新型CVD金刚石涂层刀具铣削高性能各向同性石墨研究

利用自主研发的新型CVD金刚石复合涂层刀具对自行研制的高密高强各向同性石墨材料进行了铣削加工试验,对比测试了新型CVD金刚石复合涂层刀具与PCD刀具的切削性能。试验结果表明,PCD刀具铣削加工25min其后刀面磨损已超过磨钝标准0.3 mm,新型CVD金刚石复合涂层刀具加工到45 min时,其后刀面磨损量仅为0.25 mm,这说明新型CVD金刚石复合涂层刀具高速铣削石墨时表现出良好的耐磨性和使用寿命,可以适应高性能各向同性石墨的加工需求。铣削加工试验还发现新型CVD金刚石复合涂层刀具加工的石墨表面质量在初期不如PCD刀具,但在更长时间加工情况下,其加工表面质量优于PCD刀具。

MPCVD金刚石涂层均匀性生长的数值模拟与实验

基于多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics的微波等离子体模块建立MPCVD反应腔内氢气等离子体的仿真模型,研究基底外侧增设的环状钼支架与基底的不同高度差Δh对基底表面等离子体分布的影响。采用变异系数对等离子体分布的均匀性进行定量分析,并用SEM对金刚石涂层表面的微观形貌进行表征。结果表明:当Δh=0 mm时,等离子体分布的均匀性最佳,变异系数为3.998%,金刚石涂层的晶粒分布及大小的均匀性相较于无钼支架时的明显提升;当Δh<0 mm时,等离子体分布的均匀性随Δh增大而提升,变异系数由10.265%降至3.998%;当Δh>0 mm时,等离子体分布的均匀性不增反降,变异系数升高至10.048%。此外,当Δh=−2.0 mm时,基底表面的等离子体密度约下降20%,不利于金刚石涂层生长。

C-H-F氛围下金刚石薄膜的低温CVD生长过程分析

基于第一性原理的密度泛函理论对C-H-F氛围下低温CVD金刚石薄膜的生长过程进行仿真分析,计算H、F原子在氢终止金刚石表面发生萃取反应的吸附能、反应热与反应能垒,并分析CF_(3)、CF_(2)、CF 3种生长基团在带有活性位点基底上的吸附。结果表明:与H原子相比,F原子更容易在氢终止金刚石表面萃出H,并以HF形式脱附,且在C-H-F氛围下有利于在低温时产生更多的活性位点;CF_(3)、CF_(2)、CF基团在吸附后的结构和吸附能绝对值都更有利于金刚石相的生成,适当提高CF_(3)、CF_(2)、CF基团的浓度有助于实现金刚石相的更高速率生长。

Si3N4工程陶瓷基底金刚石涂层生长规律及性能

为了避免氮化硅材料因产生裂纹或延伸破裂等造成的失效,利用热丝化学气相沉积法(Hot filament chemical vapor deposition,HFCVD)在氮化硅基底上沉积具有高硬度的金刚石涂层,采用单因素影响试验,分别探究碳源浓度、腔室压力、基底温度对金刚石成膜过程的影响机制,探究微米和纳米金刚石涂层的最优生长工艺参数。利用拉曼光谱仪(Raman)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对不同参数制备出的金刚石的形核、表面形貌、薄膜质量、表面粗糙度等进行表征,利用洛氏硬度计分析膜基结合力。结果表明,腔室压力越大,活性物质到达基底的动能越小,不利于金刚石的成核和生长。生长速率和表面粗糙度主要受甲烷浓度的影响:甲烷浓度从1%到7%,生长速率从0.84μm/h上升到1.32μm/h;表面粗糙度Ra从53.4 nm降低到23.5 nm;甲烷浓度过高导致涂层脱落严重,膜基结合力变差;晶面形貌和金刚石含量受到基底温度的影响较为明显,随着温度升高,金刚石质量提高。综合基底温度、腔室压力对金刚石涂层的影响,确定最佳生长温度为900℃,气压为1 kPa。调节甲烷浓度1%为微米金刚石;甲烷浓度5%为纳米金刚石。研究方法可以优化在陶瓷基底上制备具有优异性能的金刚石薄膜的制备参数。

基于EWT-KLD的机械密封金刚石涂层磨损声发射降噪

为了准确获得机械密封金刚石涂层在磨损过程的声发射信号,在分析机械密封设备的噪声特性基础上,提出了基于经验小波变换(EWT)和相对熵(KLD)的声发射降噪方法;通过对磨损声发射信号进行经验小波变换得到划分其频带的滤波器组,对磨损声发射信号和背景噪声发射信号用相同的滤波器组划分频带;计算相应频带2种信号的相对熵,用累计和算法在升序排列的相对熵中找到首个大于3σ的值作为阈值,保留相对熵值大于阈值的频带重构信号,完成降噪.研究结果表明:本文所提的EWT-KLD方法可以有效抑制不同工况、不同磨损状态的声发射信号的噪声,有效改善了磨损声发射信号的信噪比,尤其是微弱磨损信号的信噪比,提高了密封端面磨损声发射检测的精度和灵敏度;通过与传统降噪方法的对比发现,本文方法能够对不同工况下的密封磨损声发射信号降噪表现出更强的适应性和稳定性,对于及时检测早期密封磨损和准确监测磨损累积变化过程具有重要意义.

电泳共沉积法制备金刚石/Al_(2)O_(3)/玻璃复合涂层的工艺

以304不锈钢为基体,采用电泳共沉积法制备复合涂层,并通过烧结方式实现涂层在基体的固化。研究电泳共沉积过程中不同悬浮液组成、沉积电压、沉积时间和Al^(3+)质量分数等因素对涂层性能的影响,对涂层进行微观结构表征和力学性能测试,并使用该工艺制备抛光盘,用于蓝宝石的抛光。结果表明:当沉积电压为50 V,沉积时间为6 min,添加质量分数为0.10%的Al^(3+)时,可获得光滑、均匀的金刚石/Al_(2)O_(3)/玻璃复合涂层;复合涂层经450℃烧结3 h后,表面致密均匀,硬度达521 HV,复合涂层的耐磨性、与基体的结合强度均良好;使用抛光盘对蓝宝石进行抛光,可将表面粗糙度降低90.2%。

CVD金刚石纳秒激光烧蚀机理及抛光试验研究(内封面文章·特邀)

通过有限元仿真研究了激光入射角度对纳秒激光烧蚀CVD金刚石的表面创成过程影响,并结合纳秒激光烧蚀CVD金刚石的试验,探究了激光功率、激光入射倾角与光斑重叠率等参数对CVD金刚石表面形貌及表面粗糙度的影响,分析了表面损伤的形成机理。在一定激光功率下,激光入射倾角增大会明显减轻加工表面的陷光效应,从而获得更加均匀的表面形貌。激光烧蚀CVD金刚石表面以沟槽、裂纹等为主要表面损伤特征,通过优化激光加工参数抑制了材料的表面损伤,降低了材料的表面粗糙度数值,实现了基于纳秒激光入射角度和扫描轨迹控制的CVD金刚石均匀抛光去除。

纺织钢领用类金刚石涂层在不同温度下的摩擦性能

为研究纺织钢领用类金刚石(DLC)的高温摩擦磨损机制,采用磁控阴极弧增强磁控溅射法在20号钢(20#)表面沉积得到掺杂Cr元素的DLC样品。借助扫描电子显微镜观察DLC样品的表面形貌;通过X射线衍射仪、能量色散谱仪和拉曼光谱仪分析DLC样品的结构成分;使用纳米压痕试验机测试涂层的力学性能。利用高温摩擦磨损试验机测试涂层在不同温度下(25、100、200、300℃)的摩擦性能,并结合仿真分析钢领的受力对摩擦过程的影响。结果表明:20#和20#-DLC 2种试样的平均摩擦因数随着温度上升呈先上升后下降的趋势;20#试样在300℃下生成氧化物,大量的氧化物形成附着层,平均摩擦因数降低到0.54;20#-DLC试样在温度为200℃和300℃时发生石墨化,形成以碳元素为主的转移层,转移层替代附着层存在,摩擦由涂层-附着层转变为涂层-转移层,平均摩擦因数由0.145降至为0.107。通过仿真分析得出,沉积DLC后的钢领在实际运行中所受的最大应力值和最大变形量分别为4.20×108 Pa和9.69×10-3 mm。

类金刚石碳基涂层热稳定性研究进展

类金刚石碳基(Diamond-like Carbon,DLC)涂层性能优异,前景广阔,但热稳定性不足制约了DLC涂层在严苛高温工况下的应用。首先,综述了DLC涂层热稳定性研究方法的发展现状,对比了热处理结合非原位测试、热分析、高温原位测试、模拟计算4种常用研究方法的优劣势。其次,归纳总结了组分、制备方法和退火环境对DLC涂层热稳定性的影响过程和作用机制,发现高sp^(3)含量的无氢DLC涂层呈现出最优异的热稳定性。而不同制备方法通过影响涂层结构、sp^(3)含量、氢含量获得热稳定性各异的DLC涂层。另外,涂层在真空及惰性气体环境中的热稳定性比含氧环境更好。通过异质第三元素掺杂、多层结构、梯度结构,可进一步提高DLC涂层热力学性能。其中,元素掺杂通过改变DLC组分和键态结构,实现对涂层热稳定性的调控;而多层及梯度结构设计主要通过降低涂层应力,突破厚膜关键制备技术,进而提高涂层热稳定性。结合涂层微结构的演变规律,进一步从涂层自身石墨化、氧化、脱氢和剥落行为,阐述了DLC涂层的高温失效机理。最后,对设计和发展DLC高温防护涂层材料技术的共性挑战和未来趋势做了分析展望。

Ni-P/金刚石超硬复合涂层制备及其性能研究

【目的】解决Ni-P复合涂层本身硬度较低的问题。【方法】选择添加金刚石微粉制备Ni-P/金刚石复合涂层。首先通过正交试验得到了制备Ni-P/金刚石复合涂层的最佳工艺参数,其次通过单因素试验研究了各工艺参数对复合涂层力学性能的影响,最后通过SEM,XRD,EDS对最佳工艺参数下的复合涂层进行表征。【结果】根据试验成功计算出最佳工艺参数。【结论】制备Ni-P/金刚石复合涂层的最佳工艺参数为电流密度4 A/dm2、金刚石浓度5 g/L、搅拌速度150 r/min、镀液温度60℃,研究了各工艺参数对复合涂层力学性能的影响。

不同电流密度下电沉积金刚石增强镍基复合涂层的微观结构与耐磨性能

采用电沉积技术在1,2,5,10 A·dm^(-2)电流密度下制备金刚石增强镍基复合涂层,研究了复合涂层的微观结构和耐磨性能;通过COMSOL软件对阴极表面镍晶粒生长情况进行仿真,分析了不同电流密度下金刚石颗粒对复合涂层微观结构的优化作用。结果表明:在1,2 A·dm^(-2)电流密度下复合涂层的结构致密均匀,金刚石含量较多,随着电流密度的增大,金刚石含量减少,涂层表面出现金字塔结构;复合涂层呈现出明显的[200]丝织构,随着电流密度的减小,织构强度降低,晶粒尺寸减小。小电流密度下更多金刚石颗粒的沉积阻碍了其底部镍晶粒的生长,且金刚石颗粒周边较高的电流密度使得金刚石对镍晶粒的细化作用加强。在干摩擦的条件下,随着电流密度的增大,复合涂层的稳定摩擦因数和磨痕尺寸增大,磨粒磨损程度增大,耐磨性能降低;当电流密度为1 A·dm^(-2)时,复合涂层的稳定摩擦因数最小,磨痕深度和宽度最小,耐磨性能最好。

新型多梯度类金刚石涂层生长及表征

在Cr12MoV表面沉积Cr/Cr-WC/WC-H/ta-C:H多梯度涂层。通过扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、X射线光电子能谱对多梯度涂层微结构进行表征,运用纳米压痕仪、纳米划痕测试仪及球盘式摩擦计对其力学性能进行了研究。结果表明,与未沉积涂层的Cr12MoV相比,Cr/Cr-WC/WC-H/ta-C:H多梯度涂层的摩擦系数约为其10%,最低可达0.019。Cr/Cr-WC/WC-H/ta-C:H多梯度类金刚石涂层的硬度最高达24.1 GPa,附着力为62 N。设计新型多层梯度涂层引入的高润滑性非晶碳和硬支撑WC层,抑制了裂纹扩展,显著地提高了Cr12MoV的力学性能。此外,电化学腐蚀试验表明,Cr/Cr-WC/WC-H/ta-C:H多梯度涂层在3.5%NaCl溶液中有着良好的耐腐蚀性能。

硬质合金基体表面金刚石涂层韧性与热稳定性研究进展

硬质合金因具有较高硬度、强度与韧性等综合优势而成为重要的切削工具材料,通过在硬质合金表面进行涂层可以延长使用寿命。金刚石涂层由于具有极高硬度、耐磨性、高热导率和低热膨胀系数,成为加工碳纤维复合材料、石墨和陶瓷等材料的首选。然而,低韧性是限制硬质合金基体表面金刚石涂层进一步应用的主要缺点。同时,高热稳定性是硬质合金基体表面金刚石涂层在高速高温切削条件下稳定服役的关键。本文基于硬质合金基体表面金刚石涂层的结构与成分设计的研究现状,重点综述了多层及梯度金刚石涂层设计对其韧性及相关性能的影响及机理,就提升金刚石涂层热稳定性的策略与增强机理进行分析。综述了金刚石涂层制备工艺,并对准确评价金刚石涂层断裂韧性及热稳定性的实验方法进行总结,旨在寻找“硬而韧”且具有高热稳定性的硬质合金基体表面金刚石涂层设计方法,以有效提升切削工具使用性能。

通过Ti-Si-C体系热爆反应在金刚石颗粒表面溅射镀覆实现涂层

提出一种涂覆金刚石颗粒的新方法。即利用热爆反应产生的高温,诱发热爆试样中易挥发物质升华,并沉积到金刚石颗粒的表面。以Ti-Si-C体系进行热爆反应为例进行研究。结果表明,热爆反应所产生的高温会诱发大量Ti挥发。Ti沉积到金刚石颗粒的表面,同时与金刚石颗粒表面的C元素反应,形成TiC。最终,在金刚石颗粒表面涂覆Ti-TiC复合涂层。

Ni60/金刚石复合涂层激光熔覆粉末空间行为与成形分析

采用同轴送粉激光熔覆技术在Q235钢基体上制备Ni60/金刚石复合涂层,借助高速摄像设备对Ni60/金刚石复合粉末的空间行为进行研究,并使用高速摄像、拉曼光谱、体式显微镜和扫描电镜等设备对粉末行为和涂层形貌进行分析。重点研究了激光功率对金刚石石墨化程度、熔池大小、涂层完整性和热影响区大小的影响。研究表明:根据受到激光辐照程度,粉末颗粒可分为三种状态,在强烈辐照下的高亮状态、在较弱辐照下的低亮度状态和几乎未受到辐照的黑色原始状态。在激光辐照作用下Ni60粉末颗粒被点亮的数量远大于金刚石粉末颗粒。Ni60粉末颗粒在被点亮后保持与原始状态相同的球形形态,金刚石颗粒被点亮后同时存在不规则形态与球形形态。金刚石的石墨化程度随着激光功率的增加而增加,当激光功率为1.0 kW时,涂层具有较好的成形质量。

金刚石耐磨涂层在水轮机叶片上的应用研究进展

水轮机中的过流部件,如水轮机叶片的磨损是影响水轮机性能和寿命的重要因素之一。为了克服水轮机叶片在工作过程中出现的气蚀、冲蚀磨损损伤,解决水轮机叶片表面金属流失造成的效率低和寿命短等问题,提高水轮机叶片的耐磨性能,研究者们采用了不同的方法,其中包括表面涂层技术。文章综述了水轮机叶片的磨损机理与金刚石涂层的相关研究,并对金刚石涂层在水轮机叶片上的应用进行了展望。

等离子体渗硼对硬质合金表面金刚石涂层的影响

采用热丝化学气相沉积法在等离子体渗硼预处理后的硬质合金表面沉积金刚石涂层,利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪及洛氏硬度计探究预处理过程对金刚石涂层生长质量和结合性能的影响。结果表明:随等离子体渗硼温度升高,基体表面生成的CoWB含量增加,且WC脱碳还原为W。等离子体轰击使基体表面缺陷密度增大,能提高金刚石的形核速率,CoWB钝化层和W过渡层可抑制Co原子扩散,提高金刚石的生长质量。相较于酸碱两步法处理,经过等离子体渗硼处理的硬质合金表面金刚石涂层中石墨相含量明显减少,残余应力随等离子体渗硼温度升高而降低。石墨相含量的减少和残余应力的降低提高了金刚石涂层与硬质合金基体之间的结合性能,1000℃预处理的硬质合金表面金刚石涂层的结合力等级可达HF1水平。

热爆反应在金刚石表面快速形成TiC涂层

分别采用Ti/碳黑/diamond和Ti/碳黑/PTFE/diamond粉体为原料,通过热爆反应在金刚石颗粒表面形成以TiC为主的涂层,研究原料中金刚石含量及添加PTFE对金刚石表面TiC涂层的影响。结果表明:2种体系的原料热爆反应后基体的组成为TiC。Ti/碳黑/diamond体系中,当原料中金刚石质量分数为10%~30%时,反应后的金刚石表面均实现良好的TiC涂层涂覆。在Ti/碳黑/PTFE/diamond体系中,当原料中添加质量分数为3%的PTFE并减少原料中碳黑的质量分数时,可明显促进金刚石表面的TiC涂覆;且当原料中金刚石质量分数为80%~90%时,仍可使金刚石颗粒表面实现良好的TiC涂覆。

纺织钢领用类金刚石涂层的高温摩擦性能分析

为了研究纺织钢领用类金刚石涂层(DLC)的高温摩擦性能,采用低温PVD涂层技术在高碳钢表面沉积制备DLC涂层。借助扫描电镜观察DLC涂层的表面形貌;通过X射线光电子能谱仪测试、能谱仪和拉曼光谱仪分析DLC涂层的结构成分;使用划痕试验机测试涂层的力学性能。利用高温摩擦磨损试验机测试涂层在不同温度下的摩擦性能。结果表明:GCr15试样与钢球配副的平均摩擦系数随着温度的升高而增大,最大值达到0.88。其中,钢球配副的磨损体积呈现出相同的变化趋势,最大磨损体积为2.88×10^(−3)mm^(3)。沉积DLC涂层之后,摩擦副的平均摩擦系数表现出先增大后降低的趋势。当测试温度为25℃时,涂层试样平均摩擦系数为0.033,且钢球磨损体积最低达到3.87×10^(−6)mm^(3);测试温度上升至100℃时,平均摩擦系数值增大至0.212;随着测试温度进一步升高,平均摩擦系数降低至0.088。未沉积涂层的试样在摩擦过程中产生的高温使得界面形成大量氧化物颗粒,加剧磨损程度;而涂层试样在测试温度高于涂层石墨化程度时,涂层摩擦界面产生石墨化转变并形成以碳元素为主的转移层,发挥固体润滑介质的作用,最终导致摩擦系数降低。

金刚石涂层刀具高速铣铝合金平面切削毛刺研究

采用热丝CVD法制备纳米与微米金刚石薄膜涂层刀具,利用场发射扫描电镜表征其薄膜表面形貌。用已制备的CVD金刚石涂层刀具,在无润滑干切条件下高速顺、逆端铣铝合金平面,研究CVD金刚石涂层刀具切削时的棱边毛刺特点与大小;并对纳米金刚石涂层刀具高速顺铣切削工艺参数进行正交试验,探究取得少无切削毛刺的切削参数与切削工艺。结果表明:工件铣削后棱边毛刺分布不均匀,顺铣毛刺稀疏,尺寸较小,其中纳米金刚石涂层刀具顺铣棱边毛刺高度平均值为32.08μm,仅为微米金刚石涂层刀具顺铣毛刺高度的46.5%。纳米金刚石涂层刀具高速顺铣平面,对棱边毛刺影响最大的是v_(c),其次为v_(f),ae的影响最小,最优参数组合为a_(e)=4 mm、v_(f)=2000 mm/min、v_(c)=400 m/min,铣削后毛刺高度平均值为21.29μm。当金刚石涂层刀具端铣铝合金平面时,为取得较小的棱边毛刺,优选纳米金刚石涂层刀具,采用顺铣棱边的切削方式与切削工艺,以及相应的高速切削参数。