CVD金刚石涂层硬质合金刀具研究进展

CVD金刚石涂层硬质合金刀具结合了金刚石和硬质合金的优异性能,是切削加工的理想材料,具有广阔的发展前景。当前限制CVD金刚石涂层刀具应用的主要问题是金刚石涂层与刀具基体之间的附着性能较差,其主要原因是粘接相Co对CVD沉积存在不利影响以及涂层与基体之间热膨胀系数存在较大差异。本文综述了提高界面结合强度和降低涂层表面粗糙度的方法,重点介绍了在界面添加过渡层来提高界面结合强度,并指出在硬质合金基体和CVD涂层之间添加过渡层和开发纳米CVD涂层是CVD金刚石涂层刀具今后的发展方向。     

CVD金刚石膜与常用红外光学材料抗砂蚀性能对比研究

目的通过分析CVD金刚石膜与几种常用红外光学窗口材料在砂蚀过程中形貌特征以及红外透过率的变化规律,获得CVD金刚石膜在砂蚀过程中的材料去除机制及抗砂蚀性能的关键因素。方法采用喷射式冲蚀磨损系统,对CVD金刚石膜及其他几种常见红外光学材料进行砂蚀性能测试。通过扫描电子显微镜对材料冲蚀后表面形貌进行观察,电子天平测量红外材料砂蚀率。采用红外光谱仪对砂蚀前后红外光学材料进行测量,评价其冲蚀前后的红外性能变化。结果 CVD金刚石膜抗砂蚀能力远高于Ge、ZnS、MgF_2以及石英玻璃。在设定测试条件下,仅经过6 s冲蚀,除CVD金刚石膜外,其余光学材料的红外透过性能下降40%~60%。而CVD金刚石经受240 min的相同条件冲蚀,其红外透过率仅下降9.5%,显示出极佳的抗砂蚀能力。结论 CVD金刚石膜的冲蚀过程主要是微裂纹形成及扩张连接导致材料流失。其他材料的冲蚀过程既有裂纹扩展,也有反复的切削、犁削,而后者是这些材料被冲蚀的主要原因。     

高温球阀阀芯阀座表面处理及其性能评价

针对球阀的失效原因,采用等离子喷涂技术和电刷镀技术分别对阀芯、阀座进行了表面处理,并从配对的耐磨损性能,阀芯涂层的显微硬度、结合强度和抗热震性能方面进行了评价.结果表明,处理后的阀芯和阀座的耐磨损性能明显提高;其中,由等离子喷涂A12O3-TiO2金属陶瓷涂层的阀芯、电刷镀NiW镀层的阀座组成的配对综合性能最好.     

PVD陶瓷覆膜工艺对控压节流阀耐冲蚀性能影响研究

采用PVD陶瓷覆膜工艺对控压钻井节流阀阀芯表面处理,通过实验对比研究不同表面覆膜处理的阀芯耐冲蚀性能。结果表明,经过冲蚀后,Ti Al N涂层材料阀芯的质量损失约为Ti N涂层材料的1/3,Ti Al N涂层材料阀芯冲蚀最严重处表面轮廓损失约为Ti N涂层材料的1/2,Ti Al N涂层材料在提升控压钻井节流阀耐冲蚀性能和使用可靠性上较Ti N涂层材料优越。     

酸浸+等离子体刻蚀YG6微米-纳米金刚石复合涂层工具研究

金刚石涂层工具一直是金刚石膜工具应用研究的主流.制约其产业化的主要因素是涂层的附着力低和微晶金刚石涂层工具的加工精度差.通过对衬底的有效预处理和CVD沉积过程控制的研究,开发在硬质合金基体上沉积高结合强度、低粗糙度的金刚石涂层新技术,对于实现CVD金刚石涂层刀具高效、高精度切削加工具有重要意义.对旨在提高金刚石涂层附着力的预处理技术,本文探索了将酸蚀脱钴+等离子体刻蚀处理衬底法.利用优化的沉积工艺,在酸浸+等离子刻蚀处理的YG6刀片上沉积的两层金刚石复合膜表面粗糙度为0.13μm,附着力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高于无涂层硬质合金工具.在加工ZAlSi12合金时,单层和两层金刚石涂层车刀片的切削寿命分别是无涂层车刀片切削寿命的21倍和28倍.     

金刚石气相沉积硬膜在工具表面的应用与发展

本文综述了PVD，CVD，PCVD涂层在工具表面应用，比较几种沉积工艺的应用特点，分析了影响CVD，PCVD涂层与基体附着力的影响因素及研究现状。详细介绍了CVD金刚石涂层的应用、沉积工艺、抛光工艺以及相关的基体前处理工艺。展望了PVD，CVD，PCVD涂层在工具表面应用、发展的研究方向。     

PCB钻头上金刚石涂层的制备

本文在直径为0.8mm硬质合金钻头上进行沉积金刚石涂层的研究。在沉积之前,先用硝酸和铁氰化钾进行腐蚀处理,以去除表面的Co。用微波等离子体CVD设备进行金刚石的沉积。在金刚石涂层沉积过程中,钻头尖端在微波电磁场中产生辉光放电现象,导致钻头尖端刃部很难获得金刚石涂层。通过使用金属丝屏蔽的方法改变钻头周围的微波电磁场分布,成功的采用微波等离子体CVD法在钻头上沉积出了金刚石涂层。用扫描电子显微镜(SEM),能量色散谱仪(EDS)和激光拉曼光谱(Raman)对钻头的表面形貌和金刚石薄膜的质量进行了表征,同时在铝基复合材料上进行了钻孔测试。结果表明金刚石薄膜表面比较光滑,晶粒尺寸较小,涂层质量良好,薄膜的附着力也较高。     

硬质合金工具强电流直流伸展弧等离子体CVD金刚石涂层的均匀性研究

采用自行研制的强电流直流伸展电弧等离子体CVD设备对真空渗硼预处理的YG6刀片进行了金刚石涂层沉积，并对放于有效沉积区域不同位置沉积出的金刚石涂层刀片以及刀片自身不同位置之表面涂层的形貌、厚度、质量进行了分析、研究。结果表明：(1)、硬质合金工具强电流直流伸展弧等离子体CVD金刚石涂层的组织、形貌、厚度、质量都是均匀一致的。(2)、利用强电流直流伸展电弧等离子体CVD设备可进行硬质合金金刚石涂层的批量沉积。     

超音速等离子喷涂沉积可磨耗封严涂层研究

采用超音速等离子喷涂沉积Ni-C及NiCr-BN可磨耗封严涂层,通过实验对比研究两种涂层的结合强度、表面硬度及在不同冲蚀角下的冲蚀磨损性能.结果表明:NiCr-BN涂层中的润滑相尺寸比Ni-C涂层更为细小;NiCr-BN涂层的结合强度及表面硬度均高于Ni-C涂层;NiCr-BN涂层的抗冲蚀性能要优于Ni-C涂层.     

直流电弧等离子体喷射在金刚石膜制备和产业化中的应用

综述了北京科技大学在直流电弧等离子体喷射CVD金刚石膜沉积系统研制和改进及大面积高质量(包括光学级)金刚石自支撑膜沉积的研究进展和产业化状况.用同样技术研发出了可用于复杂形状硬质合金工具金刚石膜涂层工具批量生产的强电流直流伸展电弧等离子体CVD金刚石膜涂层系统,讨论了利用该设备研发金刚石膜涂层硬质合金工具及其现场切削试验的结果.     

CVD金刚石薄膜涂层整体式刀具的制备与应用

化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)金刚石薄膜具有硬度高、摩擦系数低、耐磨性强以及表面化学性能稳定等优异的机械及摩擦学性能,这使其在硬质合金工模具领域具有广阔的应用前景.本文采用热丝化学气相沉积法(hot filament chemical vapor deposition,HFC...     

加工氧化锆陶瓷的金刚石涂层刀具的制备及切削试验研究

使用热丝化学气相沉积法(HFCVD)在硬质合金片以及球头铣刀表面沉积了微米金刚石薄膜(MCD),纳米金刚石薄膜(NCD)以及微米纳米复合金刚石薄膜(MNCD),通过扫描电子显微镜和拉曼光谱对其进行表征,结果呈现出典型的金刚石薄膜的性质,沉积质量高。金刚石薄膜与氧化锆陶瓷的摩擦磨损实验表明:金刚石薄膜能有效地降低对磨时的摩擦系数以及磨损率。使用三种金刚石薄膜涂层铣刀对氧化锆陶瓷进行铣削加工试验,结果显示:金刚石涂层刀具磨损率大幅度降低,刀具寿命显著增强。     

基于HFCVD法密封环基体的温度场仿真及实验

为了在碳化硅密封环端面上生长出均匀一致的金刚石涂层,提出了采用三维有限元法模拟基体温度场的方法优化沉积工艺参数。首先,通过在实际沉积系统中的测温实验,验证了仿真结果的正确性。然后,在温度场仿真中分析了热丝直径(D)、热丝间距(S)和工作台冷却水流速(F)等参数对衬底温度场均匀性的影响,进而这些参数被分别优化为0.6mm、16~18mm和30mL/s。此外,通过有限元仿真还分析了热丝弯曲(B)对衬底温度场的影响。最后,通过采用扫描电子显微镜(SEM)和拉曼(Raman)谱仪,对以优化后的参数在碳化硅密封环基体上沉积的金刚石涂层进行了性能表征。结果表明:在密封环的端面上沉积了一层连续、厚度一致的高质量金刚石涂层,从而验证了仿真结果的正确性。     

CVD金刚石薄膜窗口试样制备及力学性能测量

本文以氢气和丙酮为原料，采用电子增强热线CVD法，在硅片（100）基体上沉积一层金刚石薄膜，并采用光刻法和显式各向异性刻蚀技术制备出金刚石薄膜自支撑窗口试样，实验结果表明，所制备的金刚石薄膜自支撑窗口刻蚀彻底，形状规则，能够很好地满足鼓泡法的实验要求，对CVD金刚石薄膜力学性能的测量具有重要意义。     

热丝化学气相沉积金刚石薄膜空间场的数值分析

根据热丝化学气相沉积(HFCVD)金刚石薄膜的几何特点和工艺参数,建立了该系统的二维温度场、速度场和密度场 的耦合模型.利用该模型对沉积大面积金刚石薄膜的空间场进行了模拟计算,研究了沉积参数对空间场的影响.结果表明,衬底处 的温度分布和质量流密度的计算值与实测值相吻合.只有气体进口速度对质量流密度的均匀性影响最大,其它沉积参数对衬底温度 的均匀性、质量流密度的均匀性影响不大.从热丝阵列的最低温度出发,优选出沉积100 mm×100 mm、高质量金刚石薄膜比 较适宜的热丝几何参数.     

热丝化学气相沉积法制备优质微米亚微米级单晶金刚石的研究

利用热丝化学气相沉积法（HFCVD）,在硅片衬底上进行微米级（〉1μm）及亚微米级（〈1μm）单晶金刚石的沉积研究。微米级金刚石是以高温高压法（HPHT）制备的1μm金刚石颗粒为籽晶,通过甩胶布晶的方法,在衬底上均匀分布晶种,并通过合理控制沉积工艺参数,在衬底上形成晶形完好的单晶金刚石。在沉积2 h后,可消除原HPHT籽晶缺陷,沉积6 h后,生长出晶形良好的立方八面体金刚石颗粒（约4μm）;对于亚微米级单晶金刚石,是直接在衬底上进行合成,通过调控沉积参数（如衬底预处理方法,偏流大小,沉积时间）对单晶金刚石的分布密度和颗粒度进行控制,经过2 h的沉积,最终获得了0.7μm的二十面体单晶金刚石。     

微/纳米复合多层金刚石自支撑膜的制备及应力研究

利用大功率DC Arc Plasma Jet CVD装置,采用Ar-H2-CH4混合气体为气源,通过优化工艺参数,在多晶钼衬底上制备出了多层复合金刚石自支撑膜.利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、激光拉曼谱(Raman)对膜体进行表征,结果显示,多层膜体的组织结构体现了微米金刚石与纳米金刚石的典型特征;复合金刚石自支撑膜具有光滑的表面,微米层与纳米层间呈相互嵌套式的界面;此外,利用激光拉曼谱分析了多层膜中的内应力状态,研究发现,多层膜中各层膜体具有不同的内应力状态,内应力沿膜体生长方向有明显变化,呈现出从压应力到拉应力的变化过程.     

约束式热丝CVD法制备金刚石的研究

为提高热丝CVD法沉积金刚石薄膜的生长速率,以丙酮和氢气作为反应气源,利用自制的半封闭式空间约束装置,将热丝、衬底、反应气体聚集在狭小空间内,研究不同气体流速条件下的金刚石薄膜沉积情况;使用SEM和Raman光谱表征所合成的薄膜。结果表明:采用约束式沉积法可以显著提高沉积速率,本实验在230 cm3/min（标况）气体流速下获得最大沉积速率6.31 μm/h,比未约束时增大了近一倍。随着气体流速增大,沉积速率先增大后减小;气体流速86~115 cm3/min（标况）时,晶粒尺寸为微米级;气体流速115~575 cm3/min（标况）时,晶粒尺寸减小至纳米级。Raman光谱检测显示:约束式沉积所得薄膜总体质量较好,但随气体流速增大而逐渐降低。      

硅掺杂CVD金刚石薄膜

研究硅掺杂对CVD金刚石薄膜形貌、结构特性和成分的影响。通过向丙酮中加入正硅酸乙酯作为反应气体,在硅基底上沉积硅掺杂CVD金刚石薄膜。金刚石薄膜的表面形貌和显微组织由场发射电镜表征。金刚石薄膜的成分通过拉曼光谱和X射线衍射（XRD）进行研究。薄膜的表面粗糙度由表面轮廓仪评估。结果表明,硅掺杂会降低晶粒尺寸,促进晶粒细化并抑制三角锥形形貌。XRD研究表明,（111）朝向的晶面显著减少。拉曼光谱研究表明,硅掺杂会促进薄膜中硅碳键的形成以及非金刚石相的增多。在硅碳浓度比为1％时,沉积得到光滑的细晶粒金刚石薄膜。     

一种提高MPCVD法制备金刚石膜均匀性的方法

采用自制的1 kW石英钟罩式微波等离子体化学气相沉积装置,以氢气和甲烷作为气源在镜面抛光的(100)面单晶硅片上沉积了金刚石薄膜。实验共制得两个样品,其中一个样品在制备的过程中加装了难熔的金属钽环,利用等离子体易吸附于金属钽环表面的特性,缩小了硅片中间与边缘等离子体密度差异,另外一个样品没有加装难熔的金属钽环。利用激光拉曼光谱仪和扫描电子显微镜(SEM)对制备的样品进行了表征,发现没有加装金属钽环的样品中间位置沉积的金刚石膜质量明显高于边缘位置沉积的金刚石膜,中间位置、离中间5 mm位置、边缘位置沉积膜层的厚度差别很大;加装了金属钽环的样品中间位置与边缘位置沉积的金刚石膜质量差不多,中间位置、离中间5 mm位置、边缘位置沉积膜层的厚度差别不大,上述结果证明金属钽环的加入是一种提高MPCVD法制备金刚石膜均匀性的方法。