金刚石涂层硬质合金刀具界面结合性能研究

摘要

金刚石涂层硬质合金刀具既表现出金刚石高的硬度和耐磨性，也表现出硬质合金良好的抗冲击性和强韧性，是加工铝合金、纤维或陶瓷复合材料等材料的理想刀具，该刀具的界面结合性能对其使用具有重要影响。目前，国内外对金刚石涂层硬质合金刀具的研究主要通过宏观实验法，从微观原子尺度上对其界面结合性能的研究甚少。本文基于分子动力学与第一性原理，从微观原子尺度上对其界面结合性能进行模拟研究，本研究对揭示该涂层刀具的界面结合机理、优化其界面结构及涂层制备工艺具有重要的理论和实际意义。　　首先，进行了Co含量对金刚石涂层硬质合金刀具界面结合性能的影响研究。构建Co含量分别为6、8、10、12wt%的WC-Co/Diamond界面模型，进行分子动力学模拟，计算分析了界面粘附功以及界面处的键长分布情况，分析结果表明：WC-6wt%Co/Diamond的界面粘附功最大，其界面结合性能最好；随着Co含量的增加，界面结合性能越差。　　然后，进行了中间层对金刚石涂层硬质合金刀具界面结合性能的影响研究。构建Co含量为6wt%的WC-Co硬质合金为基体的WC-Co/中间层/Diamond界面模型，其中，中间层分别为Graphite(石墨)和TiC、TiN、CrN、SiC，对界面模型进行几何优化。计算了界面粘附功和断裂韧性，分析了电子结构和态密度，结果表明：WC-Co/Graphite/Diamond界面模型中，Graphite/Diamond界面没有键形成，WC-Co/Graphite界面处原子间具有同种电荷而相斥，裂纹易发生在石墨相中。添加TiC、TiN、CrN、SiC中间层改变了界面处原子的电荷分配与成键方式，界面处原子间具有异种电荷而相吸，因此，TiC、TiN、CrN、SiC中间层都能有效地阻止Co的扩散，进而提高了金刚石涂层硬质合金刀具界面结合性能，且SiC中间层的改善效果最好，其中WC-Co/SiCSi-C/Diamond界面结构最为稳定。添加TiC、TiN、CrN、SiC中间层后，其裂纹分别最有可能发生在TiCTi/Diamond界面、TiNTi/Diamond界面、WC-Co/CrNCr界面、WC-Co/SiCC-Si界面处。　　最后，进行了沉积温度对SiC中间层金刚石涂层硬质合金刀具界面结合性能的影响研究。构建了WC-6wt%Co/SiCSi-C/Diamond和WC-12wt%Co/SiCSi-C/Diamond界面模型，在不同的沉积温度下(T=973、1023、1073、1123、1173、1223、1273K)进行了分子动力学模拟，计算分析了界面粘附功以及界面处的键长分布情况，分析结果表明：对于Co含量为6wt%的WC-Co硬质合金基体，在1123K温度下，将SiC中间层沉积在WC-Co硬质合金基体上，然后在1173K温度下，将金刚石涂层沉积在WC-Co/SiC上，所制备的SiC中间层金刚石涂层硬质合金刀具的界面结合性能最强；对于Co含量为12wt%的WC-Co硬质合金基体，在1073K温度下，将SiC中间层沉积在WC-Co硬质合金基体上，然后在1223K温度下，将金刚石涂层沉积在WC-Co/SiC上，所制备的SiC中间层金刚石涂层硬质合金刀具的界面结合性能最强。

目录

声明

变量注释表

1 绪论

1.1 引言

1.2 涂层硬质合金刀具研究现状

1.2.1 硬质合金

1.2.2 涂层结构及涂层材料

1.2.3 金刚石涂层

1.2.4 金刚石涂层硬质合金刀具研究现状

1.3 基于分子动力学与第一性原理的含界面材料研究现状

1.3.1 基于分子动力学的含界面材料研究现状

1.3.2 基于第一性原理的含界面材料研究现状

1.4 课题的提出及研究意义

1.5 主要研究内容及安排

1.6 论文主要创新点

2 模拟理论及模拟条件的确定

2.1 引言

2.2 分子动力学

2.3 第一性原理

2.3.1 概述

2.3.2 密度泛函理论

2.4 界面结合性能表征参数

2.5 晶胞模型

2.6 模拟条件的确定

2.6.1 分子动力学模拟条件的确定

2.6.2 第一性原理模拟条件的确定

2.7 本章小结

3 钴含量对金刚石涂层硬质合金刀具界面结合性能的影响

3.1 引言

3.2 界面模型的构建与模拟过程

3.2.1 界面模型的构建

3.2.2 模拟过程

3.3 钴含量对界面结合性能的影响研究

3.3.1 钴含量对界面粘附功的影响

3.3.2 键长分布分析

3.4 本章小结

4 中间层对金刚石涂层硬质合金刀具界面结合性能的影响

4.1 引言

4.2 界面模型的构建与模拟过程

4.2.1 界面模型的构建

4.2.2 模拟过程

4.3 TiC中间层对界面结合性能的影响研究

4.3.1 界面粘附功

4.3.2 断裂韧性

4.3.3 电子结构分析

4.3.4 态密度分析

4.4 TiN中间层对界面结合性能的影响研究

4.4.1 界面粘附功

4.4.2 断裂韧性

4.4.3 电子结构分析

4.4.4 态密度分析

4.5 CrN中间层对界面结合性能的影响研究

4.5.1 界面粘附功

4.5.2 断裂韧性

4.5.3 电子结构分析

4.5.4 态密度分析

4.6 SiC中间层对界面结合性能的影响研究

4.6.1 界面粘附功

4.6.2 断裂韧性

4.6.3 电子结构分析

4.6.4 态密度分析

4.7 本章小结

5 沉积温度对SiC中间层金刚石涂层硬质合金刀具界面结合性能的影响

5.1 引言

5.2 界面模型的构建与模拟过程

5.2.1 界面模型的构建

5.2.2 模拟过程

5.3 温度对 WC-6wt%Co/SiCSi-C/Diamond 界面模型界面结合性能的影响

5.3.1 温度对界面粘附功的影响

5.3.2 键长分布分析

5.4 温度对WC-12wt%Co/SiCSi-C/Diamond界面模型界面结合性能的影响

5.4.1 温度对界面粘附功的影响

5.4.2 键长分布分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

作者简历

致谢

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