化学气相沉积金刚石薄膜刀具膜/基附着性能研究现状

CVD金刚石薄膜涂层刀具被认为是能最早实现CVD金刚石工业化应用的领域之一.目前,限制CVD金刚石薄膜涂层刀具产品大规模产业化应用的主要原因,是金刚石薄膜与硬质合金基底之间粘附性能较差.如何提高膜/基粘附性能,确保CVD金刚石薄膜涂层刀具优异性能的发挥、涂层刀具的使用寿命和加工性能,已成为材料科学工作者迫切需要解决的问题.介绍了影响CVD金刚石薄膜硬质合金刀具膜/基附着性能的主要因素、改善金刚石薄膜与硬质合金基体之间附着力的途径以及表征膜/基附着力的测试方法等方面的研究成果,并对提高低压气相金刚石薄膜硬质合金刀具膜/基附着性能的研究现状进行了分析.     

低残余应力HFCVD硼掺杂金刚石薄膜的制备与图形化研究

采用拉曼光谱技术分析了不同生长气压和碳源浓度下,硅基HFCVD硼掺杂金刚石薄膜中的残余应力,并使用光刻和反应离子刻蚀技术加工出多种金刚石薄膜微结构。研究结果表明:利用热丝CVD沉积的硅基金刚石薄膜内存在残余压应力,通过优化生长气压,可以有效降低金刚石薄膜的残余压应力,在生长气压从1.3kPa增加至6.5kPa的过程中,晶格缺陷增加,残余压应力减小。碳源浓度的变化对残余应力的影响较小,但对薄膜质量影响较大。采用低残余应力的金刚石薄膜通过光刻和反应离子刻蚀获得了悬臂梁、角加速度计、声学振膜等微结构。      

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。     

CVD金刚石膜的机械抛光加工研究

在简要综述 CVD金刚石膜光整加工方法的基础上 ,在自动抛磨机上对 CVD金刚石厚膜进行了初步的机械抛光工艺研究 ,借助扫描电子显微镜 (SEM)对抛光前后及抛光过程中 CVD金刚石膜的表面形貌变化进行了观察 ,初步讨论了 CVD金刚石的去除过程。     

硬质合金CVD金刚石涂层最新进展

金刚石因具有优异的物理化学性能被认为是理想的刀具材料。硬质合金基底上涂覆CVD金刚石薄膜有利于改善刀具的加工性能和寿命,但涂层和基底之间存在热膨胀系数差异以及合金中Co对沉积有不利影响,使得薄膜附着力较差。本文综述了近几年来各种提高CVD金刚石涂层刀具切屑性能的方法,从提高薄膜附着力和改善金刚石膜的质量两个方面进行了讨论。并介绍了国外较先进的CVD金刚石涂层刀具的应用,随着技术的不断成熟,CVD金刚石涂层将会有更为广泛的应用。     

直流电弧等离子体喷射法制备金刚石自支撑膜研究新进展

文章综述了以直流电弧等离子体喷射法制备自支撑金刚石膜的研究新进展,对电弧特性、金刚石晶体质量、力学性能、光学性能及热学性能进行了介绍。研究表明:不同电弧区域的金刚石膜结晶质量及应力状态有所差异,钛过渡层可以降低金刚石的残余应力;采用四点弯曲测得金刚石的断裂韧性为10.99 MPa·m1/2;一定温度范围内,金刚石吸收系数与温度的关系基本不受金刚石质量和厚度的影响;金刚石的光学性能越好,其热导率越高,且金刚石形核面热导率略高于生长面,500 K以上时多晶金刚石膜的热导率近似于单晶水平。      

聚晶金刚石复合片的残余应力测试与研究

聚晶金刚石复合片产品内部普遍存在残余应力,这是造成其非正常失效的主要因素。我们详细研究了金刚石复合片内部残余应力的组成,并采用X射线衍射仪建立了聚晶金刚石复合片残余应力的检测方法,研究了聚晶金刚石复合片的残余应力分布规律。利用XRD检测残余应力的方法,分别研究了聚晶金刚石层厚度、金刚石粒度尺寸、两相界面结合形状以及金属Co对复合片的残余应力的影响规律,为控制PDC内部应力提供参考。结果显示:金刚石层表面残余应力最大的压应力在中心位置,从中心到边缘,应力的大小逐渐降低;PCD层与硬质合金基体界面附近的应力值对PDC使用性能的影响最大。      

孕镶钻头胎体对金刚石机械把持力的评价方法

传统的孕镶钻头胎体对金刚石的把持力来源于机械把持力。金刚石表面的残余压应力是评价胎体对金刚石机械把持力的重要指标。本文中,对现有的金刚石表面压应力计算方法进行比较和评价,发现经验公式、弹性力学方程表征公式的计算结果与实际值差别很大,公式形式不够合理,而基于弹塑性力学理论的力学计算公式与有限元数值模拟方法具有很好的有效性。对WC基金刚石复合材料烧结后的冷却过程分析发现,钻头胎体在烧结后的冷却过程中发生了塑性变形,金刚石颗粒周围形成塑性变形区域;塑性变形吸收了一部分能量,缓解了金刚石—胎体之间的热错配应力,释放了一部分金刚石表面的静压应力;冷却完成后,金刚石表面会产生残余压应力,而这种残余压应力是胎体对金刚石机械把持力的主要来源。      

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.     

后处理工艺对硼掺杂金刚石电极膜/基结合性能的影响

为改善硼掺杂金刚石(boron-doped diamond,简称BDD)涂层电极的膜/基结合性能,利用热丝气相沉积法(HFCVD法)制备了BDD涂层电极,研究了退火时间和退火温度对涂层电极上BDD膜的残余应力和膜/基结合性能的影响.采用XRD残余应力测试仪对BDD膜的残余应力进行了测试,采用压痕法对BDD涂层电极膜/基结合性能进行了检测.结果表明:(1)在测试范围内,随退火温度升高、退火时间延长,后处理效果提高;(2)在退火温度700℃、退火时间3h条件下,涂层电极上BDD膜的残余应力最大可降低45％,BDD涂层电极膜/基结合性能有所提高.     

CVD金刚石表面增透膜的研究进展

CVD金刚石膜因特有的物理化学性质,具有发展成为新一代光学材料的前景。但由于CVD金刚石膜自身局限性导致其理论透过率不到71%,在金刚石膜表面镀制增透膜,通过改变增透膜组成成分、显微组织和晶体结构,可有效地改善CVD金刚石膜自身理论透过率的问题。首先,介绍了CVD金刚石表面镀制单层增透膜增透原理,并总结了物理和化学气相沉积技术制备增透膜的优缺点。然后,重点综述了近年来CVD金刚石表面氮化物、金属氧化物和稀土金属氧化物等增透膜材料的研究进展,详细分析了增透膜制备参数、热处理工艺、衬底表面改性和掺杂工艺对增透膜整体组织和性能影响的规律。其中优化增透膜沉积温度、氧分压和热处理等工艺参数,是通过改变增透膜微观组织形貌以及晶体结构来提高其光学透过性能,而改变衬底表面结构能够通过改变增透膜与基体之间的成键方式来提升界面结合能力,而稀土元素掺杂方式是通过改变增透膜化学组成成分来改善增透膜的光学透过性能,并指出掺杂元素成型机理和影响机制。最后,展望了未来CVD金刚石表面增透膜的发展方向。     

Improvement in adhesion of diamond film on Cu substrate with an inlay structured interlayer

Diamond films were fabricated by using a two-step process on copper substrates in this study. The first step involved electroplating a chromium (Cr)–diamond composite interlayer on copper substrate and in the second step continuous diamond film was deposited on top using the hot-filament chemical vapor deposition (HFCVD) method. The interfacial characteristics was investigated by indentation tests and the thin film surface morphology, phase structure and residual stress analyzed by scanning electron microscopy (SEM), X ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy. The results show that the diamond particles are deeply imbedded in the chromium layer and the amorphous Cr in the composite interlayer was carburized to Cr₃C₂ during the CVD process. Low residual stress was detected in the diamond film and good adhesive strength between film and substrate was obtained due to the diamond particles anchored deep in the Cr₃C₂ matrix. Concentric cracks but no delaminated areas and radial cracks were observed on the periphery of the indentation at indentation load of 441 N.     

CVD金刚石涂层中热应力的有限元模拟

在CVD涂层系统中,由于各种材料物理性能的差异,涂层在从沉积温度冷却到室温的过程中会产生热应力,影响膜基之间的附着力.为了考察各种因素对产生热应力的影响,利用热固耦合有限元方法分析了不同沉积条件下硬质合金基体上金刚石膜的热应力情况,还讨论了有不同过渡层的情况.对各情况下的轴向、径向和剪切应力做了比较分析.结果发现沉积温度和金刚石膜厚度对热应力影响较大,而过渡层厚度和物理性能对热应力影响不大.     

Study on morphologies and structures of diamond films synthesized on cemented carbide substrates

１ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｒｅａｒｅａｌｏｔｏｆｎｏｎｍｅｔａｌｌｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓｓｕｃｈａｓｃｅｒａｍｉｃｓ,ｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｓａｎｄｖａｒｉｏｕｓｗｏｏｄｂａｓｅｄｐｒｏｄｕｃｔｓ,ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓｍｅｔａｌｓａｎｄａｌｌｏｙｓ,ａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｈｉｃｈｃａｎｎｏｔｂｅｍａｃｈｉｎｅｄｕｓｉｎｇｃｅｍｅｎｔｅｄｃａｒｂｉｄｅｃｕｔｔｉｎｇｔｏｏｌｓ．Ｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓａｎｄｅｎｇｉｎｅ…     

激光预处理硬质合金衬底沉积金刚石薄膜研究

研究了准分子激光辐照对ＷＣ－６ｗｔ％Ｃｏ（ＹＧ６）硬质合金工具衬底沉积金刚石膜的影响。证实准分子激光辐照可产生钴选择性蒸发和表面粗糙化；从而有效地降低表面钴含量，消除钴对金刚石膜沉积的有害影响。硬质合金ＹＧ６工具衬底沉积金刚石薄膜工艺参数范围较窄，采用阶段沉积法可以得到质量良好，附着力强的金刚石薄膜。     

Analysis of tool wear and residual stress of CVD diamond coated cemented carbide tools in the machining of aluminium silicon alloys

Aluminium alloys have found increasing applications in the automotive and aeronautical industries in recent years. Due to their extraordinary properties however, the machining of these alloys still poses difficulties, and requires the optimized combination of cutting tool material and geometry. The potential of CVD diamond coated carbide tools has been demonstrated in recent years, however tool wear and short tool life remain as issues to be resolved. Key to increasing the tool life of CVD diamond coated tools is the further development of the coating process to optimize the coating adhesion. An understanding of the substrate and coating residual stress profiles must be gained in order to achieve this. Compressive residual stresses in cutting tools can lead to a higher crack resistance, but also to early coating delamination and tool failure. To analyze the influence of residual stresses on the coating quality and tool life, the residual stress profiles of tungsten carbide substrates and CVD diamond coatings were measured using X-ray and synchrotron radiation. The influence of the tungsten carbide substrate type and the CVD diamond coating process on the residual stress profiles was thus determined. In order to analyze the performance of the coated tools and the influence of the residual stresses on the tool lifetime, machining tests were performed with two aluminium silicon alloys. The tool wear, tool lifetime and workpiece quality were examined. Finally, many of the commonly used wear tests used to analyze the wear resistance of tool coatings cannot be implemented for CVD diamond coatings due to their high hardness. An impact test was therefore constructed to allow the determination of the wear resistance of CVD diamond tools.     

CVD金刚石自支撑膜的研究进展

金刚石膜以其最高的硬度、热导率、热震性能以及极高的强度等优点得到了越来越多的关注。自20世纪低压化学气相沉积技术成功制备出金刚石以来,在世界范围内,金刚石的制备技术及应用研究得到了快速发展。分别对国内外自支撑金刚石膜材料的制备技术及相关应用进行简要介绍,并讨论近几年我国在高质量金刚石膜材料制备技术方面取得的进展。目前主要的制备技术有热丝、直流辅助等离子体、直流电弧等离子体喷射、微波等离子体化学气相沉积(CVD)等方法。在小尺寸、高质量金刚石膜的制备技术基础上,21世纪初,国外几大技术强国先后宣布实现了大面积、高质量CVD金刚石膜的制备,并将其用于诸如红外光学窗口等高技术领域。我国也在CVD金刚石膜研发方面不断进步,先后掌握了热丝、直流电弧等离子体喷射、直流辅助等离子体CVD等合成大面积金刚石自支撑膜技术,近几年也掌握了915 MHz微波等离子体CVD技术,这些成果也标志着我国在高质量金刚石膜制备技术领域跟上了世界先进水平。     

Cutting performance of multilayer diamond coated silicon nitride inserts in machining aluminum–silicon alloy

Aluminum–silicon (Al–Si) alloy is very difficult to machine and diamond tools are considered by far the best choice for the machining of these materials. Experimental results in the machining of the Al–Si alloy with diamond coated inserts are presented. Considering the fact that high adhesive strength and fine surface morphology play an importance role in the applications of chemical vapor deposition (CVD) diamond films, multilayer technique combining the hot filament CVD (HFCVD) method is proposed, by which multilayer diamond-coating on silicon nitride inserts is obtained, microcrystalline diamond (MCD)/ nanocrystalline diamond (NCD) film. Also, the conventional monolayer NCD and MCD coated inserts are produced for comparison. The as-deposited diamond films are characterized by field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and Raman spectrum. All the CVD diamond coated inserts and uncoated insert endure the aluminum-silicon alloy turning to estimate their cutting performances. Among all the tested inserts, the MCD/NCD coated insert exhibits the perfect behavior as tool wear due to its very low flank wear and no diamond peeling.     

金刚石膜机械和机械-化学抛光

化学气相沉积(CVD)法生成的金刚石膜具有天然金刚石的基本性质，在机械、电子、光学等领域都有着广泛的应用。但CVD金刚石多晶膜表面凹凸不平，表面粗糙度较大，限制了它的广泛应用，因此，金刚石膜的抛光成为必不可少的工艺步骤。但是，金刚石膜的硬度非常高，且厚度薄，整体强度低，易破裂或剥落，抛光难度很大。国内外学者通过实验和研究，提出了多种金刚石膜抛光的理论和方法。本文详细论述了几种典型的机械、化学、机械-化学抛光方法的机理、工艺和特点。     

提高CVD金刚石涂层刀具附着力的应用研究

介绍了影响CVD金刚石涂层刀具附着力的因素,并重点对提高其附着力的工艺措施进行了较深入的研究,对解决刀具基体与金刚石薄膜之间的附着力过小问题有一定的指导意义.