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答辩博士：张召

指导教师：卢文壮  教授/博导

论文题目：织构化固体润滑/金刚石涂层刀具的基础研究

答辩委员会名单：

答辩时间：2021-9-24  15:00

答辩地点：南航明故宫校区15#341

学位论文简介：

航空、航天和汽车工业的快速发展对高性能刀具的需求十分迫切，CVD金刚石涂层刀具在这些制造领域具有广阔的应用前景，但目前金刚石涂层刀具的推广应用仍然受到一些限制，其技术瓶颈主要是如何解决涂层磨损及脱层问题，在加工黑色金属时金刚石涂层刀具的这些问题更加突出。在切削环境下金刚石涂层与Fe、Co、Mn等元素发生热化学反应以及在环境应力作用下膜-基界面处的裂纹扩展是产生磨损和脱层现象的主要原因。针对以上问题，本文提出利用基底表面织构技术、固体润滑涂层以及微纳金刚石涂层相结合的方法来达到减少金刚石涂层表面的外应力，改善膜-基结合性能以及抑制金刚石涂层石墨化的目的。通过理论与试验相结合的方式，对织构化WS_x/CVD金刚石涂层的减摩作用及机理，WS_x涂层扩散障作用及机制，基底织构对涂层应力场的重分布以及膜-基结合性能的影响等关键问题进行了深入研究。

论文主要研究内容和取得的成果如下：

1、在双轴应力体系内，根据集中力分布的演化模型获得基底的应变衰减模型，得到了不同基底所产生的有效应变厚度。以此为基础，基于弯矩梁理论建立了织构化膜-基界面处的应力场分布模型，并利用压痕试验证实织构边缘对金刚石涂层剥落具有抑制作用。

2、膜-基机械联锁现象导致的法向压应力是抑制织构边缘涂层脱层的重要原因，金刚石涂层的断裂韧性大于界面断裂韧性，界面裂纹难以向金刚石涂层中扩展，而界面裂纹向织构边缘扩展时裂纹尖端所受压应力越强，抑制界面裂纹向织构边缘扩展，增强了膜基结合性能。

3、织构的形状、尺寸、密度以及法向载荷是影响界面受力状态的重要因素。建立了界面处的剪切力及摩擦系数预测模型。结合球盘实验，获得不同载荷条件下的最佳织构参数范围：在低载荷条件下，密度高、尺寸小的织构更容易获得较低的摩擦系数；在高载荷条件下，织构产生剪切作用的概率增加，所以织构密度增大反而会增强界面剪应力。

4、WS_x涂层有效抑制金刚石涂层的石墨化现象。WS_x具有层状结构和较大的表面能，WS_x的转移膜吸附在金属碎屑上形成团聚体，有效控制界面Fe元素浓度，减缓扩散反应。在接触界面处发生了Fe的氧化还原反应以及WS_x的氧化反应，通过拉曼光谱检测到金刚石涂层在400℃的环境温度下摩擦产生石墨化现象，WS_x/CVD金刚石涂层的石墨化程度远小于CVD金刚石涂层的石墨化程度。

5、极薄的纳米金刚石涂层以微米晶金刚石涂层为基底会导致表面处存在大量波峰与波谷，使涂层表面形貌有利于存储WS_x且减少了微切削作用。建立了WS_x/CVD涂层的摩擦学模型，证明微米金刚石晶粒的大小以及尖锐程度对界面摩擦行为具有显著的影响，纳米晶涂层降低了界面剪应力，减少了团聚体形成，抑制WS_x的损耗。

6、切削黑色金属时，P-WS_x/MNDC刀具具有良好的切削稳定性，相比于无织构CVD涂层刀具，其前刀面具有较强的耐磨损性能和抗脱层能力，但是微沟槽会大幅度降低刀具前刀面的强度导致G-WS_x/MNDC刀具的前刀面出现压溃、破损现象。

通过表面微织构、WS_x以及微纳金刚石涂层的协同作用，达到抑制金刚石涂层石墨化，减少CVD金刚石涂层所受外应力，增强膜-基性能的目的。从而使CVD涂层刀具更适用于黑色金属及合金的加工。

主要创新点:

本文以围绕解决金刚石涂层的石墨化问题以及涂层脱层问题进行了创新性的研究，取得的创新性成果如下：

1、研制出一种新型的织构化固体润滑/CVD金刚石涂层刀具。通过织构化的刀具基体、微纳金刚石涂层及WS_x涂层之间的协同作用，实现了降低刀-屑接触界面的剪应力，增强膜基结合性能以及抑制金刚石涂层石墨化的作用，获得了适用于黑色金属及合金加工的CVD金刚石涂层刀具。

2、提出了利用WS_x涂层形成扩散障抑制高温条件下元素扩散的方法。通过刀-屑接触表面相互运动产生的WS_x转移膜，使得高温条件下工件上高浓度的Fe元素不能扩散进入金刚石涂层，发生热化学反应，抑制了高温条件下Fe元素造成的金刚石石墨化现象。

3、提出了通过织构诱导膜-基界面应力重分布抑制金刚石涂层脱层的方法。根据织构边缘径向裂纹扩展路径的偏移、热-固耦合仿真以及建立的织构化膜-基系统的界面应力模型，阐明了存在织构的膜-基系统的机械联锁以及应力重分布现象对抑制径向裂纹扩展以及增强膜-基结合性能的作用，获得了抑制径向裂纹扩展的方法，实现了膜-基结合性能的提高。

    4、提出了利用微纳米金刚石涂层与WS_x涂层匹配获得刀具稳定切削的方法。通过在微米晶金刚石涂层表面制备纳米金刚石涂层得到能够抑制微切削的刀具表面，形成了既能存储WS_x又能抑制WS_x损耗的能力，实现了CVD金刚石涂层刀具对黑色金属的稳定切削加工。