本文選題：HFCVD金剛石薄膜　切入點(diǎn)：內(nèi)孔應(yīng)用　出處：《上海交通大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：機(jī)械、化工等領(lǐng)域中許多耐磨減摩器件的工作表面為內(nèi)孔表面,比如拉拔模具、噴嘴和閥門等工具和器件,在應(yīng)用過(guò)程中其內(nèi)孔表面的磨損非常嚴(yán)重,壽命短,損耗大,嚴(yán)重制約了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提高,難以保障長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中關(guān)鍵裝備的工作穩(wěn)定性和可靠性,一種創(chuàng)新技術(shù)就是在耐磨減摩器件內(nèi)孔表面采用化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,簡(jiǎn)稱CVD)技術(shù)沉積高性能金剛石薄膜,這對(duì)于大幅度延長(zhǎng)耐磨減摩器件的使用壽命,顯著提高生產(chǎn)效率和改善相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量,滿足極端工況下關(guān)鍵裝備高可靠性和長(zhǎng)壽命方面的要求,具有十分重要的意義,必將有力促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)瓶頸的突破,取得顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。然而,相對(duì)于外表面,內(nèi)孔金剛石薄膜涂層技術(shù)具有特殊性,在內(nèi)孔表面尤其是小孔徑、超大孔徑和復(fù)雜形狀內(nèi)孔表面沉積金剛石薄膜的工藝難以實(shí)現(xiàn);此外,現(xiàn)有常規(guī)金剛石薄膜膜基結(jié)合力低、表面粗糙度高等問(wèn)題也嚴(yán)重制約了內(nèi)孔金剛石薄膜涂層技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。本文采用適用于產(chǎn)業(yè)化內(nèi)孔金剛石薄膜沉積的熱絲CVD(Hot filament CVD,簡(jiǎn)稱HFCVD)方法,圍繞金剛石薄膜在內(nèi)孔應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),即針對(duì)不同類型內(nèi)孔應(yīng)用制備具有針對(duì)性的高性能金剛石薄膜、高性能金剛石薄膜的摩擦學(xué)性能、內(nèi)孔沉積金剛石薄膜的溫度場(chǎng)和氣場(chǎng)分布、金剛石薄膜在不同類型內(nèi)孔表面的制備及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等,主要完成了以下研究工作:1.高性能HFCVD金剛石薄膜的制備及性能表征。選用甲烷、丙酮、甲醇、乙醇四種碳源,探討了碳源對(duì)常規(guī)微米金剛石(Micro-crystalline diamond,簡(jiǎn)稱MCD)薄膜制備及性能表征的影響規(guī)律及機(jī)理,研究結(jié)果表明,采用甲烷可以提高薄膜質(zhì)量,采用丙酮可以獲得較高的形核密度、形核尺寸及生長(zhǎng)速率,同時(shí)保證較好的薄膜質(zhì)量;在上述研究基礎(chǔ)上,選用丙酮碳源開發(fā)了兩類基于無(wú)毒硼摻雜的復(fù)合金剛石薄膜制備新技術(shù),其中硼摻雜-常規(guī)微米復(fù)合金剛石(Boron doped and undoped micro-crystalline compositediamond,簡(jiǎn)稱bd-ucd)薄膜具有優(yōu)異的附著性能和極高的表面硬度,其表面納米硬度達(dá)到了84.354gpa,而硼摻雜-常規(guī)微米-細(xì)晶粒復(fù)合金剛石(borondoped,undopedmicro-crystallineandfinegrainedcompositediamond,簡(jiǎn)稱bd-um-fgcd)薄膜則具有優(yōu)異的附著性能、較低的表面粗糙度(ra值約為104.71nm)和良好的表面可拋光性,此外其表面納米硬度也達(dá)到了72.657gpa。2.面向內(nèi)孔應(yīng)用的hfcvd金剛石薄膜的沖蝕磨損性能及機(jī)理研究。采用氣動(dòng)顆粒沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī),系統(tǒng)研究了金剛石薄膜的沖蝕磨損性能,并結(jié)合赫茲碰撞等理論對(duì)其沖蝕磨損機(jī)理進(jìn)行了深入分析�；w對(duì)金剛石薄膜沖蝕磨損性能的影響取決于薄膜和不同基體材料間附著性能的差異;在一定的薄膜厚度范圍內(nèi),mcd和硼摻雜金剛石(boron-dopeddiamond,簡(jiǎn)稱bdd)薄膜的沖蝕磨損性能表現(xiàn)出隨薄膜厚度單調(diào)遞增的趨勢(shì),但是當(dāng)薄膜厚度過(guò)大時(shí),mcd薄膜非常容易脫落,此外,當(dāng)薄膜厚度接近最大剪應(yīng)力深度時(shí),薄膜沖蝕磨損性能也會(huì)顯著下降。對(duì)比研究結(jié)果表明,相比mcd薄膜,硼摻雜可有效改善薄膜的沖蝕磨損性能;細(xì)晶粒金剛石(finegraineddiamond,fgd)薄膜沖蝕磨損性能最差;由于底層硼摻雜的作用,bd-um-fgcd復(fù)合薄膜具有較好的沖蝕磨損性能;bd-ucd復(fù)合薄膜則具有最佳的沖蝕磨損性能。當(dāng)沖蝕速度ve=160m/s,沖蝕角度αe=30°時(shí),mcd薄膜的穩(wěn)態(tài)沖蝕磨損率為0.71mg/kg,沖蝕磨損壽命為110min,bdd薄膜的穩(wěn)態(tài)沖蝕磨損率為0.62mg/kg,沖蝕磨損壽命顯著提高到215min,fgd薄膜的穩(wěn)態(tài)沖蝕磨損率為0.74mg/kg,沖蝕磨損壽命僅有95min,bd-ucd復(fù)合薄膜的穩(wěn)態(tài)沖蝕磨損率降低到0.57mg/kg,沖蝕磨損壽命顯著提高到220min,bd-um-fgcd復(fù)合薄膜的穩(wěn)態(tài)沖蝕磨損率為0.74mg/kg,沖蝕磨損壽命顯著提高到205min。從碳源角度分析,采用甲烷沉積的金剛石薄膜具有較高的純度和較少的缺陷,因此表現(xiàn)出較好的沖蝕磨損性能。3.面向內(nèi)孔應(yīng)用的hfcvd金剛石薄膜的摩擦磨損性能及機(jī)理研究。分別采用球盤旋轉(zhuǎn)式標(biāo)準(zhǔn)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)以及基于內(nèi)孔線拋光機(jī)設(shè)計(jì)的新型磨損試驗(yàn)方法,系統(tǒng)研究了不同金剛石薄膜在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的摩擦磨損性能(標(biāo)準(zhǔn)摩擦磨損性能)及其在模擬應(yīng)用的試驗(yàn)條件下的摩擦磨損性能(應(yīng)用摩擦磨損性能)。對(duì)比研究結(jié)果表明:與mcd薄膜相比,硼摻雜可顯著改善金剛石薄膜的應(yīng)用摩擦磨損性能,提高薄膜在應(yīng)用摩擦磨損試驗(yàn)條件下的壽命;fgd薄膜在應(yīng)用摩擦磨損試驗(yàn)條件下的壽命極短,但是表現(xiàn)出非常優(yōu)異的標(biāo)準(zhǔn)摩擦磨損性能,與銅、鋁、不銹鋼、低碳鋼、高碳鋼對(duì)摩的摩擦系數(shù)均明顯小于具有微米顆粒的金剛石薄膜;bd-um-fgcd復(fù)合薄膜同時(shí)具有較好的標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用摩擦磨損性能,與常用金屬材料對(duì)摩的摩擦系數(shù)接近fgd薄膜,而在應(yīng)用摩擦磨損試驗(yàn)條件下的壽命相比于mcd和fgd薄膜均有明顯提高;bd-ucd復(fù)合薄膜在應(yīng)用摩擦磨損試驗(yàn)條件下同樣具有較高的壽命,但是標(biāo)準(zhǔn)摩擦磨損性能較差,與常用金屬材料對(duì)摩的摩擦系數(shù)接近mcd薄膜。從碳源角度分析,采用甲烷沉積的金剛石薄膜在標(biāo)準(zhǔn)摩擦磨損和應(yīng)用磨損試驗(yàn)條件下均具有相對(duì)較好的摩擦磨損性能。在該部分研究中還結(jié)合應(yīng)用磨損試驗(yàn),采用正交方法探討了關(guān)鍵沉積參數(shù)對(duì)甲烷環(huán)境下圓形內(nèi)孔表面非摻雜金剛石薄膜綜合性能的影響,并提出優(yōu)化目標(biāo)因子的概念,建立了一種綜合考慮內(nèi)孔金剛石薄膜沉積效率、性能表征和摩擦學(xué)性能,適用于各類內(nèi)孔表面不同類型金剛石薄膜沉積參數(shù)優(yōu)化的正交試驗(yàn)方法。4.內(nèi)孔沉積hfcvd金剛石薄膜的物理場(chǎng)分布研究�；谟邢奕莘e方法(finitevolumemethod,簡(jiǎn)稱fvm),綜合考慮了內(nèi)孔沉積hfcvd金剛石薄膜過(guò)程中的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射三種熱傳遞作用,建立了與試驗(yàn)條件非常接近的熱流耦合仿真模型,系統(tǒng)研究了沉積參數(shù)、支承冷卻和換熱條件對(duì)反應(yīng)腔內(nèi)溫度場(chǎng)和氣場(chǎng)分布的影響,從而為內(nèi)孔金剛石薄膜沉積過(guò)程中溫度場(chǎng)分布相關(guān)的熱絲、夾具及其他參數(shù)的優(yōu)化提供了充足的理論依據(jù),具體的優(yōu)化參數(shù)包括了熱絲溫度、熱絲直徑、反應(yīng)氣體總流量、反應(yīng)壓力、出氣口排布方式、紅銅支承冷卻塊形狀等;在上述研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步完成了產(chǎn)業(yè)化沉積裝置中基體排布方式的優(yōu)化,優(yōu)化方案為三角形和隔板形式相結(jié)合的基體排布方式。5.hfcvd金剛石薄膜涂層拉拔模具的制備及應(yīng)用。針對(duì)圓孔拉拔模具,選用bd-um-fgcd復(fù)合薄膜作為內(nèi)孔表面保護(hù)涂層,針對(duì)小孔徑模具開發(fā)了平行四邊形熱絲張緊及輔助散熱沉積工藝,針對(duì)超大孔徑模具開發(fā)了等邊三角形熱絲排布沉積工藝,分別采用正交試驗(yàn)及仿真方法確定了基本的沉積參數(shù)以及與溫度場(chǎng)分布相關(guān)的熱絲及夾具參數(shù),實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量金剛石薄膜涂層圓孔模具的制備及應(yīng)用。針對(duì)異型模(矩形孔、瓦形孔或扇形孔),選用應(yīng)力較小、附著性能優(yōu)異的bdd薄膜作為內(nèi)孔表面保護(hù)涂層,結(jié)合正交試驗(yàn)方法確定了基本沉積參數(shù),并采用基于正交配置的仿真方法對(duì)其溫度場(chǎng)分布相關(guān)的熱絲及夾具參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)選與內(nèi)孔形狀相適應(yīng)的熱絲排布方式,實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量金剛石薄膜涂層異型模的制備及應(yīng)用。應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明:優(yōu)選的金剛石薄膜可顯著提高拉拔模具的使用壽命,提高生產(chǎn)效率,減少材料及能源損耗,保證產(chǎn)品表面質(zhì)量、尺寸精度和整體性能,其中典型的常規(guī)孔徑、小孔徑、超大孔徑、異型孔拉拔模具的使用壽命相比于硬質(zhì)合金模具分別提高了10倍、20倍、20倍和8倍。6.HFCVD金剛石薄膜在耐沖蝕磨損器件內(nèi)孔中的應(yīng)用。噴霧干燥工況對(duì)噴嘴沖蝕磨損性能提出了極高要求,但是對(duì)于其表面光潔度要求較低,因此選用與金剛石薄膜之間具有良好附著力的碳化硅作為基體,選用BD-UCD復(fù)合薄膜作為保護(hù)涂層;針對(duì)噴嘴工作表面形狀的復(fù)雜性,提出了“先內(nèi)孔后錐孔”的兩步沉積策略,采用經(jīng)正交試驗(yàn)及仿真優(yōu)化確定的沉積參數(shù),實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量金剛石薄膜涂層噴嘴的制備,該涂層噴嘴在應(yīng)用試驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)異的沖蝕磨損性能,使用壽命提高了五倍以上,同時(shí)保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。針對(duì)煤直接液化工藝中應(yīng)用的減壓調(diào)節(jié)閥,首先完成了閥門整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),在此基礎(chǔ)上選用具有較高韌性的硬質(zhì)合金作為基體,選用沉積工藝簡(jiǎn)單、成本較低的高質(zhì)量甲烷-MCD薄膜作為閥座內(nèi)孔表面保護(hù)涂層,即可顯著改善閥座的沖蝕磨損性能,提高閥門整體的工作壽命和使用穩(wěn)定性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG174.4
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本文編號(hào)：1652140