聚晶金刚石的研究进展与展望

聚晶金刚石(polycrystalline diamond,PCD)是以金刚石为骨架材料,以结合剂为黏结材料,在高压高温条件下烧结而成的复合材料.因其拥有优异的硬度与良好的耐磨性能,被广泛应用于刀具、拉丝模等领域.本文概述了PCD的结合剂种类、制备方法、影响性能的因素,分别介绍了金属型、陶瓷型和金属–陶瓷型等3种不同结...     

纳米金刚石聚晶的合成与性能综述

传统多晶金刚石聚晶（polycrystalline diamond，PCD）已在机械加工和矿物勘探等领域广泛应用，但其所使用的结合剂或烧结助剂严重弱化PCD性能，限制其应用。新型无黏结剂纳米金刚石聚晶（nano-polycrystalline diamond，NPD）具有细小的晶粒尺寸和高强度的金刚石晶粒界面，其性能已全面超越传统的PCD和金刚石单晶，在硬质材料高精加工等领域有巨大的优势和广阔的前景。本文概述NPD的合成和性能，并介绍使用不同的碳前驱物在高温高压下制备NPD的方法和技术，其中重点介绍石墨和碳纳米葱（carbon onions）在高温高压下直接转变成NPD的技术，为进一步研究及应用提供参考。      

超硬涂层切割工具

根据ISO513国际标准,超硬切割工具材料可分为立方氮化硼烧结体（PCBN）和金刚石聚晶（PCD）。     

PCBN材料的组织结构与力学性能

以CBN-TiN-Ti-Al₂O₃为初始原料，采用高温高压法在1500 ℃不同保温时间下制备PCBN材料，探讨其在不同保温时间下的物相组成、显微结构、力学性能和切削性能。结果表明:保温时间对PCBN材料物相组成无明显影响，但有助于提高其结晶度，实现其烧结均匀化和致密化；在保温时间为9.00 min时，能获得综合性能最佳的PCBN材料，其相对密度为99.1%，抗弯强度为910.9 MPa，磨耗比为7120，显微硬度为33.5 GPa；用此PCBN做成的刀具加工模具钢零件，最多可加工365个。      

超细/纳米晶无黏结相WC硬质合金的研究进展

无黏结相WC硬质合金（Binderless tungsten carbide,BTC）因具有传统硬质合金无可比拟的优异耐磨性、抗腐蚀性、极佳的抛光性和抗氧化性,在耐冲蚀、高耐磨的工具、精细刀具以及石油、页岩气开采等领域有很好的应用前景。超细/纳米晶BTC制备的关键问题之一是如何控制WC晶粒的长大,本文从超细/纳米WC粉末的制备技术、BTC材料成分设计及成型工艺和烧结技术等方面对超细/纳米晶BTC的相关研究成果进行综述,强调了原料WC粒度、第二相化合物添加、先进成型工艺和烧结技术在BTC致密化过程中的关键作用,对比了不同成分体系、不同烧结工艺下超细/纳米晶BTC材料的性能差异;指出超细/纳米晶BTC制备过程中存在的主要问题为致密化和强韧化,可通过已开发的多种先进烧结技术及第二相增强增韧技术来解决,但尚未实现工业化应用;最后,阐明了超细/纳米晶BTC的发展趋势为在低温低压下获得更细的致密烧结体。     

等离子喷涂-物理气相沉积制备7YSZ纳米结构固体氧化物燃料电池电解质层

氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）因其高热稳定性和良好的氧离子电导率被广泛地作为电解质材料应用于固体氧化物燃料电池（SOFC）。常规的平面SOFC电解质制备技术,如带式流延或丝网印刷,需要在1300℃以上的温度下进行烧结,因此采用传统制备技术获得纳米结构电解质层是一个挑战。等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD）作为一种新技术由于可以实现气相沉积可以提供快速、低成本的方法来制备纳米致密结构电解质层,可避免传统技术在长时间高温烧结引起的材料晶体结构变化以及相邻电极材料间的化学反应。PS-PVD技术具有与传统大气等离子喷涂（APS）完全不同的沉积机制。本研究采用该技术成功地制备了致密的纳米结构7YSZ薄电解质层。当电解质层厚度为8.7～12.3 μm时,其泄露率为2.24～2.29 10-8 cm4gf-1s-1.     

多晶立方氮化硼在高压熔渗法烧结过程中的晶界键合机理研究

为了探究多晶立方氮化硼（PCBN）在高压熔渗法烧结过程中的晶界键合机理,分别采用高压熔渗法和混合法,在烧结压力5.0~5.5 GPa,温度1300~1600℃,加热时间10~15 min条件下,对立方氮化硼（CBN）的烧结行为进行对比研究,并对烧结后的样品进行X射线衍射（XRD）物相分析,扫描电镜（SEM）分析和硬度测试。实验结果显示:在压力为5.5 GPa,温度为1500℃条件下,利用熔渗法烧结的PCBN样品中出现了大量的CBN-CBN晶粒间键合;在同等压力温度条件下,利用熔渗法烧结样品的维氏硬度可达到CBN单晶硬度（45~50 GPa）的80%以上,明显高于利用混合法烧结的样品。通过上述PCBN高温高压烧结行为的对比研究,系统分析高压熔渗法烧结过程中的CBN晶界键合机理。高压熔渗法有利于高温高压下CBN晶粒的塑性形变和晶粒间孔隙闭合,在CBN晶粒相互挤压处形成局部高应力区,从而在Si熔媒渗入CBN层后促进CBN-CBN晶粒间的键合。      

合成聚晶立方氮化硼复合片(PCBN)工艺研究

采用常用的HPHT(高压高温)合成方法,研究了CBN的粒度、组装方式等工艺参数对PCBN性能的影响.研究结果表明CBN的粒度对PCBN性能有很大的影响,当Dmax/Dmin越接近1,PCBN样品的磨耗比和硬度较低;双碳管双盐管的组装方式优于单盐碳管的组装方式.     

刀具和磨具用的纳米结构涂层

纳米结构涂层定义为晶粒尺寸或膜层厚度小于 10 0nm的功能材料。纳米结构涂层包括金属 -金属、金属 -陶瓷、陶瓷 -陶瓷以及附着有固体润滑剂的材料。纳米结构涂层分为纳米晶薄膜结构、膜厚为纳米多层膜结构以及纳米混合相薄膜结构。纳米晶涂层　纳米晶金属或涂层显示出较低的磨损率 ,这种耐磨性能的提高归因于纳米尺寸效应引起的高硬度、高韧性及特殊的裂纹变化和移动机理。例如 ,电沉积制备涂层的晶粒尺寸降到 10nm ,维氏硬度增大3倍。制备纳米晶涂层的关键是保证粒子的纳米尺寸 ,在高温时控制晶粒生长 ,方法包括把纳米粒子首先制成微米粒…     

不同粘结剂对PCBN复合片烧结及性能的影响

PCBN复合片以其硬度高、耐磨性好以及化学惰性强等优点作为切割工具材料被广泛应用于钢材、铸铁等加工行业。本文主要论述了金属粘结剂、陶瓷粘结剂、金属-陶瓷粘结剂对PCBN复合片烧结及其性能的影响,对其他增强增韧材料对PCBN复合片烧结及其性能影响的研究现状也作了简要介绍,大量文献认为粘结剂组分和配比是制备高性能PCBN复合片的关键。     

超硬材料刀具的特性及应用

本文主要介绍了单品金刚石刀具，高温高压合成的聚品金刚石（PCD）刀具，聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具及化学气相沉积的金刚石膜（CVD）刀具的特性及应用。我们做了有关CVD刀具与PCD刀具耐磨性的切削试验：通过试验可以看出，CVD刀具确实有较好的耐磨性，但是在切削时间为17min时，由于CVD较PCD脆，在25倍显微镜下观察发现CVD金刚石刀具的刀口有明显的崩刃。另外发现，CVD金刚石刀具在制造及使用过程中也极易出现崩刃现象，所以目前大多数厂家仍以使用PCD刀具为主，CVD金刚石刀具的推广仍需要一个过程。     

高能束在气相沉积超硬薄膜材料中的应用

在材料表面工程技术中应用高能束流是先进制造技术的一个重要发展方向,它具有常规加工方法无可比拟的特点.在新型薄膜材料的制备中,利用高能量密度的激光束、离子束等作为热源,辅助和诱导气相反应制备薄膜材料,克服了普通化学气相沉积和物理气相沉积超硬薄膜材料性能上的不足,显著地提高了薄膜的沉积效果.     

化学气相沉积法制备铼材料的研究进展

铼具有优异的物理力学性能,作为功能材料及超高温结构材料获得广泛应用。铼材料的制备方法有多种,化学气相沉积（CVD）是其主要的制备方法之一。本文简要介绍了化学气相沉积制备铼材料的反应类型、沉积条件及沉积效果,综述了CVDRe材料的沉积动力学、组织结构特征、力学性能的研究现状和典型应用,并与粉末冶金铼进行了对比分析。最后指出了目前CVDRe材料研究亟待解决的关键问题,并对进一步研究的方向和推广应用前景进行了展望。     

TiSiO非晶结构光学薄膜的性能调控机理研究进展

TiSiO复合薄膜的制备方法主要包括溶胶-凝胶、物理气相沉积和化学气相沉积等,针对不同制备工艺条件下SiO2改性TiO2的微观结构与光学参量的调控机理的研究,仍处于探索阶段。综述了近年来国内外在不同工艺条件下沉积的TiSiO薄膜的结构和光学性质,从溶胶体系和热处理工艺两方面,对溶胶-凝胶工艺制备的TiSiO薄膜展开论述,分别归纳了溶胶体系和热处理工艺调控TiSiO薄膜的结构和光学性质的一般规律;从溅射工艺和蒸发工艺两方面对物理气相沉积工艺制备的TiSiO薄膜展开论述,分别阐述了在溅射工艺和蒸发工艺过程中,调控TiSiO薄膜的结构和光学性质的一般规律;从低（常）压化学气相沉积和等离子增强化学气相沉积等方面,对化学气相沉积工艺制备的TiSiO薄膜展开论述,分别阐述了在不同化学气相沉积技术中,通过调节一些重要参数调控薄膜结构和性能的一般规律。总结了不同工艺制备并调控TiSiO薄膜的一般规律的内在联系,并指出了这类薄膜制备工艺存在的问题和后续的研究方向。     

热处理对两种铜膜结合强度的影响

采用PVD和CVD技术制备Cu/TiN/PI试样，研究表明，TiN薄膜可以有效地阻挡Cu向PI基板内部扩散，CVD工艺制备的Cu膜内部残余应力很小，Cu膜有相对高的结合强度；而PVD制备的Cu膜，在有TiN阻挡层存在的情况下，Cu膜内存在拉应力，拉应力降低了Cu膜结合强度，300℃退火可以消除膜内残余应力，结合强度提高。     

管状构件内表面真空镀膜方法研究进展

综述了国内外真空镀膜方法,包括化学气相沉积与物理气相沉积方法对管状构件内表面镀膜的研究进展,介绍了热化学气相沉积及各种等离子体(包括直流、射频及电子自旋共振等离子体)增强化学气相沉积方法在管状构件内表面镀膜方面的应用,分析了这种方法的优缺点;重点阐述了溅射镀膜方法 (包括直流二极(或三极)溅射、磁控溅射及离子束(或激光束)溅射)及电弧离子镀技术在管状构件内表面镀膜时对薄膜种类、沉积速率、薄膜厚度轴向均匀性、膜/基结合力等方面的特点。最后对管状构件内表面各种真空镀膜方法进行了分析对比,指出了存在的问题及今后的发展方向。     

高能束在气相沉积超硬薄膜材料中的应用

在新型薄膜材料的制备中,利用高能量密度的激光束、离子束等作为热源,辅助和诱导气相反应制备薄膜材料,克服了普通化学气相沉积和物理气相沉积超硬薄膜材料性能上的不足,显著地提高了薄膜的沉积效果.     

CVD diamond coating for erosion protection at elevated temperatures

Small solid particles entrained in a gas-fluid turbomachinery flow can cause degradation of the component surfaces containing the flow by erosion and corrosion processes. As diamond is the hardest known material, much work has been done to use polycrystalline diamond (PCD) as a protective coating on parts operating in a hostile and abrasive environment. Little attention is given in the literature to the high-temperature erosion behavior of chemical vapor deposition (CVD) diamond on different substrates. The objectives of this research were to develop CVD diamond erosion barriers for surface protection of cemented tungsten carbide at high temperatures and to study the erosion behavior of the coatings. Microwave plasma chemical vapor deposition (MPCVD) was used to apply diamond films on WC-6%Co. The erosion behavior of the coated specimens was investigated experimentally by exposing them to abrasive particle-laden flow in a high-temperature wind tunnel. The obtained results show the effects of impingement angle, temperature, and particle dose on the erosion rate. The data demonstrate that uncoated substrates suffer 6–7 times higher wear compared to diamond-coated samples at elevated temperatures up to 538 °C when exposed to alumina particle flow. This study indicates that polycrystalline diamond is emerging as a promising erosion protective coating for high-temperature applications. Paper presented at Materials Solutions Conference & Exposition 2000, St. Louis, MO.