YG6硬质合金基体表面沉积金刚石-碳化硅复合薄膜研究

摘要

近年来金刚石刀具运用越来越广泛，但是由于传统的金刚石涂层刀具存在膜-基结合力不佳的问题，其在使用过程寿命较短，因此使用成本较高，为了进一步改善金刚石涂层刀具的膜-基结合力，本文进行了以下探索：　　在计算部分，本文研究了热丝法化学气相沉积（HFCVD，Hot Filament Chemical Vapor Deposition）金刚石-碳化硅复合薄膜残余热应力，采用的研究方法是有限元模拟技术（FEM，Finite Element Method），利用有限元模拟软件ANSYS计算分析了五种不同结构的热丝化学气相沉积金刚石-碳化硅复合薄膜中的残余热应力的大小和分布规律，并以薄膜在膜-基界面结合处X方向的应力为主要参考依据来评价薄膜与基体之间的结合力优劣，模拟结果表明过渡层能够缓和膜-基界面结合处的应力集中水平，其中成分梯度过渡层缓和应力的效果最好，同时保证了薄膜表面的硬度和耐磨性，是本文所模拟的五种薄膜结构中性能最佳的金刚石-碳化硅复合薄膜。　　在实验部分，本文探索了金刚石薄膜沉积前处理中碱处理时间对膜-基结合力的影响，优化出碱处理10min加酸处理1min为结合力最佳的前处理工艺；同时还研究了甲烷浓度对金刚石表面形貌的影响，实验结果表明增大甲烷浓度能够细化金刚石的晶粒，但是金刚石的质量有所降低；然后本文探究了丝-基距离对金刚石表面形貌的影响，实验结果表明减小丝-基距离能够细化金刚石的晶粒，但是金刚石的质量降低；本文实验的最后部分探索了金刚石-碳化硅复合薄膜的生长规律，探索出通过调节丝-基间距来控制金刚石-碳化硅复合薄膜中碳化硅和金刚石比例的方法，在此基础上沉积出四种碳化硅-金刚石复合薄膜，并进行了洛氏压痕结合力测试，测试结果表明纯金刚石薄膜的结合力最差；梯度层能够提高膜-基结合力，其中梯度成分过渡层的结合力最好，实验结果与模拟结果相吻合。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 金刚石和碳化硅的性质

1.2.1金刚石的性质

1.2.2碳化硅的性质

1.3 CVD金刚石薄膜硬质合金刀具研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 实验设备、实验材料及表征

2.1 实验装置

2.1.1 真空系统

2.1.2 配气系统

2.1.3 水冷却系统

2.1.4 电控系统

2.1.5 温度测量

2.2 实验药品及材料

2.3表征方法及设备

2.3.1 扫描电子显微分析

2.3.2 X射线衍射分析（XRD）

2.3.3 拉曼光谱

2.3.4 洛氏硬度计

3 金刚石-碳化硅复合薄膜热应力有限元计算

3.1 引言

3.2 ANSYS软件介绍

3.3 薄膜热应力有限元分析

3.3.1 薄膜热应力有限元计算的原理

3.3.2 薄膜热应力有限元模型的简化假设

3.3.3 薄膜热应力有限元计算模型的建立

3.4 不同结构的金刚石-碳化硅复合薄膜热应力有限元计算

3.5 本章小结

4 金刚石-碳化硅复合薄膜制备

4.1 引言

4.1.1 CVD金刚石薄膜的制备原理

4.1.2 化学气相沉积制备金刚石薄膜的方法

4.2 HFCVD金刚石薄膜的生长及工艺优化

4.2.1HFCVD金刚石薄膜生长实验步骤

4.2.2 碱处理时间对金刚石薄膜与基体结合力的影响

4.2.3 甲烷浓度对金刚石薄膜表面形貌的影响

4.2.4 丝-基距离对金刚石薄膜表面形貌的影响

4.3 HFCVD金刚石-碳化硅复合薄膜的生长及结合力测试

4.3.1 HFCVD金刚石-碳化硅复合薄膜生长规律探索

4.3.2 不同类型的 HFCVD金刚石-碳化硅复合薄膜生长

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果