TaxC梯度扩散层增强金刚石涂层/硬质合金结合强度机制研究

The deteriorated adhesive strength between coatings and substrates, caused by the negative catalysis of binder phase Co in cemented carbide, restrict the development and application of diamond coated tools. Generally, the removal of surface Co can result in property damage of the substrates, while the interlayer prepared by physical vapor deposition can introduce novel interface stress. In view of these, combining with previous research results, TaxC diffusion layers with gradient structure and components will be synthesized onto cemented carbide substrate surface via double glow plasma surface alloying technology for preventing the diffusion of Co from substrate interior to surface, and thus the adhesive strength can be enhanced. The evolutionary processes of the composition, organization, structure in the substrate surface will be discussed for revealing the formation mechanism and key influence factors of η-phase. Based on these research, the effective means for prevent η-phase formation will be formulated. The atomic diffusion behaviors and interaction of Ta, C and Co elements under high temperature ion bombardment will be investigated for clarifying the interface reaction mechanism between diffusion layers and substrates. As well, the action mechanism of adherent diamond deposition onto TaxC gradient diffusion layers will be exposed. Ultimately, diamond coatings with high adhesive strength and mechanical behavior will be obtained. The results will provide a novel solution for the preparation of diamond coated cemented carbide tools with high performances and the research will afford theoretical and experimental basis for the synthesis of gradient diffusion layers to enhancing diamond adhesive strength.

硬质合金中的粘结相Co会降低涂层/基体的结合强度，阻碍了金刚石涂层工具的发展和应用。表面脱Co处理法一般会导致基体的性能损伤，而物理气相沉积制备过渡层法则会引发新的界面应力问题。针对以上问题，结合前期的研究结果，本项目拟采用双层辉光等离子体表面合金化技术，在硬质合金基体表层制备结构、成分呈梯度分布的TaxC扩散层，阻挡Co从基体内部扩散至沉积表面，从而增强涂层的结合强度。通过研究基体表层成分、组织、结构等的演化过程，揭示η相的形成机制，阐明其关键影响因素，确定防止η相形成的有效手段；探讨高温离子轰击状态下Ta、C、Co等元素的扩散行为及交互作用，澄清扩散层/基体的界面反应机制，明确TaxC扩散层提高涂层结合强度的作用机制，以实现高结合强度、高性能金刚石涂层的制备。研究结果将为制备高性能金刚石涂层硬质合金工具提供新的方案，也可为梯度扩散层增强金刚石涂层结合强度技术提供实验及理论依据。

硬质合金中的粘结相Co会降低涂层的结合强度，阻碍了金刚石涂层工具的发展和应用。表面脱Co处理法一般会导致基体的性能损伤，而物理气相沉积制备过渡层法则会引发新的界面应力问题。鉴于此，本项目利用双层辉光等离子体表面合金化（DGPSA）技术，在硬质合金基材表面制备了Mo基过渡层、TaxC梯度扩散过渡层、TaxC/Mo双层过渡层，并采用化学气相沉积（CVD）法在过渡层上进行了金刚石涂层沉积实验。研究结果表明：通入少量的CH4时，其分解的含碳基团或碳原子可以补充基体缺失的碳，使η相的量减少；随着通入量的增多，η相逐渐减少直至消失；但通入量过多时，沉积的过渡层金属原子来不及扩散就与气氛中的碳发生反应，形成了碳化物，致使扩散层厚度小，结合强度降低。故通入适量的CH4是消除η相是一个有效手段。不同基体温度下制备的TaxC梯度扩散过渡层，均由沉积层和扩散层组成，其主要组成相为Ta2C和TaC，二者的晶粒尺寸为纳米级，且晶粒尺寸随温度升高而变大；过渡层表面呈现出特殊的圆环或凹坑形貌，随着基体温度的升高，其表面粗糙度RMS呈现先增大后减小的趋势。TaxC梯度扩散过渡层的形成机制符合薄膜结构区域模型，其生长模式属于低温抑制型；在阴影效应和粒子扩散的综合作用下，随温度的升高，渡层的组织结构呈现先变致密后疏松的趋势，其显微硬度、摩擦磨损性能以及结合强度均呈现先增强后降低的趋势。制备的 TaxC梯度扩散过渡层可以有效地阻挡Co元素向沉积表面的扩散，其梯度结构可以降低膜/基的残余应力，表面的花纹状形貌可以增加表面粗糙度，有利于提高金刚石的形核密度及涂层的结合强度，故在其上沉积的金刚石涂层表面连续致密、具有较高的质量和结合强度。TaxC/Mo双层过渡层的Mo促形核层在金刚石沉积过程中形成亚碳化物Mo2C，可以缩短金刚石形核时间，提高形核率。与TaxC梯度扩散层上沉积的金刚石涂层相比，在其上沉积的金刚石涂层晶粒更加细小，表面糙度RMS更低。项目的研究结果可为DGPSA技术在金刚石涂层制备领域的应用提供技术指导和理论依据。