金刚石涂层硬质合金HfC-SiC过渡层制备及结合强度研究

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:pisces_ww
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采用化学气相沉积方法,将金刚石沉积到硬质合金(WC-Co)刀体表面获得的涂层刀具,既可以发挥金刚石高硬度、高耐磨性和高导热性的优势,又可以保持硬质合金韧性好、强度高的特点,在有色金属及其合金、各种颗粒或纤维增强复合材料、高性能陶瓷等材料加工领域有着广阔的应用前景。然而,金刚石涂层与硬质合金基体间结合强度较低,在一定程度上限制了金刚石涂层刀具的应用。导致其结合强度低的原因主要有两方面:一是硬质合金中的Co在金刚石涂层的沉积过程中会抑制金刚石形核,导致界面处石墨和非晶碳形成;二是金刚石与硬质合金材料间存在硬度、热膨胀系数(CTE)等差异,导致涂层热应力问题。本论文利用双辉等离子表面冶金技术(DGPSA)的技术优势,结合碳化铪(HfC)和碳化硅(Si C)具有较高硬度和较低CTE的特点,在硬质合金表面制备与基体冶金结合的SiC/HfC和HfC-SiC/HfC两种新型过渡层,以减小Co的负面催化作用,调配过渡层的热膨胀系数,改善金刚石涂层的结合强度。其中,SiC/HfC为双层组织结构,由HfC内层和SiC外层组成;HfC-Si C/HfC则为双层梯度组织结构,主要由HfC内层和成分梯度分布的HfC-SiC外层组成。论文通过对DGPSA装置进行优化改进,获得两种新型过渡层组织结构,结合物相分析、组织结构表征和性能测试,研究了典型过渡层结构对金刚石涂层结合强度的影响,为提高金刚石涂层/硬质合金间的结合强度提供了参考依据。本文主要研究内容及研究结果如下:(1)探究了dgpsa技术制备sic的可行性,借助comsol软件对dgpsa装置内气体流场进行了数值模拟和优化设计,根据模拟结果对装置进行了改进,并利用改进后的装置对模拟优化的结果进行了验证。实验表明,采用现有的装置即使在四甲基硅烷(tms)流量较高的条件下,也无法实现sic的沉积,装置中的保温罩对反应气体的阻挡是无法实现sic制备的主要原因。而气体由保温罩侧面进入、由测温观察孔和新增出气孔同时流出的方式,可以在样品上方及等离子体区域获得均匀且强度较高的气体流场,是最有可能实现sic合成的进出气方式。验证实验表明,根据模拟结果改进的装置可以在较宽的工艺范围内沉积sic涂层,但所制备的sic涂层受co催化作用的影响,致密性与结合强度较差,不适合直接用作金刚石涂层硬质合金的过渡层。(2)使用改进的dgpsa装置,分别以基体温度和tms流量为变量,在wc-co硬质合金基体上制备了sic/hfc双层过渡层,对所制备过渡层的表面和界面形貌、物相组成、硬度及结合强度等进行了测试分析,探讨了适用的sic/hfc双层过渡层的结构性能和制备条件。实验结果表明,基体温度为800℃,tms流量为2.0sccm时,sic/hfc双层过渡层组织致密,显微硬度较高,且与基体间结合良好。该参数下制备的过渡层可以有效地阻挡co向沉积表面扩散,并能够在其表面沉积致密均匀且具有较高强度的纳米金刚石涂层,涂层结合强度达到hf3级。(3)在研究结果(2)的基础上,通过在dgpsa过程中不断增大tms流量的方式,在硬质合金表面制备出HfC-SiC/HfC双层梯度过渡层,并研究了不同流量增速对过渡层成分、微观组织和性能的影响规律。随后,在结构优化的双层梯度过渡层上沉积了金刚石涂层,对比分析了两种过渡层表面金刚石涂层的结合性能及内在成因。结果表明,HfC-SiC/HfC双层梯度过渡层的组织结构与SiC/HfC双层过渡层类似,但是内外层之间的界面过渡良好,在外层中HfC和SiC呈梯度分布。TMS流量增速为0.20 sccm时,过渡层具有较高的表面粗糙度和结合强度,同时表面显微硬度也较高。与SiC/HfC双层过渡层表面沉积的金刚石涂层相比,在HfC-SiC/HfC双层梯度过渡层表面获得的金刚石涂层,具有更高的结合强度和更低的热应力,表明成分和性能梯度分布的HfC-Si C/HfC双层过渡层是改善金刚石涂层/硬质合金体系结合强度的一种有效的方法和途径。
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