陶瓷轴承NCD涂层的制备研究

摘要

NCD（nano-crystalline diamond）膜有很强的抗腐蚀特性，卓越的力学和摩擦学性能，是一种前景广阔的轴承涂层材料。热丝CVD（HFCVD）是制备NCD膜的常用方法。本文借助有限元分析工具对HFCVD系统中的衬底温度场、气相空间场的分布进行了详细、系统的模拟计算，优化了轴承内外圈NCD涂层制备的工艺参数，并开展了轴承内外圈NCD涂层的制备工艺研究。本文所完成的主要研究工作以及所取得的主要成果如下：
　　 1. 应用传热学、热流体学理论及实验验证的方法，探讨了HFCVD系统的传热传质过程。分别讨论了H2和Ar占主导成分的气氛中气体化学反应、热传导、对流等因素对衬底温度的影响。
　　 2. 开展了HFCVD系统中轴承内外圈衬底温度场的有限元仿真研究，综合分析了热丝数目、温度、热丝到衬底距离等因素对衬底温度的影响。在数值仿真的基础上，优化系统参数，得到适合在轴承内外圈上制备NCD涂层的均匀衬底温度场。
　　 3. 开展了HFCVD系统中轴承内外圈衬底的二维热流有限元仿真研究，对衬底温度，热丝与衬底附近的气相温度、流速、压力等参数进行了系统分析。在数值模拟的基础上优化了进气口数目、进气口位置等参数，得到适合在轴承内外圈上制备NCD涂层的均匀气体流场。
　　 4.在数值分析的基础上，设计了一套适用于轴承内外圈NCD涂层制备的电极装置。研究了Ar-H2-CH4体系制备NCD涂层的工艺，在陶瓷轴承内外圈上成功地制备了NCD涂层。利用Raman光谱、SEM、AFM及纳米压痕等方法对制备的涂层进行了系统分析，研究了衬底温度及Ar含量对NCD涂层制备的影响。