CVD纳米碳化硅中间层及硬质合金基体金刚石涂层的研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:john20002000
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碳纤维复合材料具有很高的比强度、非常大的比刚度、很好的抗疲劳和耐腐蚀等性能,使得这类材料在汽车、航空航天等领域应用广泛,但是这类材料难切削加工的特点使其应用受到了限制。金刚石薄膜除具有高硬度、高耐磨性、较低的摩擦系数与热膨胀系数等优点外,其优异的切削加工性能使得金刚石涂层刀具在加工行业具有重要的应用前景。因此,在硬质合金刀具上沉积金刚石薄膜的研究显得尤为重要。然而硬质合金热膨胀系数(4.5×10-6K-1)与金刚石热膨胀系数(1.0×10-6K-1)之间存在差异,且硬质合金基体中粘结相Co元素具有催石墨化的作用,这两种因素对薄膜与基体的粘附性造成很大的影响。为了解决膜/基结合力不足的问题,本文选择在硬质合金基体与顶层金刚石薄膜之间沉积纳米SiC(热膨胀系数3.8×10-6K-1)中间层法以有效的缓解热膨胀系数差异以及Co扩散带来的限制。本文采用H2、TMS(四甲基硅烷)作为反应前驱气体,用电子增强热丝化学气相沉积(EA-HFCVD)法在硅基体上制备纳米SiC薄膜;以H2和CH4的混合气体作为反应前驱体,用EA-HFCVD法在硬质合金(YG6X)平面刀具与钻头表面沉积金刚石薄膜。采用扫描电子显微镜、X射线衍射、电子探针、拉曼光谱、纳米压痕、洛氏C压痕实验检测方法分别对薄膜的形貌、结构、成分、成键形式以及力学性能进行了表征。实验结果表明气压、基体温度及TMS vol.%均对纳米SiC薄膜生长及性能有影响。相比较而言,气压和TMS vol.%影响较为明显,尤其对SiC晶粒尺寸和形貌的影响较大;XRD结果表明,在本文探究的纳米SiC薄膜实验参数内,得到薄膜均为β-SiC;EPMA、 Raman及纳米压痕结果显示薄膜中Si/C比越接近1时,薄膜的纯度越高,其力学性能越好,且薄膜中多余的C以sp2键形式存在;薄膜最高的硬度和弹性模量值分别为23GPa、320GPa。综合气压、基体温度及TMS vol.%的实验结果与分析,得出本文讨论范围内最佳纳米SiC薄膜沉积参数为气压0.75kPa,基体温度620℃,TMS浓度0.1%。在YG6X平面刀具上沉积纯金刚石及纳米SiC中间层加顶层金刚石薄膜的实验表明,中间层可提高薄膜与基体间的粘附性,中间层薄膜致密性越好,改善粘附性的效果越明显。通过在YG6X的钻头上沉积金刚石薄膜的实验,发现在该实验装置下可以沉积出金刚石薄膜。实验中改变钻头尖端与灯丝的间距来调节钻头尖端的温度,发现在本实验灯丝排布方式下,钻头尖端温度过高,晶粒较大。由SEM与Raman结果得知,当钻头尖端以下温度在720~750℃附近,得到的金刚石薄膜质量较好。
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