热丝CVD金刚石涂层膜基界面结合强度研究新进展

硬质合金基体金刚石涂层工具产业化应用的主要障碍之一在于涂层的膜基界面结合强度较差,易引发涂层早期脱落。提高膜基界面结合强度、保证刀具正常使用寿命,已成为金刚石涂层工具产业化亟待解决的主要问题。我们介绍了近年来在提高硬质合金基体金刚石涂层膜基界面结合强度方面所取得的一系列研究新进展,并提出了进一步改善其膜基界面结合强度的新思路,以促进热丝CVD金刚石涂层工具的产业化应用。      

晶向对金刚石涂层膜基界面结合强度的影响

基于分子动力学方法,建立了[100]、[110]、[111]三种常见沉积晶向的硬质合金基底金刚石涂层膜基界面模型。采用Morse势函数、Tersoff势函数以及LJ势函数相互耦合的方法,对模型原子间的相互作用进行了精确表征,借助分子动力学仿真软件Lammps对以上模型的力学性能进行了仿真分析。结果表明:沉积晶向为[100]的金刚石涂层膜基界面拉伸强度最大,[111]晶向次之,[110]晶向最小,并且弹性模量值随涂层晶向的变化规律与之趋同。     

影响CVD金刚石涂层工具界面结合强度的因素及改进措施

化学气相沉积法制备金刚石涂层硬质合金工具综合了金刚石与硬质合金的优异性能,广泛应用于切削难加工材料。金刚石与硬质合金基体界面结合强度是评价金刚石涂层的一个重要性能指标。本文主要介绍了影响CVD金刚石涂层工具界面结合强度的主要因素,并对如何提高其界面结合强度的方法进行了较深入的探讨,同时科学论述了金刚石涂层结构的优化设计理念,以解决金刚石涂层附着强度低、表面粗糙度高等关键技术,这对如何提高硬质合金基体与金刚石涂层之间的界面结合强度具有一定的实际指导意义。     

金刚石薄膜膜基界面结合强度测量技术的研究进展

膜基界面结合强度的测量与评价是金刚石薄膜制备与应用关键问题，本文介绍了国内外金刚石薄膜膜基界面结合强度的几种典型的测量方法，着重探讨了膜基界面结合强度的精确定量测量技术的研究现状以及发展趋势，提出了用一种新的内涨鼓泡测量法，对复杂形状基体上金刚石薄膜膜基界面结合强度进行精确定量检测，为金刚薄膜的制备工艺优化及其质量的评估提供可靠的依据和标准。     

纯钛上沉积金刚石膜的表面及界面表征

钛及其合金密度低、强度高、耐蚀性和生物相容性好被广泛用于航空航天、化工、生物医学等领域。然而,由于该材料耐磨性较差,大大限制了其应用范围。目前,许多表面技术被用于改善其不足,其中在钛及其合金上沉积一层结合好的金刚石膜已成为解决这一问题很有前途的方法。金刚石膜硬度高、导热性好、生物相容性好、摩擦系数小且具有化学惰性,因此,可以作为钛基体的保护膜。为了使钛上沉积金刚石膜这一技术获得工业化应用,还需要做大量的工作,改善结合强度就是其中之一。 由于钛基材与金刚石的热膨胀系数有很大差异,以及在沉积过程中基…     

结晶器铜板涂层界面结合强度的测定

目的准确测定结晶器铜板涂层的界面结合强度。方法考虑到结晶器铜板的涂层属于厚韧性涂层/韧性基体材料体系,宜采用标准的剪切法定量测量其界面结合强度。推荐井玉安等设计的涂层宽度为1 mm的剪切试样及专用模具,并通过该方法测试铜合金基材、电镀层/铜合金、喷涂层/铜合金的界面结合强度。结果测得的铜合金基材的剪切强度离散系数最小;各类涂层的结合强度值离散性与GB/T 13222—1991方法测出的数据相比,相对较小。结论推荐的测试方法较GB/T 13222—1991方法准确度高,适合于结晶器铜板涂层的结合强度测试,且测试时宜先测铜合金基材的剪切强度,以有效减小试验的系统误差。     

基于第一性原理揭示活性元素铪对热障涂层关键界面的强化机理

本文总结回顾作者近年来从第一性原理出发,以应用广泛的高温热障涂层中γ-Ni(Al)/α-Al2O3关键界面为基础,通过建立合理的热力学模型,结合电子密度泛函计算,针对界面结合强度与温度、原子化学配比和活度等的相关性所开展的一系列理论研究实践.结果表明在感兴趣的温度区间内(1300～1600K),界面平衡相为富Al相,但靠近理想化学配比相的相界;富Al相界面的结合强度较高,约3倍于理想化学配比相界面的结合强度.杂质S可向界面强烈富集,并严重削弱界面强度的60%～70%;活性元素Hf具有在基体中有效钉扎S、直接参与界面成键和在界面处置换S的3种界面强化效应.     

薄膜/涂层材料界面结合强度评价方法研究进展

薄膜/涂层与基体间的结合强度作为评价膜层质量的关键指标之一,是保证膜层满足力学、电学、光学以及磁学等使用性能的根本前提.薄膜/涂层材料界面结合性能的表征是表面科学与工程领域的重要组成部分,亦是研判和预防界面失效的基本依据.近年来,新材料、新装备、新技术和新工艺的不断涌现,加剧了界面微观结构的复杂性和结果的不可预测性,同...     

铜包钢线界面结合强度测试方法

本文主要介绍了国内外对于双金属复合材料界面结合强度的测试方法,对其应用的范围及适用对象进行了详细比较.在传统的测试方法基础之上,结合日本测试复合钢的测试标准,给出了一种新的铜-钢复合导线的界面结合强度测试方法.经过实验验证,该方法具有科学可靠性,可测试任意规格线径和任意界面结合强度的铜包钢导线,并且可测试任意双金属复合...     

Influence of textured diamond film on tribological properties of cemented carbide substrate

The texture of different shapes and spacing were machined on the carbide tool surface by laser technology, and the microcrystalline diamond film (MCD film) and nanocrystalline diamond film (NCD film) were deposited on the textured tools by hot filament chemical vapor deposition (HFCVD). The influence of different shape parameters and film types on tribological properties of the textured diamond coated tool was investigated using UMT-2 ball-on-disc friction tester. The surface morphology and wear scar morphology of the textured tool coated were characterized by scanning electron microscopy (SEM). The results showed that the friction coefficient of the narrow groove texture is less and more stable than those of the elliptical texture and the wide groove texture. The friction coefficient of the textured NCD film is generally less than that of the textured MCD film. Besides, for the same film, the more complex shape and the smaller spacing of the texture are, the stronger adhesion strength between the film and the substrate, and debris collection ability of the texture are, the less the friction and wear of the textured diamond film would be.     

硬质合金上沉积金刚石膜的基体预处理方法进展

本文重点对近年硬质合金基体表面预处理方法及其对CVD金刚石膜沉积的影响进行了综述。按其原理来分,预处理方法可分为物理预处理法、化学预处理法以及中间层法。大量实验结果表明通过适当的预处理能有效消除或抑制基体中钴黏结相的负面影响,提高金刚石的形核密度以及膜基结合力,从而获得理想的薄膜质量。     

孕镶金刚石硬质合金基底上沉积金刚石涂层工艺研究

为提高金刚石涂层和基底的结合力,采用化学气相沉积方法在普通硬质合金和孕镶金刚石硬质合金基底上分别沉积金刚石涂层,并通过扫描电镜、拉曼光谱和压痕分析对比研究其结合性能。结果表明:在孕镶金刚石硬质合金基底上可以实现金刚石的同质与异质外延生长;在孕镶金刚石硬质合金基底上沉积的金刚石形核率高,晶形大小均匀,涂层表面平整;孕镶金刚石基底金刚石涂层的结合力优于硬质合金基底金刚石涂层膜基界面的结合力。在孕镶金刚石硬质合金基底上沉积金刚石膜可扩大金刚石涂层的应用范围。      

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。      

化学脱钴对硬质合金沉积金刚石薄膜的影响

采用HFCVD系统,以CH4和H2为反应气体,分别在YG3、YG6、YG10、YG13硬质合金上沉积了金刚石薄膜,研究了化学脱钴处理对不同钴含量硬质合金沉积金刚石薄膜的影响.通过对105个样品的实验结果进行统计分析发现,YG3所得金刚石薄膜样品具有足够结合强度的比例为89%;而YG6、YG10 和YG13所得样品的相应值分别为24%、7%和0%.相反,YG3、YG6、YG10 和YG13所得金刚石薄膜严重破坏的比例分别为0%、64%、72%和79%.研究表明,化学腐蚀脱钴处理能够解决金刚石涂层形核率低的问题,但难以解决高钴硬质合金的附着性差的问题.     

金属载体表面玻璃涂层的表征及结合强度

为解决由于热膨胀系数不同而引起的涂层脱落问题,采用溶胶-凝胶法制备玻璃涂层,涂覆于Ni-Cr-Fe金属载体表面。通过XRD和SEM表征载体和涂层的微观结构,超声振动、热冲击和拉伸实验,评价Ni-Cr-Fe金属载体与玻璃涂层的结合能力。实验结果表明,金属载体表面预处理可以提高载体的几何表面积,载体在900℃高温氧化5 h,出现成簇浮凸状形貌。制备的玻璃涂层均匀、致密,厚度约7.8μm,呈非晶态结构。在超声振动实验中脱落率小于20%,热冲击实验中脱落率小于10%,玻璃涂层具有较高的结合强度。     

细晶粒硬质合金预处理工艺优化及金刚石涂层性能研究

为了进一步拓展金刚石涂层刀具的产业化应用,提升金刚石涂层刀具的结合力性能,本文开展了细晶粒钨钴类硬质合金的化学预处理研究,考察了三步法预处理工艺对不同晶粒度基体形貌和成分的影响,实现了金刚石涂层与基体的高结合强度。利用扫描电子显微镜和EDS能谱仪对预处理后基体的表面形貌和钴含量以及涂层形貌进行分析,采用拉曼光谱、X 射线衍射光谱对涂层物相结构进行分析表征,并利用固体颗粒冲刷评价金刚石涂层的抗冲刷性能。结果表明:酸处理对Co的去除起着重要作用,WC晶粒越小所需酸处理的时间越长,碱处理对WC的刻蚀能力表现出先增大后减小的趋势,在3min时达到最大Co暴露量。由此分别确定了WC-6%Co(0.2,0.4,1.0 μm)基体三步法最佳工艺,三步法预处理后的基体均获得均匀致密,晶粒取向为(111)面,抗冲刷性能优异,膜基结合性能好的金刚石涂层。     

硬质合金基体微织构对TiAlN涂层摩擦性能的影响

采用光纤激光在硬质合金表面进行了激光微织构工艺(不同微凹坑直径、深度及织构密度),利用PVD法对微织构后的硬质合金表面进行TiAlN涂层沉积。在不同速度下(0.02m/s和0.04m/s)进行了摩擦磨损实验,对比分析了不同织构的摩擦系数,利用扫描电镜研究了表面磨损形貌,电子天平测量磨损量,并进行了磨损机理分析。结果表明,基体微织构后涂层表面的摩擦系数比基体无织构的摩擦系数稳定,微织构直径对基体涂层的摩擦磨损性能影响较大。基体微织构后的涂层具有较好的减摩效果。     

金刚石工具中金刚石与胎体结合力的提高方法

由于金刚石具有高硬度、高强度、高耐磨性等一系列优异的物理化学特性,被广泛地用来制备金刚石工具.但金刚石工具中存在的把持力不足、颗粒脱落、氧化、石墨化等问题,严重影响了工具的使用寿命和效率.文章介绍了提高金刚石工具中金刚石与胎体结合力的两大类方法:用表面金属化、表面粗化方法提高金刚石与胎体机械镶嵌力;用气相沉积法、化学镀而后热处理法、盐浴法使金刚石与金属形成化学键结合.通过实施以上方法可以有效地解决金刚石工具中颗粒的结合力问题.     

铬过渡层对氮化铬/镁合金膜基界面结合强度的影响

为了提高磁控溅射氮化铬膜与镁合金基底的结合强度,在两者之间以不同工艺溅射沉积铬过渡层,分析并讨论了铬过渡层对膜基界面结合强度的影响及其机制.结果表明,在镁合金/氮化铬之间增加铬过渡层可提高表征膜基结合强度的膜层破裂临界载荷,且当铬过渡层的溅射工艺为溅射功率100 W、负偏压30 V、基底温度25℃、溅射时间4 min时...