大容量热丝金刚石涂层设备温度场和流场的仿真及试验研究

摘要

金刚石涂层因其硬度极高、导热系数高、摩擦系数低、热膨胀系数低以及化学惰性，使其十分适合应用在高寿命、耐磨损、强酸强碱等极其恶劣的工作环境中。并且金刚石涂层已经广泛应用于切削刀具、拉拔模具、机械密封环、轴承、电极等表面，显著降低了摩擦系数和磨损率，使其寿命得到了成倍的增加。但是，由于现有的金刚石涂层设备容量较小，无法批量制备金刚石涂层制品，严重的制约了金刚石涂层产品的进一步推广和应用。此外，小容量沉积设备也无法满足工程实际中对大面积金刚石涂层产品的需求。在众多的金刚石涂层技术中，热丝化学气相沉积金刚石涂层技术（HFCVD）由于其具有结构简单、操作方便、成本低、适用于大面积沉积金刚石涂层等优点，十分适合应用在大容量金刚石涂层设备中。但是，随着设备容积的增大，基体的温度场的均匀一致性必然会加速下降，进而会影响金刚石涂层的形核速率、生长速度以及成膜质量，最终将导致各处金刚石涂层质量参差不齐。因此，关于基体温度和气体流场的研究及优化，对于大容量HFCVD设备制备金刚石涂层制品的理论分析和实际制备都有着重要的意义。
　　本课题将以碳化硅（SiC）机械密封环和PCB铣刀分别作为平面和复杂形状基体沉积金刚石涂层的典型研究对象，借助计算流体动力学模拟仿真软件，建立三维固液气热耦合计算模型，模拟大容量热丝金刚石涂层设备内基体的温度场及其周边的气体流场分布，分析并优化了热丝参数、工作台旋转速度和冷却水流量等参数对基体温度场的影响，从而获得了相对均匀一致的基体温度场分布。然后，在大容量热丝金刚石涂层设备中以优化后的参数在SiC机械密封环和PCB铣刀基体表面制备了金刚石涂层。最后，通过扫描电子显微镜和拉曼光谱仪的表征及实际切削试验对所制备的金刚石涂层的均匀性、附着力等进行了评价。本文主要完成的研究内容概括如下：
　　1．基于有限容积法（FVD），依据系统实际尺寸和实际工作状态，建立了耦合热传导、热对流、热辐射等传热机制的固液气热耦合大容量金刚石沉积系统仿真模型，模拟了基体的温度场及其周围的气体流场分布。在所建立的计算模型中通过引入了水冷台中冷却水、工作台转速、丙酮和氢气混合气体等因素使模型更加贴合实际。其中工作台的旋转和反应腔中的混合气体分别是通过MRF模型（Multi Reference Frame）和组分运输模型实现的。
　　2．就大容量热丝金刚石涂层设备在SiC机械密封环基体表面沉积金刚石涂层进行了温度场和流场的仿真研究，研究结果表明通过工作台旋转和合理热丝布置可以满足制备高质量金刚石涂层对温度场均匀性和一致性的要求。在仿真中具体分析了热丝排布（包括钽丝直径、钽丝间距、钽丝高度）、冷却水流量和工作台旋转速度等因素对温度场影响，并利用控制变量法逐一进行了优化。此外，分析了小容量热丝金刚石涂层设备在碳化硅机械密封环基体表面沉积金刚石涂层模型的模拟仿真，通过与大容量热丝金刚石涂层设备模型的模拟仿真对比，指出了大容量热丝金刚石涂层设备沉积金刚石涂层特点与难点。
　　3．就大容量热丝金刚石涂层设备在PCB铣刀基体表面沉积金刚石涂层进行了温度场的仿真研究，研究结果表明通过工作台旋转和合理热丝布置及冷却水流量可以满足在复杂形状表面制备高质量金刚石涂层对温度场的均匀性和一致性的要求。在仿真中分析了热丝排布、冷却水流量和工作台旋转速度等因素对刀具刃部表面温度场的影响，并利用控制变量法逐一进行了优化。此外，通过与大容量热丝金刚石涂层设备在机械密封环基体沉积金刚石涂层的模拟仿真对比，指出了大容量热丝金刚石涂层设备在复杂形状表面沉积金刚石涂层特点与难点。
　　4．在大容量热丝金刚石涂层设备中以优化后的沉积参数在SiC机械密封环和PCB铣刀基体表面制备了金刚石涂层，并用扫描电子显微镜和拉曼光谱仪对所沉积的金刚石涂层均匀性进行表征评价，结果表明在基体表面沉积了一层连续的、厚度均匀、颗粒大小一致的高质量的金刚石涂层。并通过为了实际的切削试验进一步检验了不同位置 PCB铣刀表面金刚石涂层的附着力和磨损性能，结果表明各个位置PCB铣刀的金刚石涂层附着力和磨损性能等基本一致。

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第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 引言

1.3 金刚石薄膜的材料特性和制备方法

1.4 金刚石涂层产品的研究现状

1.5 基于HFCVD法温度场和流场仿真的研究现状

1.6 课题研究背景及意义

1.7 本文研究内容

第二章 HFCVD沉积系统模型的建立

2.1 引言

2.2 计算流体动力学理论基础及仿真软件

2.3 仿真模型的建立与网格划分

2.4 仿真计算及结果

2.5 本章小结

第三章 HFCVD法在碳化硅机械密封环端面沉积金刚石涂层的温度场仿真及试验研究

3.1 引言

3.2小容量制备机械密封环的温度场仿真优化及沉积试验

3.3大容量制备机械密封环的温度场仿真优化及沉积试验

3.4 本章小结

第四章 大容量HFCVD设备制备金刚石涂层PCB铣刀的温度场仿真与切削试验研究

4.1 引言

4.2大容量HFCVD设备制备金刚石涂层PCB铣刀的温度场仿真

4.3大容量HFCVD设备制备金刚石涂层PCB铣刀的流场仿真

4.4大容量HFCVD设备制备PCB铣刀的沉积试验

4.4金刚石涂层PCB铣刀的切削试验研究

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 本文完成的主要研究工作和结论

5.2主要创新点

5.3 下一步研究工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间公开发表的论文

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