类金刚石碳基复合薄膜制备工艺及其应用研究

发布时间：2020-04-24 15:04

【摘要】：类金刚石碳基(Diamond-like Carbon,DLC)薄膜拥有众多与金刚石薄膜相似的优异性能如高硬度、低摩擦系数、耐磨损、耐腐蚀、化学性能稳定等,作为表面防护以及固体润滑的新型功能薄膜材料拥有巨大的应用前景。DLC薄膜的实用化始于20世纪80年代中期,但截至目前DLC薄膜仍未在世界范围内得到大规模的应用,主要是其本身存在的膜基结合强度不足、韧性差以及摩擦学性能不稳定等问题,严重制约了其作为功能涂层的耐用性能。因此,如何改变薄膜设计理念,开发新型DLC薄膜,进而改善并提高DLC薄膜的综合性能,对实现DLC薄膜在世界范围内的大规模应用具有重大的现实和社会价值。论文从理论和实际应用角度,设计了以金属掺杂和多层交替的复合薄膜构筑结构来改善DLC薄膜综合力学性能。在此基础上,应用作刀具涂层完成了玻璃纤维增强复合材料的车削加工研究,并探索了一种以DLC薄膜补偿结合精密切削技术的,可同时实现微米和中间尺度零件/结构高精度、高表面质量加工的新型复合制造技术。主要完成了:(1)采用阳极层线性离子源技术制备单层含氢DLC薄膜,对制备原理及薄膜生长机理进行了分析。研究了不同离子源电压(400V～1000V)、脉冲负偏压(-600V～-1400V)和基体温度(50℃～250℃)对薄膜形貌、微观组织结构、膜基结合强度、韧性和耐磨性的影响规律。当离子源电压为1000V,脉冲负偏压为-1400V,基体温度为100℃时,薄膜综合力学性能最佳。(2)采用中频反应磁控溅射技术制备了单层Ti掺杂DLC复合薄膜,对制备原理及薄膜生长机理进行了分析。研究了不同中频电流(2A～6A)、Ar进气流量(40sccm～120sccm)和脉冲负偏压(-400V～-1200V)对薄膜形貌、微观组织结构、膜基结合强度、韧性和耐磨性的影响规律。当中频电流为5A,Ar进气流量为lOOsccm,脉冲负偏压为-800V时,薄膜综合力学性能最佳。(3)采用单层含氢DLC薄膜与单层Ti掺杂DLC薄膜交替沉积、多层构筑的方式完成了DLC多层交替复合薄膜的制备。结合各单层薄膜的生长速率,通过改变调制周期和调制比来控制周期内薄膜厚度值及各个单层的厚度比,从而获得不同的薄膜性能。当调制周期为366nm,调制比为1:1时,DLC多层交替复合薄膜相较于含氢DLC薄膜,膜基结合强度从97N增加至110N,韧性CPRs从2195N~2增加至2980N~2,摩擦系数从0.1降低至0.08左右,磨损率从1.13×10~(-7)mm~3/(m·N)进一步降低至4.82×10~(-8)mm~3/(m·N)。(4)采用无涂层、涂覆单层含氢DLC薄膜和DLC多层交替复合薄膜的YG8硬质合金车刀对无碱类E型玻璃纤维增强复合材料进行了干式车削加工。研究了不同切削深度、进给量以及切削速度对切削加工过程的影响。经过DLC镀膜,刀具的切削寿命得到显著延长。所有刀具在切削玻璃纤维增强复合材料后均呈现磨粒磨损形貌,涂层刀具的磨损除了磨粒磨损外还存在薄膜剥落失效现象。相比于单层无掺杂含氢DLC薄膜,DLC多层交替复合薄膜与刀具的结合强度、耐磨性能明显占优势。从加工表面质量上看,采用涂层刀具加工后,已加工表面的纤维拔出、断裂、弯曲等缺陷明显减少,表面粗糙度值更低。从切削参数选择上看,车削加工玻璃纤维增强复合材料应该选用小的切削深度、低进给量和高切削速度的工艺参数。(5)对以DLC薄膜补偿结合精密切削技术的,可同时实现微米和中间尺度零件/结构高精度、高表面质量加工的新型复合制造技术进行了公差理论研究,包括尺寸公差、精密切削加工工序公差和镀膜膜厚公差;以台阶和槽作为微米和中间尺度复合制造技术验证对象,经过精密切削以及DLC多层复合薄膜精密补偿后,一方面零件的表面硬度从HV775.96增加至HV1016.34,而且表面耐磨性得到极大提高,摩擦系数从0.75降低至0.08,另一方面在尺寸上达到了设计尺寸400μm和700μm的加工制造要求,精度等级达到IT5。
【图文】：

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逦博士学位论文逡逑图１．３传统ＴｉＮ涂层（左）和新型ＤＬＣ涂层（右）螺纹成型工具表面损伤对比逡逑与国外相比，，国内的ＤＬＣ薄膜研制与应用起步均较晚。目前在刀具应用领域，国逡逑内的苏州星弧涂层科技股份有限公司（外资）技术相对成熟，现己成功将ＤＬＣ涂层应逡逑用于刀具如图１．４所示，使得刀具寿命延长了邋３￣４倍，大大降低了刀具使用成本，提高逡逑了生产效率。广州有色金属研究院在硬质合金刀具表面沉积了厚的ＤＬＣ薄膜，在逡逑切削共晶铝硅合金时提高寿命１．５倍，在切削耐磨铝青铜时提高寿命８倍，但在切削大逡逑颗粒复合材料时表现并不佳［２５］。上海纳峰科技有限公司将ＤＬＣ薄膜应用于ＰＣＢ微钻头逡逑及各种注塑模具上，延长了钻头和模具的使用寿命，降低了生产成本。中国台湾Ｋｉｎｉｋ逡逑股份有限公司开发了涂覆ＤＬＣ薄膜的微钻如图１．５所示，钻削结果显示涂覆后的刀具逡逑表现出更为优异的综合性能总体来说

涂层,成型工具,表面损伤,螺纹

与国外相比，国内的ＤＬＣ薄膜研制与应用起步均较晚。目前在刀具应用领域，国逡逑内的苏州星弧涂层科技股份有限公司（外资）技术相对成熟，现己成功将ＤＬＣ涂层应逡逑用于刀具如图１．４所示，使得刀具寿命延长了邋３￣４倍，大大降低了刀具使用成本，提高逡逑了生产效率。广州有色金属研究院在硬质合金刀具表面沉积了厚的ＤＬＣ薄膜，在逡逑切削共晶铝硅合金时提高寿命１．５倍，在切削耐磨铝青铜时提高寿命８倍，但在切削大逡逑颗粒复合材料时表现并不佳［２５］。上海纳峰科技有限公司将ＤＬＣ薄膜应用于ＰＣＢ微钻头逡逑及各种注塑模具上，延长了钻头和模具的使用寿命，降低了生产成本。中国台湾Ｋｉｎｉｋ逡逑股份有限公司开发了涂覆ＤＬＣ薄膜的微钻如图１．５所示，钻削结果显示涂覆后的刀具逡逑表现出更为优异的综合性能总体来说，目前国内ＤＬＣ薄膜的制备技术和装备制造逡逑技术与国际先进水平相差很大，导致ＤＬＣ薄膜的应用规模有限，其大规模应用还未起逡逑步，并且由于国外的技术封锁与垄断，导致国内在ＤＬＣ薄膜关键技术方面如超厚（厚逡逑度１０？５0Ｍｍ）邋ＤＬＣ薄膜制备技术、复杂形状零部件均匀沉积技术、ＤＬＣ薄膜与润滑油逡逑适配特性、ＤＬＣ薄膜的高温稳定性和耐久性、大批量可靠性生产装备及工艺成套技术等逡逑进展缓慢
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34

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