原位法制备cBN涂层刀具的机理及切削性能研究

本课题面向航空航天难加工材料开展高性能立方氮化硼(cBN)涂层刀具的制备机理与切削性能评价的应用基础研究。提出在化学气相沉积系统中原位连续进行纳米金刚石膜(NCD)过渡层沉积与cBN涂层的成核、生长与退火，并将cBN的生长与退火过程原位交替进行，以提高膜基结合力和减小内应力。研究NCD/cBN界面结合机制并进行界面优化；研究NCD过渡层和沉积参数对cBN成核与生长的影响机理；研究cBN薄膜的应力演变机制，建立cBN薄膜的生长与退火交替进行的应力弛豫模型；研究cBN成分和微结构对涂层显微硬度、弹性模量、摩擦磨损性能，残余应力和断裂韧性等力学性能的影响；使用激光微区加载新方法评估cBN涂层特别是切削刃口附近涂层的膜基结合强度；开展cBN涂层刀具的试制，进行cBN涂层刀具切削性能评价，研究cBN涂层刀具切削性能的演变机理。

立方氮化硼是仅次于金刚石的第二种超硬材料，有着优异的物理与化学性能，完全能胜任黑色金属难加工材料的高效切削加工。本课题面向航空航天难加工材料开展高性能立方氮化硼(cBN)涂层刀具的制备机理与切削性能评价的应用基础研究。本课题开展的主要研究内容如下：. 1. 研究了金刚石与cBN复合涂层与刀具基体的结合机制并改善了涂层与基体的结合性能，研究发现，微/纳复合涂层可以更有效的增加膜基结合性能，对于高钴基体，酸洗碱洗+强碳金属过渡层复合硬质合金预处理方法的结合性能明显高于传统的预处理方法。. 2. 采用物理气相沉积和化学气相沉积系统中基于金刚石膜过渡层沉积cBN涂层，研究了衬底偏压、反应气体组分等对cBN沉积的影响。研究了基于氟化学的cBN化学气相沉积机理，本项目在微波等离子体化学气相沉积系统中基于掺硼金刚石过渡层在Si3N4刀具基体上成果制备了低应力高纯度的cBN涂层。cBN涂层厚度3μm，残余应力1.5GPa，膜基结合性能良好。. 3. 研究了cBN涂层的机械性能并评估了其切削性能。研究了cBN薄膜的纳米力学性能、膜基结合性能以及摩擦磨损性能等。cBN涂层的纳米硬度为78.3GPa，弹性模量为732GPa，与Si3N4对磨球摩擦系数小于0.1，磨损率小于4x10-7mm3/Nm。本课题开展了基于掺硼金刚石过渡层获得了开展了cBN涂层刀具的试制，进行cBN涂层刀具切削性能评价，切削性能明显由于目前广泛使用的TiAlN涂层。