内孔金刚石薄膜的制备及应用研究

由于缺少内孔金刚石薄膜涂层的专用设备及其关键技术，国外内孔金刚石薄膜还处于基础性研究阶段，在内孔摩擦磨损领域的应用基础研究主要集中在拉丝模具上，日本工业大学机械工程研究所的Murakawa等采用HFCVD热丝穿孔法，通过优化热丝形状和沉积参数，在拉丝模内孔工作表面制备了厚度均匀的CVD金刚石薄膜，并采用该金刚石薄膜涂层模具分别针对铜丝和钢丝进行了拉丝试验，研究了拉拔过程中金刚石薄膜内的应力变化情况，并证明了该涂层模具具有明显优于聚晶金刚石模具的拉拔特性［8687］，还进一步研究了用于精密细丝拉拔的、在内孔表面焊接CVD厚膜的拉拔模具的制备方法［88］。法国Ivan等则研究了采用MPCVD法在拉拔模具内孔表面沉积金刚石薄膜的方法，由于MPCVD法的限制，该方法采用了铜管导流方法将反应气体和等离子体引入拉拔模具内孔，操作方法和沉积工艺非常复杂［89］。在内孔耐冲蚀磨损应用研究方面，英国南安普敦大学机械工程研究所的Wheeler等进行了一系列有关自支撑金刚石厚膜冲蚀磨损性能及其在节流阀中应用的研究，应用试验证明，在含有一定固体颗粒的固液两相流冲蚀环境下，采用自支撑金刚石厚膜作为保护涂层的节流阀阀座和阀塞部件冲蚀磨损性能可以提高50%～60%［48］。目前国外CVD制备内孔金刚石薄膜的技术无论从设备研制、质量控制，还是CVD合成工艺、应用性能表征等方面都尚未开展深入研究，尤其需要适应于批量稳定制备技术，以满足内孔金刚石薄膜科学研究和工业化生产的需要。

随着国家基础工程建设的迅速扩大和装备制造业的迅猛发展，我国电线电缆工业获得了飞速发展，特别对于大截面、大容量的输电电缆的需求量猛增。同样，金属制品、建筑管材等制造行业也在国内传统工业领域占有很大比重。拉拔模具是线缆产品生产的最关键环节，直接影响相关行业生产效率、产品的质量以及原材料的用量。此外，我国也是轴承、阀门、喷嘴生产和应用的大国，迫切需要采用内孔金刚石薄膜涂层新技术，提高生产效率，减少原材料消耗，降低成本，提升产品质量，以促进我国相关行业整体水平的提高和技术进步。强大的内需和广阔的市场也有力促进了我国内孔金刚石薄膜涂层新技术的发展，可以说国内CVD内孔制备金刚石薄膜的研究和应用已处于国际先进水平。

相较于国外，国内对于金刚石薄膜涂层模具的制备和应用研究更具有普遍性和系统性。四川大学材料科学与工程学院无机材料系的苟立等使用自行研制的天线钟罩式MPCVD金刚石薄膜涂层设备，自行设计了可以将等离子体导入拉拔模具内孔空间的支撑结构，实现了在拉拔模具内孔壁8 mm深度范围内一次沉积出高质量的、比较致密的金刚石薄膜，采用该模具拉制的铝管表面较光洁，可以满足生产企业的使用要求［90］。中国工程物理研究院梅军等则开发出了垂直拉丝的拉拔模具批量化HFCVD金刚石薄膜沉积设备，实现了常规孔径金刚石涂层圆孔拉拔模具在焊丝、不锈钢丝拉拔中的产业化应用［91-93］。(www.xing528.com)

作者所在项目组在国家“863计划”、国家自然科学基金和上海市科委资助下，长期开展CVD金刚石涂层技术及应用研究，针对国内外金刚石薄膜制备与应用存在的问题和技术难点，提出了基体预处理、各类孔径和形状的内孔金刚石薄膜涂层、纳米金刚石复合涂层及研磨抛光等一系列新技术，在国际上首次研究开发出纳米金刚石复合涂层拉拔模具并实现产业化。项目组采用自行研制的适用于内孔表面金刚石薄膜制备的试验设备，实现了批量拉拔模具内孔表面金刚石薄膜的制备，在内孔HFCVD金刚石薄膜的制备及应用基础研究方面获得了丰硕的成果，包括小孔径拉丝模、大孔径紧压模及煤液化中试装置减压阀阀座内孔表面常规金刚石薄膜的制备及应用研究［94-98］，内孔表面纳米金刚石薄膜及微纳复合金刚石薄膜的制备及应用研究［31，99-100］，具有锥面和圆柱表面两层内孔表面的喷雾干燥喷嘴内孔表面硼掺杂复合金刚石薄膜的制备、冲蚀磨损性能及应用研究［101］，矩形孔异型模内孔表面硼掺杂金刚石薄膜的制备及应用研究［102］等。项目组研究开发的各种金刚石薄膜涂层拉拔模具已顺利实现产业化，其技术性能达到了国际先进水平，广泛应用于电力、线材、冶金等行业的千余家企业，并远销欧美，为应用企业带来了显著的经济效益。

由于内孔沉积技术工艺的复杂性以及高强度冲蚀磨损和摩擦磨损特殊工况下薄膜与基体之间的附着强度不能满足使用要求等问题仍然没有得到有效解决，金刚石薄膜在内孔摩擦磨损领域的应用，尤其是在小孔径、超大孔径和复杂形状内孔摩擦磨损领域的应用研究仍然非常有限，在内孔冲蚀磨损领域的应用研究更是仅限于国外针对节流阀和微机械的少数研究成果。因此，必须在系统性地研究不同类型金刚石薄膜冲蚀磨损和摩擦磨损性能的基础上，完善不同内孔条件下的金刚石薄膜沉积工艺，推动MCD、NCD、新型BDD及复合金刚石薄膜等在耐磨减摩器件内孔表面的产业化应用。