高性能金刚石薄膜的制备、摩擦学性能及其在内孔表面的应用研究

发布时间：2018-03-23 05:38

  本文选题：HFCVD金刚石薄膜　切入点：内孔应用　出处：《上海交通大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：机械、化工等领域中许多耐磨减摩器件的工作表面为内孔表面,比如拉拔模具、喷嘴和阀门等工具和器件,在应用过程中其内孔表面的磨损非常严重,寿命短,损耗大,严重制约了生产效率和产品质量的提高,难以保障长期运行过程中关键装备的工作稳定性和可靠性,一种创新技术就是在耐磨减摩器件内孔表面采用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,简称CVD)技术沉积高性能金刚石薄膜,这对于大幅度延长耐磨减摩器件的使用寿命,显著提高生产效率和改善相关产品的质量,满足极端工况下关键装备高可靠性和长寿命方面的要求,具有十分重要的意义,必将有力促进相关领域技术瓶颈的突破,取得显著的社会经济效益。然而,相对于外表面,内孔金刚石薄膜涂层技术具有特殊性,在内孔表面尤其是小孔径、超大孔径和复杂形状内孔表面沉积金刚石薄膜的工艺难以实现;此外,现有常规金刚石薄膜膜基结合力低、表面粗糙度高等问题也严重制约了内孔金刚石薄膜涂层技术的产业化应用。本文采用适用于产业化内孔金刚石薄膜沉积的热丝CVD(Hot filament CVD,简称HFCVD)方法,围绕金刚石薄膜在内孔应用的关键技术,即针对不同类型内孔应用制备具有针对性的高性能金刚石薄膜、高性能金刚石薄膜的摩擦学性能、内孔沉积金刚石薄膜的温度场和气场分布、金刚石薄膜在不同类型内孔表面的制备及产业化应用等,主要完成了以下研究工作:1.高性能HFCVD金刚石薄膜的制备及性能表征。选用甲烷、丙酮、甲醇、乙醇四种碳源,探讨了碳源对常规微米金刚石(Micro-crystalline diamond,简称MCD)薄膜制备及性能表征的影响规律及机理,研究结果表明,采用甲烷可以提高薄膜质量,采用丙酮可以获得较高的形核密度、形核尺寸及生长速率,同时保证较好的薄膜质量;在上述研究基础上,选用丙酮碳源开发了两类基于无毒硼掺杂的复合金刚石薄膜制备新技术,其中硼掺杂-常规微米复合金刚石(Boron doped and undoped micro-crystalline compositediamond,简称bd-ucd)薄膜具有优异的附着性能和极高的表面硬度,其表面纳米硬度达到了84.354gpa,而硼掺杂-常规微米-细晶粒复合金刚石(borondoped,undopedmicro-crystallineandfinegrainedcompositediamond,简称bd-um-fgcd)薄膜则具有优异的附着性能、较低的表面粗糙度(ra值约为104.71nm)和良好的表面可抛光性,此外其表面纳米硬度也达到了72.657gpa。2.面向内孔应用的hfcvd金刚石薄膜的冲蚀磨损性能及机理研究。采用气动颗粒冲蚀磨损试验机,系统研究了金刚石薄膜的冲蚀磨损性能,并结合赫兹碰撞等理论对其冲蚀磨损机理进行了深入分析。基体对金刚石薄膜冲蚀磨损性能的影响取决于薄膜和不同基体材料间附着性能的差异;在一定的薄膜厚度范围内,mcd和硼掺杂金刚石(boron-dopeddiamond,简称bdd)薄膜的冲蚀磨损性能表现出随薄膜厚度单调递增的趋势,但是当薄膜厚度过大时,mcd薄膜非常容易脱落,此外,当薄膜厚度接近最大剪应力深度时,薄膜冲蚀磨损性能也会显著下降。对比研究结果表明,相比mcd薄膜,硼掺杂可有效改善薄膜的冲蚀磨损性能;细晶粒金刚石(finegraineddiamond,fgd)薄膜冲蚀磨损性能最差;由于底层硼掺杂的作用,bd-um-fgcd复合薄膜具有较好的冲蚀磨损性能;bd-ucd复合薄膜则具有最佳的冲蚀磨损性能。当冲蚀速度ve=160m/s,冲蚀角度αe=30°时,mcd薄膜的稳态冲蚀磨损率为0.71mg/kg,冲蚀磨损寿命为110min,bdd薄膜的稳态冲蚀磨损率为0.62mg/kg,冲蚀磨损寿命显著提高到215min,fgd薄膜的稳态冲蚀磨损率为0.74mg/kg,冲蚀磨损寿命仅有95min,bd-ucd复合薄膜的稳态冲蚀磨损率降低到0.57mg/kg,冲蚀磨损寿命显著提高到220min,bd-um-fgcd复合薄膜的稳态冲蚀磨损率为0.74mg/kg,冲蚀磨损寿命显著提高到205min。从碳源角度分析,采用甲烷沉积的金刚石薄膜具有较高的纯度和较少的缺陷,因此表现出较好的冲蚀磨损性能。3.面向内孔应用的hfcvd金刚石薄膜的摩擦磨损性能及机理研究。分别采用球盘旋转式标准摩擦磨损试验机以及基于内孔线抛光机设计的新型磨损试验方法,系统研究了不同金刚石薄膜在标准试验条件下的摩擦磨损性能(标准摩擦磨损性能)及其在模拟应用的试验条件下的摩擦磨损性能(应用摩擦磨损性能)。对比研究结果表明:与mcd薄膜相比,硼掺杂可显著改善金刚石薄膜的应用摩擦磨损性能,提高薄膜在应用摩擦磨损试验条件下的寿命;fgd薄膜在应用摩擦磨损试验条件下的寿命极短,但是表现出非常优异的标准摩擦磨损性能,与铜、铝、不锈钢、低碳钢、高碳钢对摩的摩擦系数均明显小于具有微米颗粒的金刚石薄膜;bd-um-fgcd复合薄膜同时具有较好的标准及应用摩擦磨损性能,与常用金属材料对摩的摩擦系数接近fgd薄膜,而在应用摩擦磨损试验条件下的寿命相比于mcd和fgd薄膜均有明显提高;bd-ucd复合薄膜在应用摩擦磨损试验条件下同样具有较高的寿命,但是标准摩擦磨损性能较差,与常用金属材料对摩的摩擦系数接近mcd薄膜。从碳源角度分析,采用甲烷沉积的金刚石薄膜在标准摩擦磨损和应用磨损试验条件下均具有相对较好的摩擦磨损性能。在该部分研究中还结合应用磨损试验,采用正交方法探讨了关键沉积参数对甲烷环境下圆形内孔表面非掺杂金刚石薄膜综合性能的影响,并提出优化目标因子的概念,建立了一种综合考虑内孔金刚石薄膜沉积效率、性能表征和摩擦学性能,适用于各类内孔表面不同类型金刚石薄膜沉积参数优化的正交试验方法。4.内孔沉积hfcvd金刚石薄膜的物理场分布研究。基于有限容积方法(finitevolumemethod,简称fvm),综合考虑了内孔沉积hfcvd金刚石薄膜过程中的热传导、热对流及热辐射三种热传递作用,建立了与试验条件非常接近的热流耦合仿真模型,系统研究了沉积参数、支承冷却和换热条件对反应腔内温度场和气场分布的影响,从而为内孔金刚石薄膜沉积过程中温度场分布相关的热丝、夹具及其他参数的优化提供了充足的理论依据,具体的优化参数包括了热丝温度、热丝直径、反应气体总流量、反应压力、出气口排布方式、红铜支承冷却块形状等;在上述研究基础上,进一步完成了产业化沉积装置中基体排布方式的优化,优化方案为三角形和隔板形式相结合的基体排布方式。5.hfcvd金刚石薄膜涂层拉拔模具的制备及应用。针对圆孔拉拔模具,选用bd-um-fgcd复合薄膜作为内孔表面保护涂层,针对小孔径模具开发了平行四边形热丝张紧及辅助散热沉积工艺,针对超大孔径模具开发了等边三角形热丝排布沉积工艺,分别采用正交试验及仿真方法确定了基本的沉积参数以及与温度场分布相关的热丝及夹具参数,实现了高质量金刚石薄膜涂层圆孔模具的制备及应用。针对异型模(矩形孔、瓦形孔或扇形孔),选用应力较小、附着性能优异的bdd薄膜作为内孔表面保护涂层,结合正交试验方法确定了基本沉积参数,并采用基于正交配置的仿真方法对其温度场分布相关的热丝及夹具参数进行优化,优选与内孔形状相适应的热丝排布方式,实现了高质量金刚石薄膜涂层异型模的制备及应用。应用试验结果表明:优选的金刚石薄膜可显著提高拉拔模具的使用寿命,提高生产效率,减少材料及能源损耗,保证产品表面质量、尺寸精度和整体性能,其中典型的常规孔径、小孔径、超大孔径、异型孔拉拔模具的使用寿命相比于硬质合金模具分别提高了10倍、20倍、20倍和8倍。6.HFCVD金刚石薄膜在耐冲蚀磨损器件内孔中的应用。喷雾干燥工况对喷嘴冲蚀磨损性能提出了极高要求,但是对于其表面光洁度要求较低,因此选用与金刚石薄膜之间具有良好附着力的碳化硅作为基体,选用BD-UCD复合薄膜作为保护涂层;针对喷嘴工作表面形状的复杂性,提出了“先内孔后锥孔”的两步沉积策略,采用经正交试验及仿真优化确定的沉积参数,实现了高质量金刚石薄膜涂层喷嘴的制备,该涂层喷嘴在应用试验中表现出优异的冲蚀磨损性能,使用寿命提高了五倍以上,同时保证了产品质量的稳定性。针对煤直接液化工艺中应用的减压调节阀,首先完成了阀门整体结构的优化设计,在此基础上选用具有较高韧性的硬质合金作为基体,选用沉积工艺简单、成本较低的高质量甲烷-MCD薄膜作为阀座内孔表面保护涂层,即可显著改善阀座的冲蚀磨损性能,提高阀门整体的工作寿命和使用稳定性。
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【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
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本文编号：1652140