金刚石/Ti热压扩散过程的分子动力学模拟

目的 应用分子动力学模拟金刚石与Ti在热压扩散过程中的界面原子扩散和TiC生成过程。方法 采用改进型嵌入原子势函数(MEAM)描述Ti、C和Ti—C之间的相互作用,将模拟过程分为弛豫、热压和保温3个阶段,模拟出金刚石与Ti界面间的原子扩散带厚度、原子扩散速度和TiC的成键过程。为了验证分子动力学模拟结果,进行了聚晶金刚石与钛箔的热压扩散试验,在聚晶金刚石表面制备了Ti涂层。利用扫描电子显微镜观察聚晶金刚石与Ti涂层之间的界面,并进行EDS分析。利用X射线衍射仪分析聚晶金刚石与Ti界面的物相组成。结果 模拟结果显示,在弛豫、热压和保温3个阶段,金刚石与Ti之间的扩散带厚度分别为0.870 9、0.888 9、2.056 5 nm,从弛豫到热压阶段,扩散带厚度增加了2.07%,从热压到保温阶段,扩散带厚度增加了131.35%;C原子均方位移曲线斜率为1.877 4×10^?5,Ti原子的均方位移曲线斜率为1.016 7×10^?5,C原子的均方位移的斜率比Ti原子的均方位移的斜率快84.66%;在弛豫20 ps后,C原子的游离键靠近Ti原子,在100 ps的热压过程中,C原子和Ti原子之间形成少量的Ti—C键,在500 ps的保温过程中,在界面间生成大量的Ti—C键。聚晶金刚石与Ti结合紧密、平整,用EDS测试出聚晶金刚石与Ti界面间的扩散带厚度为5.7 μm,在聚晶金刚石与Ti界面的XRD图谱测到了TiC衍射峰。结论 在金刚石与Ti的热压扩散过程中,C和Ti原子之间存在明显的原子扩散现象,形成了具有一定厚度的扩散带。在金刚石与Ti的界面区域的原子扩散中,C原子的扩散能力和扩散速度大于Ti原子,并在扩散界面内生成了Ti—C键,金刚石与Ti之间形成了化学结合,有助于提高金刚石表面与Ti涂层的结合强度。     

阴极离子镀TiN涂层组织结构与结合强度

采用阴极离子镀方法在YT14硬质合金刀具表面制备了Ti N涂层,通过SEM、EDS和XPS等手段对涂层表面-界面形貌、界面化学元素线扫描和元素价态进行了分析,并用划痕法定量表征其界面层结合强度。结果表明,涂层呈细小致密结构,与基体紧密结合,未观察到裂纹现象;基体表面C原子以间隙扩散和空位扩散方式进入Ti N涂层中,O原子占领或替代Ti N涂层中N原子,形成结合较强的Ti-O键以及Ti-O-N化合物,验证了Ti原子和O原子具有很强的亲和力;涂层-基体界面为化合和扩散结合形式,其结合强度为40.95 N,有利于提高硬质合金刀具的使用寿命。     

金刚石薄膜涂层钻头加工高硬度钢的实验研究

为提高金刚石薄膜涂层的韧性，避免金刚石薄膜涂层脆性断裂，以自贡硬质合金厂生产ZK-10型号硬质合金钻头为基体，采用厚度大约为3μmTiC作为过渡层，在表面涂覆4μm～5μm厚度的金刚石薄膜制成金刚石薄膜涂层钻头。用于加工硬度为HRC61的经热处理的GCrl5钢板，分别与未涂层硬质合金钻头、TiC-TiN涂层钻头对比，结果表明，金刚石薄膜涂层钻头由于加工速率高，摩擦发热量少，有效地避免了铁元素在高温下将金刚石转化石墨的作用，结果使用寿命比未涂层硬质合金钻头提高10倍以上，同TiC-TiN涂层钻头相比，初期加工性能明显优越，加工速率成倍数提高．但使用过程中，性能衰减更快，导致总体使用寿命同TiC-TiN涂层钻头相差不大。在表面喷砂处理中，金刚石薄膜涂层大部分易于脱落，剩余部分呈岛状分布，说明金刚石薄膜与基体的结合力分布很不均匀，这可能与金刚石薄膜的形核过程密切相关。     

铜基钎料真空钎焊金刚石

采用铜基合金钎料,适当控制钎焊工艺,实现了金刚石与钢基体的高强度连接.借助扫描电镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)分析了真空加热条件下,对铜基合金钎料与金刚石之间的界面反应,钎焊面进行了表面形貌和结构分析.探讨了钎料与金刚右界面处碳化物的形成机理.阐明了在钎焊过程中Ti元素在金刚石界面形成富Ti层并与金刚石表面的C元素反应生成TiC、SnTi C是实现合金层与金刚石有较高结合强度的主要因素.钎料与钢基体在钎焊温度下发生组元间相互扩散,形成了固溶体及其化合物,从而实现钎料与钢基体的高强度结合,并对一系列铜基钎料进行了测试.     

铸铁表面摩擦涂覆和感应加热扩散渗铝方法EI北大核心CSCD

为了改善铸铁在恶劣环境下的腐蚀问题,采用涂覆渗铝的表面改性技术在铸铁表面进行铝涂层制备。以HT150为研究对象,对其进行摩擦涂覆渗铝处理,随后对涂层进行高频感应加热扩散和普通加热扩散处理。通过正交试验研究滚花量、扩散处理温度及保温时间对渗层厚度的影响,采用SEM和EDS定量分析渗层厚度变化。结果表明:滚花处理后进行摩擦涂覆可制备较大厚度的纯铝层,显著影响扩散处理后的渗铝层厚度;两种扩散退火处理均促使渗层厚度明显增大,但相同加热温度下,高频感应加热扩散比普通加热扩散的效率更高、效果更好。采用前者,铸铁试样在2~6 min内渗层厚20~160μm。采用滚花预处理与感应扩散相结合的涂覆方式制备的渗层厚度较常规涂覆方式明显增加,采用该方式可制备腐蚀性能较好的渗铝层。     

高温下TiN涂层的摩擦与磨损行为

采用阴极离子镀方法在YT14硬质合金刀具表面制备了Ti N涂层,用高温摩擦磨损试验机考察Ti N涂层在500℃高温下摩擦-磨损行为。通过扫描电镜观察涂层表面-界面形貌和高温磨损后表面形貌,用XRD分析了Ti N涂层物相变化,并用EDS能谱仪对结合界面进行线扫描分析和磨痕进行面扫描分析,同时用工具显微镜观察了表面犁沟形貌,对Ti N涂层500℃下磨损机理进行探讨。结果表明,Ti N涂层在500℃磨损后发生高温氧化,Ti N涂层表面磨痕处主要以Ti O2为主,这些氧化层起到了润滑减摩的作用,适合于高速切削与干式切削;在5 N载荷作用下,Ti N涂层的摩擦系数平均值为0.7116;在高温下Ti N涂层表现为氧化磨损,同时伴随着一定的磨粒磨损和黏着磨损。     

基于钎焊涂覆的树脂结合剂金刚石砂轮及性能研究

利用钎焊方法对单晶RVD和多晶PDGF1 2种金刚石磨料表面进行涂覆,制备涂覆前后4种磨料的树脂结合剂金刚石砂轮。研究钎焊过程对金刚石磨粒表面形貌和力学性能的影响,并测试不同砂轮加工硬质合金时的磨削性能。结果表明:钎焊涂覆方法可以在金刚石磨料表面有效包覆一层钎料合金涂层,涂层与金刚石磨粒间形成TiC界面结合。与涂覆前磨粒相比,涂覆后RVD磨粒的冲击韧性(TI)值减小了6%,PDGF1磨粒的TI值增大了42%。用钎焊涂覆PDGF1磨料制作的树脂结合剂金刚石砂轮拥有更低的磨削力和更高的磨削比, 但用钎焊涂覆RVD磨料制作的树脂结合剂金刚石砂轮的结果则相反。在相同加工参数下,4种砂轮磨削硬质合金的表面形貌相似,其表面粗糙度在0.50～0.68 μm。      

热输入对感应重熔Ni60合金涂层组织与性能的影响

采用氧乙炔火焰喷涂技术在45圆柱钢基体上制备Ni60合金涂层,然后在不同的加热功率条件下对涂层进行中频感应重熔处理。通过扫描电镜、能谱仪、显微硬度计和磨损实验机等研究了热输入对重熔涂层的组织结构、元素分布、显微硬度及耐磨性能的影响。结果表明:当加热功率为21 kW时,涂层与基体在界面处为机械结合,涂层孔隙多、组织疏松;随着加热功率增大至28 kW,涂层和基体间形成冶金结合,组织致密、均匀,界面处部分元素扩散迁移后呈梯度分布形式;加热功率继续增大至35 kW时,界面处形成的冶金白亮带变宽,但涂层表面出现合金流淌现象、表面凹凸不平。热输入变化对重熔涂层截面显微硬度及表面耐磨性产生了明显的影响。加热功率为28 kW的重熔涂层的显微硬度、耐磨性最好。     

硬质合金粉末表面电泳沉积制备金刚石涂层

采用电泳沉积法在硬质合金粉末表面涂覆金刚石涂层，分析硬质合金含量和MgCl₂·6H₂O含量对涂层沉积效果的影响，并对制备的涂层粉末进行性能表征。结果表明:电泳沉积法可实现硬质合金粉末表面涂覆金刚石涂层；硬质合金粉末为28.0 g，金刚石粉末为4.0 g，MgCl₂·6H₂O为1.0 g时，制备的金刚石涂层均匀且致密度好。      

阴极弧离子镀TiAlSiN涂层表面-界面能谱分析与结合强度

采用阴极弧离子镀法在H13钢表面制备Ti Al Si N涂层,通过SEM对Ti Al Si N涂层表面和界面形貌进行了观察,通过EDS和XRD对其化学元素和物相进行了分析,利用划痕法测定了其结合强度,并对其界面结合机理进行了探讨。结果表明:Ti Al Si N涂层表面主要成分为Ti、Al、Si和N元素,各元素分布均匀,未产生富集现象;高硬度的Ti Al N是由Al原子以置换方式取代Ti N中部分Ti原子生成的,且Ti N和Al N晶粒得到细化,形成较为致密的结构,使涂层硬度得到了提高;Ti、Al、Si、N等原子在结合界面处发生相互扩散,是形成冶金结合的主要机制;Ti Al SN涂层/H13钢体系具有较好的结合强度,用划痕法测得涂层界面结合强度为44 N。     

金刚石厚膜与硬质合金的连接

采用扩散焊与钎焊相结合的方法,用Ｔｉ箔和Ａｇ－Ｃｕ箔共同做中间层材料,在一定的温度、压力和保温时间下,实现了气相沉积金刚石厚膜与硬质合金间的牢固连接。经扫描电镜和电子探针分析发现,在金刚石与中间层界面近区有Ｃ、Ｔ元素的相互扩散,并且观察断口发现：断裂大部分发生在中间层上,只有局部区域金刚石的表面暴露出来。这可以说明金刚石与钎料之间已形成了牢固的冶金连接。     

Mechanism and prediction of failure of diamond films deposited on various substrates by HFCVD

Diamond films were deposited on the WC-Co cemented carbide and Si3N4 ceramic cutting tool substrates by hot-filament-assisted chemical vapour deposition. The adherence property of diamond films was estimated using the critical load (Pcr) in the indentation test. The adhesive strength of diamond films is related to the intermediate layer between the film and the substrate. Poor adhesion of diamond films to polished cemented carbide substrate is owing to the formation of graphite phase in the interface. The adhesion of diamond films deposited on acid etched cemented carbide substrate is improved, and the peeling-off of the films often happens in the loosen layer of WC particles where the cobalt element is nearly removed. The diamond films' adhesion to cemented carbide substrate whose surface layer is decarbonizated is strengthened dramatically because WC phase forms by reaction between the deposited carbon and tungsten in the surface layer of substrates during the deposition of diamond, which results in chemical combination in the film-substrate interface. The adhesion of diamond films to silicon nitride substrate is the firmest due to the formation of chemical combination of the SiC intermediate layer in the interfaces. In the piston-turning application, the diamond-coated Si3N4 ceramic and the cemented carbide cutting tools usually fail in the form of collapsing of edge and cracking or flaking respectively. They have no built-up edge(BUE) as long as coating is intact.As it wears through, BUE develops and the cutting force on it increases 1 - 3 times than that prior to failure. This can predict the failure of diamond-coated cutting tools.     

银基钎料钎焊金刚石的界面结构及TiC生长机制

在合适的工艺下,采用Ag-Cu-Ti钎料实现了金刚石与钢基体的高强度连接,并剖析了Ag-Cu-Ti钎料与金刚石的界面微区结构.通过对界面处的成分分布和深腐蚀后碳化物TiC形貌的观察,分析了Ti的作用机理、新生化合物TiC的形貌及生长规律.结果表明:在一定的条件下,Ti元素与组成金刚石的碳元素发生反应形成TiC层;碳化物层使钎料与金刚石之间产生冶金结合,并在其界面上形成了金刚石/TiC/钎料/钢基体的梯度结合层.     

采用WC过渡层增加金刚石薄膜附着力的研究

在微波等离子体化学气相沉积装置中，以WC-8％Co为基体，采用氢等离子体脱碳、磁控溅射镀W、碳化等方法，制备了微晶WC过渡层。研究了金刚石薄膜与基体的附着力。结果表明，表面脱碳后再镀W膜，W填充了氢等离子体脱碳时刀具表面因钴蒸发而留下的空洞，形成过渡层，在随后的碳化中和基体WC连接较为紧密，能增加金刚石薄膜与基体附着力，克服单纯的氢等离子体脱碳还原法降低刀具基体硬度、不能完全消除钴的有害影响的缺点。     

CVD金刚石膜的钎焊界面反应层及微结构

借助扫描电镜和电子探针,分析了金刚石与Ag-Cu-Ti活性钎料界面反应层的微观组织结构、界面新生化合物的形成机理以及焊接工艺条件对界面结构的影响,建立了钎焊接头界面结构物理模型.结果表明,在一定的钎焊工艺条件下,金刚石/钎料界面存在灰色的新生化合物TiC,与TiC相邻的是蜂窝状的TiCu相;接头断裂不仅仅发生在TiC相中,有时断裂也发生在TiCu层.钎焊加热温度、保温时间、钎料层的含Ti量对CVD金刚石厚膜与硬质合金的接头结构模型有重要影响.     

聚晶金刚石复合片界面微观结构对性能的影响

以硬质合金基体及优选的主晶为25μm的金刚石颗粒为原料,在2种工艺下用国产铰链式六面顶压机高温高压制备聚晶金刚石复合片(PDC),研究PDC界面处微观结构对其性能的影响。结果表明：工艺1制备的PDC界面处存在类树枝状枝晶金属池,其是硬质合金中的金属元素向聚晶金刚石层方向迁移形成的,主要元素为C、W、Co;而工艺2制备的PDC中不存在此类现象。工艺1制备的PDC的耐热温度为870℃,抗冲击等级为32,磨口面积为5.860 mm²;工艺2制备的PDC的耐热温度为920℃,抗冲击等级为45,磨口面积为5.166 mm²。工艺2制备的PDC相对于工艺1制备的PDC,其耐热温度、抗冲击性能和耐磨性能分别提高50℃、40.6%和11.8%。     

金刚石复合片微观组织结构的研究

采用SEM、EDX和XRD分析手段对一种高温高压合成的金刚石复合片(PDC)进行抛光面和纵切断口的显微形貌、元素能谱成分及物相组成分析研究.结果表明:①在抛光面上:金刚石颗粒连接紧密,黏结剂Co分布均匀呈断续的“网格”结构,其质量分数稍低于纵切断口面.②在纵切断口面上:结合界面处结合紧密,实质是Dia - Co - W...     

WC硬质合金颗粒堆焊烧损的机理

采用扫描电镜、X射线衍射及电子探针等测试分析手段,研究了WC硬质合金堆焊过程的熔化烧损特征和机制。试验结果表明,堆焊过程中不可避免WC硬质合金的烧损,烧损的基本特征是硬质合金边缘的粘结相熔化、碳化物颗粒的增大、单晶WC之间的间距增加。硬质合金烧损形式主要有颗粒边缘熔化、溶解烧损、合金元素的扩散和反应烧损。硬质合金烧损的机理为硬质合金边缘的碳化物产生分解,与胎体金属之间发生元素扩散。形成具有一定浓度梯度的扩散层,扩散层外沿原子浓度高的区域发生组织变化,形成新的化合物,降低硬质合金的性能,烧损的程度与硬质合金的种粒、粒度、含量以及堆焊方法等因素有关。