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高性能金刚石涂层制备及其在CFRP钻削中的应用研究

张建国  
【摘要】:碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)因其轻质高强度低膨胀系数和良好的吸振性能等优点,广泛应用于航空航天领域在CFRP的应用中,需要大量的二次机械加工,尤其是钻孔加工CFRP中树脂和碳纤维的物理性能差异大,导致其力学性能呈各向异性,层间结合强度低,孔加工过程中易产生分层撕裂毛刺和孔周围纤维拔出等加工缺陷而且,由于CFRP的高硬度高强度和导热性差等特点导致刀具磨损和失效快,使得加工质量差加工效率低化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)金刚石薄膜具有高硬度高热导系数高耐磨性以及低摩擦系数等特点,使其成为理想的工具涂层材料CVD金刚石涂层刀具因其优越的性能,有望成为解决CFRP加工难题的理想刀具本文致力于研究高性能金刚石涂层的制备及其在CFRP钻削中的应用研究,在硬质合金钻头表面沉积不同类型的金刚石薄膜,制备高质量的金刚石涂层钻头,通过CFRP的钻削试验,研究不同类型薄膜金刚石涂层钻头的钻削性能,获得与金刚石涂层钻头加工CFRP相匹配的钻削工艺参数主要研究工作内容如下: 1.热丝化学气相沉积(Hot Filament CVD,HFCVD)方法制备复杂形状金刚石涂层刀具的物理场仿真计算与实验验证研究利用有限体积法(Finite Volume Method,FVM)对HFCVD系统中的刀具基体温度和气体密度场分布进行研究通过建立单排多排和批量化制备金刚石涂层刀具的模型,仿真计算不同热丝排布结构和反应源气体的进入方式对基体表面温度分布及基体周围气体密度场分布的影响获得单排多排和批量化制备金刚石涂层刀具的优化结构参数对于批量化刀具沉积装置,采用不等间距的栅状热丝排布结构可以使得批量化刀具基体表面获得均匀的温度场分布基体温度测量实验结果表明,仿真计算的结果准确可靠单排多排和批量化典型位置刀具的薄膜沉积试验结果表明,热丝间距过小时,会导致基体温度过高,薄膜生长时内应力积聚,薄膜容易脱落;热丝间距过大,导致基体温度过低,薄膜生长不均匀采用仿真计算的优化结构参数可用于制备质量高薄膜均匀性好的金刚石涂层刀具,为产业化制备高质量的复杂形状金刚石涂层刀具提供切实有效的指导 2.硬质合金基体沉积CVD金刚薄膜的工艺参数研究以碳源浓度基体温度反应压力热丝功率热丝与基体距离等沉积参数为因素,研究沉积参数对金刚石薄膜形貌质量和生长速率的综合影响作用对于硬质合金平片基体,以基体温度碳源浓度和反应压力为考察因素,采用正交试验方法进行沉积试验结果表明,不引入其他反应气体,采用较低的反应压力(10Torr)基体温度为910oC时,在硬质合金基体表面易于生成纳米金刚石,纳米金刚石薄膜的生长速率达到3.03μm/h当基体温度较低时(650oC),金刚石薄膜中其他碳相结构物质较多,使得金刚石薄膜的质量下降对于复杂形状的硬质合金基体,以热丝功率碳源浓度反应压力和热丝与刀具顶端的距离为考察因素,采用正交试验方法进行沉积试验结果表明,在复杂形状基体表面,高热丝功率低反应压力的条件易于沉积纳米金刚石通过研究沉积参数在薄膜沉积过程中的综合作用,为硬质合金基体制备高质量的金刚石薄膜的参数优化提供指导开发了制备硅掺杂金刚石的新方法,在硬质合金基体沉积金刚石薄膜过程中,引入硅掺杂可以有效提高薄膜与基体间的附着力,硅/碳浓度比对金刚石形貌和质量有显著的影响硅元素的引入可以细化金刚石薄膜的晶粒,当硅/碳浓度比达到50000ppm时,金刚石薄膜完全变为纳米颗粒结构,为制备低表面粗糙度和高附着力的金刚石涂层刀具提供了一种方便有效的方法 3. CFRP钻孔加工分析及金刚石涂层钻头钻削试验研究针对CFRP制孔加工中的刀具磨损严重和制孔质量差等问题,分析了CFRP钻削加工的机理及孔质量评价方法钻头主切削刃上垂直切削方向的力对上侧纤维有向上剥离的作用,横刃上垂直切削方向的力对下侧纤维有向下挤的作用,两者的共同作用是产生分层缺陷的主要原因钻头横刃对下方纤维的推挤作用使得在孔出口处出现毛刺和撕裂等缺陷采用大顶角硬质合金钻头以及金刚石涂层钻头进行CFRP的钻削试验,结果表明:大顶角钻头可以有效改善孔加工质量,金刚石涂层钻头因其高耐磨性能和良好的导热性能表现出优异的钻削性能,同时改善制孔质量 4. CFRP与金刚石薄膜的摩擦学性能研究采用精密涂层摩擦磨损试验机对硬质合金平片基体以及沉积在硬质合金平片基体表面的5种不同结构的金刚石薄膜,即微米金刚石薄膜(Micro-crystalline diamond films,MCD)纳米金刚石薄膜(Nano-crystalline diamond films, NCD)微/纳米复合金刚石薄膜(Micro-and Nano-crystalline composited diamond films,MCD/NCD)硼掺杂金刚石薄膜(Boron dopeddiamond films,B-doped)以及硅掺杂金刚石薄膜(Silicon doped diamond films,Si-doped)与CFRP配副材料组成的摩擦副在干摩擦条件下的摩擦学性能进行了试验研究摩擦学试验结果显示,CFRP与硬质合金及5种不同类型金刚石薄膜的摩擦系数分别为0.250.310.240.130.35和0.23表面形貌对金刚石薄膜与CFRP的摩擦学性能影响很大由于MCD/NCD表面粗糙度低以及复合薄膜的减摩作用,与CFRP对摩时,摩擦系数最小CFRP与硬质合金和5种不同类型金刚石薄膜对磨时,CFRP的磨损率WCFRP分别是4.77×10-5mm3/(N·m)95.47×10-5mm3/(N·m)44.65×10-5mm3/(N·m)85.63×10-5mm3/(N·m)66.49×10-5mm3/(N·m)和61.81×10-5mm3/(N·m)结果表明5种类型金刚石薄膜对CFRP的材料去除率分别是硬质合金的20倍9倍18倍14倍和13倍NCD中含有大量的sp2碳相结构,其硬度低于MCD,因而对CFRP的材料去除率小于MCD MCD/NCD复合薄膜与NCD相比,由于中间层高硬度MCD的作用,使得复合薄膜对CFRP的材料去除率大于NCD 5.不同类型薄膜金刚石涂层钻头加工CFRP的钻削性能及钻削工艺参数匹配研究在硬质合金钻头表面沉积5种不同类型的金刚石薄膜: MCD NCD MCD/NCD B-doped和Si-doped以CFRP为工件材料,采用正交试验方法,以金刚石薄膜类型和钻削工艺参数为因素,进行了CFRP的钻削加工试验依据涂层刀具的磨损情况及CFRP孔表面质量为评价标准,获得加工CFRP钻削性能优越的金刚石薄膜类型以及与之相匹配的钻削工艺参数


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