【摘要】：類金剛石碳基(Diamond-like Carbon,DLC)薄膜擁有眾多與金剛石薄膜相似的優(yōu)異性能如高硬度、低摩擦系數(shù)、耐磨損、耐腐蝕、化學(xué)性能穩(wěn)定等,作為表面防護以及固體潤滑的新型功能薄膜材料擁有巨大的應(yīng)用前景。DLC薄膜的實用化始于20世紀80年代中期,但截至目前DLC薄膜仍未在世界范圍內(nèi)得到大規(guī)模的應(yīng)用,主要是其本身存在的膜基結(jié)合強度不足、韌性差以及摩擦學(xué)性能不穩(wěn)定等問題,嚴重制約了其作為功能涂層的耐用性能。因此,如何改變薄膜設(shè)計理念,開發(fā)新型DLC薄膜,進而改善并提高DLC薄膜的綜合性能,對實現(xiàn)DLC薄膜在世界范圍內(nèi)的大規(guī)模應(yīng)用具有重大的現(xiàn)實和社會價值。論文從理論和實際應(yīng)用角度,設(shè)計了以金屬摻雜和多層交替的復(fù)合薄膜構(gòu)筑結(jié)構(gòu)來改善DLC薄膜綜合力學(xué)性能。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用作刀具涂層完成了玻璃纖維增強復(fù)合材料的車削加工研究,并探索了一種以DLC薄膜補償結(jié)合精密切削技術(shù)的,可同時實現(xiàn)微米和中間尺度零件/結(jié)構(gòu)高精度、高表面質(zhì)量加工的新型復(fù)合制造技術(shù)。主要完成了:(1)采用陽極層線性離子源技術(shù)制備單層含氫DLC薄膜,對制備原理及薄膜生長機理進行了分析。研究了不同離子源電壓(400V～1000V)、脈沖負偏壓(-600V～-1400V)和基體溫度(50℃～250℃)對薄膜形貌、微觀組織結(jié)構(gòu)、膜基結(jié)合強度、韌性和耐磨性的影響規(guī)律。當(dāng)離子源電壓為1000V,脈沖負偏壓為-1400V,基體溫度為100℃時,薄膜綜合力學(xué)性能最佳。(2)采用中頻反應(yīng)磁控濺射技術(shù)制備了單層Ti摻雜DLC復(fù)合薄膜,對制備原理及薄膜生長機理進行了分析。研究了不同中頻電流(2A～6A)、Ar進氣流量(40sccm～120sccm)和脈沖負偏壓(-400V～-1200V)對薄膜形貌、微觀組織結(jié)構(gòu)、膜基結(jié)合強度、韌性和耐磨性的影響規(guī)律。當(dāng)中頻電流為5A,Ar進氣流量為lOOsccm,脈沖負偏壓為-800V時,薄膜綜合力學(xué)性能最佳。(3)采用單層含氫DLC薄膜與單層Ti摻雜DLC薄膜交替沉積、多層構(gòu)筑的方式完成了DLC多層交替復(fù)合薄膜的制備。結(jié)合各單層薄膜的生長速率,通過改變調(diào)制周期和調(diào)制比來控制周期內(nèi)薄膜厚度值及各個單層的厚度比,從而獲得不同的薄膜性能。當(dāng)調(diào)制周期為366nm,調(diào)制比為1:1時,DLC多層交替復(fù)合薄膜相較于含氫DLC薄膜,膜基結(jié)合強度從97N增加至110N,韌性CPRs從2195N~2增加至2980N~2,摩擦系數(shù)從0.1降低至0.08左右,磨損率從1.13×10~(-7)mm~3/(m·N)進一步降低至4.82×10~(-8)mm~3/(m·N)。(4)采用無涂層、涂覆單層含氫DLC薄膜和DLC多層交替復(fù)合薄膜的YG8硬質(zhì)合金車刀對無堿類E型玻璃纖維增強復(fù)合材料進行了干式車削加工。研究了不同切削深度、進給量以及切削速度對切削加工過程的影響。經(jīng)過DLC鍍膜,刀具的切削壽命得到顯著延長。所有刀具在切削玻璃纖維增強復(fù)合材料后均呈現(xiàn)磨粒磨損形貌,涂層刀具的磨損除了磨粒磨損外還存在薄膜剝落失效現(xiàn)象。相比于單層無摻雜含氫DLC薄膜,DLC多層交替復(fù)合薄膜與刀具的結(jié)合強度、耐磨性能明顯占優(yōu)勢。從加工表面質(zhì)量上看,采用涂層刀具加工后,已加工表面的纖維拔出、斷裂、彎曲等缺陷明顯減少,表面粗糙度值更低。從切削參數(shù)選擇上看,車削加工玻璃纖維增強復(fù)合材料應(yīng)該選用小的切削深度、低進給量和高切削速度的工藝參數(shù)。(5)對以DLC薄膜補償結(jié)合精密切削技術(shù)的,可同時實現(xiàn)微米和中間尺度零件/結(jié)構(gòu)高精度、高表面質(zhì)量加工的新型復(fù)合制造技術(shù)進行了公差理論研究,包括尺寸公差、精密切削加工工序公差和鍍膜膜厚公差;以臺階和槽作為微米和中間尺度復(fù)合制造技術(shù)驗證對象,經(jīng)過精密切削以及DLC多層復(fù)合薄膜精密補償后,一方面零件的表面硬度從HV775.96增加至HV1016.34,而且表面耐磨性得到極大提高,摩擦系數(shù)從0.75降低至0.08,另一方面在尺寸上達到了設(shè)計尺寸400μm和700μm的加工制造要求,精度等級達到IT5。
【圖文】：

邐博士學(xué)位論文逡逑圖１．３傳統(tǒng)ＴｉＮ涂層（左）和新型ＤＬＣ涂層（右）螺紋成型工具表面損傷對比逡逑與國外相比，，國內(nèi)的ＤＬＣ薄膜研制與應(yīng)用起步均較晚。目前在刀具應(yīng)用領(lǐng)域，國逡逑內(nèi)的蘇州星弧涂層科技股份有限公司（外資）技術(shù)相對成熟，現(xiàn)己成功將ＤＬＣ涂層應(yīng)逡逑用于刀具如圖１．４所示，使得刀具壽命延長了邋３￣４倍，大大降低了刀具使用成本，提高逡逑了生產(chǎn)效率。廣州有色金屬研究院在硬質(zhì)合金刀具表面沉積了厚的ＤＬＣ薄膜，在逡逑切削共晶鋁硅合金時提高壽命１．５倍，在切削耐磨鋁青銅時提高壽命８倍，但在切削大逡逑顆粒復(fù)合材料時表現(xiàn)并不佳［２５］。上海納峰科技有限公司將ＤＬＣ薄膜應(yīng)用于ＰＣＢ微鉆頭逡逑及各種注塑模具上，延長了鉆頭和模具的使用壽命，降低了生產(chǎn)成本。中國臺灣Ｋｉｎｉｋ逡逑股份有限公司開發(fā)了涂覆ＤＬＣ薄膜的微鉆如圖１．５所示，鉆削結(jié)果顯示涂覆后的刀具逡逑表現(xiàn)出更為優(yōu)異的綜合性能總體來說

與國外相比，國內(nèi)的ＤＬＣ薄膜研制與應(yīng)用起步均較晚。目前在刀具應(yīng)用領(lǐng)域，國逡逑內(nèi)的蘇州星弧涂層科技股份有限公司（外資）技術(shù)相對成熟，現(xiàn)己成功將ＤＬＣ涂層應(yīng)逡逑用于刀具如圖１．４所示，使得刀具壽命延長了邋３￣４倍，大大降低了刀具使用成本，提高逡逑了生產(chǎn)效率。廣州有色金屬研究院在硬質(zhì)合金刀具表面沉積了厚的ＤＬＣ薄膜，在逡逑切削共晶鋁硅合金時提高壽命１．５倍，在切削耐磨鋁青銅時提高壽命８倍，但在切削大逡逑顆粒復(fù)合材料時表現(xiàn)并不佳［２５］。上海納峰科技有限公司將ＤＬＣ薄膜應(yīng)用于ＰＣＢ微鉆頭逡逑及各種注塑模具上，延長了鉆頭和模具的使用壽命，降低了生產(chǎn)成本。中國臺灣Ｋｉｎｉｋ逡逑股份有限公司開發(fā)了涂覆ＤＬＣ薄膜的微鉆如圖１．５所示，鉆削結(jié)果顯示涂覆后的刀具逡逑表現(xiàn)出更為優(yōu)異的綜合性能總體來說，目前國內(nèi)ＤＬＣ薄膜的制備技術(shù)和裝備制造逡逑技術(shù)與國際先進水平相差很大，導(dǎo)致ＤＬＣ薄膜的應(yīng)用規(guī)模有限，其大規(guī)模應(yīng)用還未起逡逑步，并且由于國外的技術(shù)封鎖與壟斷，導(dǎo)致國內(nèi)在ＤＬＣ薄膜關(guān)鍵技術(shù)方面如超厚（厚逡逑度１０？５0Ｍｍ）邋ＤＬＣ薄膜制備技術(shù)、復(fù)雜形狀零部件均勻沉積技術(shù)、ＤＬＣ薄膜與潤滑油逡逑適配特性、ＤＬＣ薄膜的高溫穩(wěn)定性和耐久性、大批量可靠性生產(chǎn)裝備及工藝成套技術(shù)等逡逑進展緩慢
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB34

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本文編號：2639090