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答辩博士：田帅

指导教师：徐锋  教授/博导

论文题目：立方氮化硼/纳米金刚石多层复合涂层制备及机械性能研究

答辩委员会名单：

答辩秘书：李军  教授/硕导

答辩时间：2020-12-21 下午16:00

答辩地点：南航明故宫校区15#341

学位论文简介：

随着科学技术的快速发展，钛合金、高温合金等难加工材料越来越多地应用于现代工业，难加工材料的切削加工对刀具性能提出了更高的要求。立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，cBN）具有高的硬度和热导率，化学性质稳定，非常适合作为刀具涂层材料。采用纳米金刚石（Nanocrystalline Diamond，NCD）过渡层可以制备出高纯度的cBN涂层，但是依然存在着内应力大、厚度薄以及韧性低等问题，限制了其优异耐磨性能的充分发挥，严重制约着cBN涂层的应用。针对cBN涂层面临的问题，本文提出了cBN/NCD多层复合结构涂层，研究了cBN/NCD多层复合涂层的制备工艺，分析了cBN/NCD多层复合涂层的机械性能，揭示了cBN/NCD多层复合涂层的增韧机理和磨损机理，为cBN涂层的应用奠定基础。

论文主要研究内容和取得的成果如下：

（1）采用Ar辅助方法在低CH₄浓度条件下制备低生长速率的NCD涂层。系统分析了CH₄/H₂，CH₄/H₂/Ar和CH₄/H₂/N₂三种气氛条件下CH₄、Ar和N₂浓度对金刚石晶粒尺寸、生长速率和表面自由能的影响规律，最终在高浓度Ar离子的气氛下制备出高质量的NCD涂层，同时降低涂层的生长速率，增加其表面自由能，获得适合cBN生长的最佳NCD过渡层。

（2）系统研究了沉积温度、基底偏压和氮气分压对cBN涂层的纯度、残余应力、表面形貌以及生长速率的影响规律，分析了不同工艺参数对cBN涂层生长的影响机理。在兼顾cBN涂层纯度和生长速率的条件下，制备出纯度接近80%的cBN涂层，生长速率约0.1μm/h，硬度和弹性模量分别为37GPa和421GPa，具有良好的纳米力学性能。

（3）构建了cBN/NCD多层复合涂层-基底系统压痕作用下涂层开裂的有限元模型，分析了涂层在载荷作用下的应力分布和裂纹特性。结果显示，随着多层复合涂层中层数的增加，涂层中的最大主应力逐渐较小；此外，cBN/NCD多层复合涂层中的裂纹主要萌生于涂层上表面和压痕正下方NCD涂层中，增加多层复合涂层的层数，可以有效抑制裂纹的扩展；cBN/NCD多层复合涂层的界面脱落主要发生于膜基界面处，其主要失效形式为涂层的屈曲脱落。

（4）采用改变调制结构的方法降低cBN/NCD多层复合涂层的残余应力，同时提高涂层的断裂韧度。通过优化调制结构，涂层中残余应力低至0.43GPa，断裂韧度增至4.98MPa×m^1/2，较单层cBN涂层提高70%以上，揭示了cBN/NCD多层复合涂层的主要增韧机理。

（5）研究了cBN/NCD多层复合涂层的摩擦磨损性能。常温下cBN/NCD多层复合涂层的摩擦系数和磨损速率分别为0.12和1.19×10^-6mm³/(N×m)，随着温度的升高，摩擦系数逐渐减小，磨损速率逐渐增加，在600°C条件下，磨损速率约为8.43×10^-6mm³/(N×m)，耐磨性能分别是TiAlN涂层和PcBN刀具材料的3倍和4.5倍；cBN/NCD多层复合涂层高温条件下的主要磨损失效形式为磨粒磨损和NCD石墨化。

主要创新点:

（1）提出了在硬质合金刀具基体上制备cBN/NCD多层复合涂层的新思路，通过多层复合结构降低涂层内应力，增加涂层厚度，同时提高涂层韧性，解决了cBN涂层厚度薄和断裂韧度低的问题。

（2）提出了NCD涂层表面自由能和生长速率可控的制备方法，通过添加高浓度的Ar减小涂层的晶粒尺寸，提高表面自由能，同时降低涂层的生长速率，获得了适合cBN生长的NCD过渡层。

（3）构建了cBN/NCD多层复合涂层压痕作用下涂层开裂的有限元模型，分析了cBN/NCD多层复合涂层受载时的应力分布和裂纹特性，揭示了cBN/NCD多层复合涂层界面开裂的主要失效形式。

（4）开展了cBN/NCD多层复合涂层的高温摩擦磨损性能研究，分析了不同温度条件下cBN/NCD多层复合涂层的摩擦磨损特性，揭示了新型cBN/NCD多层复合涂层的高温磨损机理。