提出超高频连续感应钎焊工艺方法,采用Ag-Cu-Ti合金钎焊金刚石磨粒与大尺寸钢基体.通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDX)对钎焊后的试样界面微观结构以及金刚石磨粒表面生成物形貌特征进行观察和分析.结果表明,超高频连续感应钎焊实现了金刚石、钎料、基体三者之间的连接,钎焊后的钎料层组织晶粒细小,局部区域可见到枝晶状组织.金刚石与钎料层界面存在Ti元素与C元素的反应层,在金刚石磨粒表面生成点状TiC晶体,其直径均100 nm以下,且在金刚石表面呈离散分布.与真空炉中钎焊工艺相比,该界面结构更有利于钎料层对金刚石磨粒的连接把持.     

Ag-Cu-Ti/TiC复合钎料钎焊细粒度金刚石的研究

在Ag-Cu-Ti合金中加入一定量的TiC颗粒制成复合钎料,进行细粒度金刚石磨粒与45钢基体的真空钎焊实验.运用三维视频显微镜、扫描电镜和X射线衍射仪分析TiC颗粒、Ag-Cu-Ti合金和金刚石磨粒之间的结合界面.结果表明:TiC颗粒能有效降低试验工艺下Ag-Cu-Ti合金在基体表面的流动性和结晶时产生的隆起,复合钎料在基体表面分布更趋平整,有利于细粒度金刚石钎焊等高性的控制;适量TiC颗粒在结合剂层中的均匀分布,能显著细化结合剂层的显微组织;复合钎料中添加TiC颗粒在实现细粒度金刚石磨粒与钢基体钎焊连接的同时,有效抑制了钎料合金对细粒度金刚石磨粒过度浸润所造成切削刃的包裹,保证了细粒度金刚石磨粒良好的出露.     

基于电沉积过渡层沉积CVD金刚石薄膜的研究

在硬质合金的Cu、Ni、Cr电沉积过渡层上采用热丝CVD法沉积出金刚石薄膜.利用SEM和Raman对金刚石薄膜进行了研究,对影响膜基结合强度的因素进行了分析,利用压痕法对金刚石薄膜与基体的结合强度进行了检验.结果表明,在Cr过渡层上沉积的金刚石薄膜的质量和膜基结合性能较好,优于在Cu、Ni过渡层上沉积的金刚石薄膜的质量和膜基结合性能.     

四甲基硅烷流量对硬质合金表面沉积的SiC涂层的影响

采用强电流直流伸展电弧化学气相沉积(HCDCA CVD)技术,在Ar、H2和四甲基硅烷(TMS)先驱体组成的混合气体气氛下,在YG6硬质合金衬底表面沉积了SiC涂层.本文对不同TMS流量条件下制备的SiC涂层的沉积速率、表面形貌、化学成分、物相组成以及附着力进行了对比研究.在此基础上,实验选取表面连续致密且附着力良好的SiC涂层作为过渡层进行了金刚石涂层的沉积,并对金刚石涂层的形貌、质量以及附着力进行了表征.实验发现.随着TMS流量的增加,SiC涂层的沉积速率加快,连续和致密性逐渐改善,但其附着力明显降低.连续致密且附着力良好的SiC涂层作为过渡层,可以有效地抑制硬质合金中Co的扩散,消除Co在金刚石涂层沉积过程中的不利影响,获得附着力良好的纳米金刚石涂层.     

气相合成金刚石薄膜的成核习性研究

本文采用燃烧焰法观察金刚石薄膜的成核生长过程.分析了衬底表面刻划及油污处理等因素对金刚石成核的影响.观察到成核初期的金刚石不具有明显晶形,含有较高的石墨相.XRD谱表明:成核初期衬底表面形成非金刚石结构的过渡层.并提出了控制成核密度提高沉积质量的思想.     

偏压加强MPCVD法Ir(100)/MgO(100)基片上金刚石异质外延形核

利用自行研制的可调谐圆柱谐振腔式微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置的结构优势,设计了电极可调节的偏压加强MPCVD装置.采用脉冲激光沉积(PLD)法制备了Ir(100)/MgO (100)基片.采用偏压加强MPCVD装置进行了金刚石异质外延形核的探索,在Ir(100)/MgO (100)基片上实现了金刚石异质外延形核.扫描电镜结果显示,[100]取向的金字塔状外延金刚石晶粒的形核密度达108～109 cm-2.     

低温GaN形核层的形核速率对GaN外延薄膜晶体质量的影响

采用金属有机化学气相沉积方法系统研究了在蓝宝石衬底上低温GaN形核层的形核速率对GaN外延薄膜晶体质量的影响机理.利用高分辨X射线衍射仪、原子力显微镜、光致发光光谱和Hall测试仪表征材料的位错密度、表面形貌以及光、电学性能.研究结果表明随着形核速率的增加,GaN形核层更倾向于三维生长模式;当形核速率达到1.92(A)/s时退火后生成尺寸为100 nm宽、32 nm高的均匀形核岛,随后生长的未掺杂GaN外延薄膜层的螺型和刃型位错密度以及黄带峰强度达到最小值,并且其具有最高的载流子迁移率和最低的载流子浓度.     

机械球磨合金化CuSn/TiH2钎料真空钎焊金刚石研究

利用机械球磨法将Cu-Sn粉末和TiH2粉末进行合金化处理制备出了粒径细小、元素分布均匀的铜基钎料,并开展了其与金刚石的真空钎焊实验.实验结果表明:当钎焊温度为920℃,钎焊时间为12 min时,金刚石表面生成了一层连续、致密的TiC层,有效实现了金刚石的高强度把持;钎料层的相对密度可达到97.6;,组织致密,仅存在少许的微细孔洞;金刚石的热损伤很小,在切削过程中主要经历了小块破碎、大块破碎、磨平等正常磨损形态,很少出现整颗磨粒过早脱落的情况,金刚石利用率高.     

辅助方法对热丝CVD金刚石生长速率的影响

在热丝化学气相沉积金刚石系统中,通过双灯丝间的热阴极放电产生等离子体,对衬底施加正负偏压形成电子促进,比较分析了它们及其组合的各种辅助方法对金刚石生长速率的影响.结果表明,在以丙酮为碳源、灯丝总功率不变的情况下,等离子体可明显增强金刚石的生长,其生长速率约为纯热丝法的三倍;而正偏压对等离子体辅助沉积金刚石不仅没有增强形核作用,而且抑制金刚石的生长;电子促进法可以显著提高金刚石的成核密度,但并不能提高金刚石生长速率.     

不同衬底材料上金刚石薄膜成核特点的研究

研究了金刚石薄膜在WC-6;Co硬质合金、金属W和单晶Si片上的成核特点.实验结果表明,金刚石薄膜在上述衬底材料上的成核特点和成核机制不同.用于衬底研磨预处理的金刚石微粉粒度对金刚石在单晶Si片上的成核密度有较大影响,而对在WC-6;Co硬质合金和金属W上的成核密度没有太大影响.     

用有限元模拟的方法研究大面积自支撑金刚石膜沉积过程中的热应力

建立了没有过渡层和有过渡层的有限元模型,对大面积自支撑金刚石膜沉积过程中的热应力进行了研究.分别计算了在常用金属材料钼、钨、镍作衬底和用镀有钛过渡层的钼作衬底的情况下,膜/衬底间的热应力分布情况.模拟与实验的结果表明,在大面积自支撑金刚石膜沉积过程中,采用镀有钛过渡层的钼作衬底有利于热应力的释放,从而可能制备出高质量的大面积无裂纹金刚石膜.     

微波-熔盐热处理在金刚石表面镀Ti和TiC涂层

采用Ti和金刚石粉体,通过熔盐处理法在金刚石表面反应形成了Ti和TiC涂层,利用XRD、SEM 和EDS对涂层的化学组成、相组成和微观结构进行了分析和表征.结果表明:当选用金刚石粒度为170/200目时,在600~700 ℃,金刚石表面会形成致密的Ti涂层.在800 ~1000 ℃,得到Ti-TiC复合涂层,大部分TiC晶粒大小约0.8 μm,个别的TiC晶粒长大至7~11 μm;在1100 ℃,形成TiC涂层,TiC晶粒大小约1.5 μm.当金刚石的粒度降至5 μm,在1100 ℃热处理的产物中会形成大量含微量Cl元素的TiC纳米层状组织与虾骨状组织.     

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.     

Cu-32Mn-8Ti预合金粉末与金刚石颗粒的界面反应

采用自制Cu-32Mn-8Ti预合金粉末为粘合剂,在低真空钎焊条件下制备了金刚石复合材料.利用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪等研究预合金粉末与金刚石颗粒界面反应.结果表明,在试验条件下,胎体中的Ti原子向金刚石表面扩散,形成约为3～5μm的扩散层,并与金刚石颗粒表面的C发生化学反应生成TiC,呈非连续层片状分布于金刚石颗粒表面,实现了金刚石颗粒与金属的化学键结合.     

界面对热沉用金刚石-Cu复合材料热导率的影响

用特殊粉末冶金技术制备了金刚石-Cu复合材料.用SEM、拉曼光谱、EDS分析了复合材料的界面状态,用激光闪光法测量复合材料常温下的热导率.结果表明:在最佳工艺参数下,复合材料热导率可达570W·m-1·K-1;烧结时添加适量的钴可极大促进金刚石与铜之间的粘结;钴向金刚石中的扩散及其在铜熔液中的固溶,使金刚石与铜之间形成过渡层;过渡层可增强金刚石与铜基体过渡界面的相容性,降低界面热阻;金刚石骨架的形成有助于获得超高热导率.