基于疲劳寿命的金刚石涂层膜基界面结合强度定量评价研究

The interface bonding strength between diamond coating and tungsten carbide substrate is the basic premise to meet its mechanics, physical and chemical properties in use, and the quantitative evaluation has become a key issue for diamond coating preparation and application. This subject will be to achieve quantitative evaluation of coating interface bonding strength as the goal, the diamond coating deposited on tungsten carbide substrate for the research object, study on the microscopic mechanical characteristics and mechanism. Using molecular dynamics simulation and finite element coupling technologies, from the macroscopic and microscopic perspective combining study fatigue damage mechanism, establish a fatigue damage theory model; From the micro mechanics and crystal defect theory combining research membrane-based interface dynamic wear mechanism, establish a critical interface cracks formation and propagation life prediction model. Through the experimental study of fatigue damage, get the crack and the changing laws alternating load in fatigue damage process of coating with change such as amplitude, contact load and time, and other parameters. The application of the critical cracks formation and propagation prediction model will be to achieve accurate quantitative evaluation of membrane-based interface bonding strength, to provide the theoretical basis for adjustment and control of the mechanical properties of the membrane interface and improve diamond coating comprehensive mechanical properties, and thus has important scientific significance.

硬质合金基体金刚石涂层膜基界面结合强度是保证涂层满足力学、物理和化学等使用性能的基本前提，对其进行精确定量评价已成为金刚石涂层制备与应用中的一个关键问题。本课题将以实现涂层膜基界面结合强度定量评价为目标，以硬质合金基体金刚石涂层为具体研究对象，对其宏微观尺度下的力学特性及作用机理开展研究。采用分子动力学模拟仿真和有限元耦合技术，从宏观和微观相结合角度分析研究疲劳损伤机理，建立疲劳损伤理论模型；从微观力学与晶体缺陷理论的层面研究膜基界面动态疲劳损伤微观机理，建立膜基界面临界裂纹产生与扩展寿命预测模型；通过疲劳损伤试验研究，获得交变载荷作用下涂层在疲劳损伤过程中随振幅、接触载荷和时间等参数变化时膜基界面处裂纹产生及其变化规律，应用临界裂纹产生与扩展寿命预测模型实现对膜基界面结合强度的精确定量评价，为调整和控制膜基界面的力学特性、改善金刚石涂层综合力学性能提供理论依据，因而具有重要科学意义。

金刚石涂层凭借其高硬度、高导热率、低摩擦系数以及良好的自润滑性和化学稳定性等优异性能被认为是本世纪最理想的刀具涂层材料之一，可沉积于复杂形状刀具基体上以满足不同加工需求，应用前景十分广阔。然而，现有工艺所制备的金刚石涂层膜基界面结合强度一直无法满足产业实际需要，成为影响其产业化的主要障碍之一。因此，深入研究金刚石涂层膜基界面结合强度的影响因素及其作用规律以改善其结合强度就变得尤为重要。而以压痕法、刮剥法等为代表的传统试验方法在评价金刚石涂层膜基界面结合强度方面存在着测量精度低，试验周期长等缺点。为克服传统宏观研究方法的不足，本项目基于分子动力学理论，借助分子动力学软件Materials Studio从微观角度建立了不同温度、不同厚度、不同晶向的金刚石涂层膜基界面模型，并基于Tersoff势函数、Morse势函数以及LJ势函数相互耦合的方法表征模型中各原子之间的相互作用关系，在此基础之上采用分子动力学仿真软件Lammps的Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator模块对不同条件下的金刚石涂层膜基界面结合强度进行精确计算与数据处理，以此分析温度、涂层厚度以及晶向对金刚石涂层膜基界面结合强度的影响及其作用规律。研究结果表明：温度对硬质合金基底金刚石涂层膜基界面结合强度的影响非常显著，在温度由0K上升到800K过程中，金刚石涂层膜基界面结合强度呈下降趋势，并且体系能量随温度的上升同样呈下降趋势，两者具有较好的一致性；晶向对膜基界面结合强度也有一定影响，[100]晶向的金刚石涂层膜基界面结合强度最大，[111]晶向次之，[110]晶向最小；不同晶向的金刚石涂层最优界面结合能对应的线缺陷率不同，[111]晶向金刚石涂层的最优线缺陷率为6.25%，[110]晶向金刚石涂层的最优缺陷率6.25%，[100]晶向金刚石涂层的最优线缺陷率0%。以上结论为金刚石涂层沉积工艺优化提供了参考与依据，对促进金刚石涂层刀具的产业化进程具有指导意义和实用价值。