高性能复合金刚石薄膜的冲蚀磨损性能及机理分析

BD-UCD及BD-UM-NCCD薄膜的制备工艺在第2章中已经论述过，本节中通过等比例延长沉积时间的方法分别制备了总厚度约为20μm的两种金刚石薄膜作为冲蚀试验的样品，以便与3.3.1节所述的单层BDD、NCD及MCD薄膜的冲蚀性能进行对比。根据前述研究可知，用于评价金刚石薄膜冲蚀磨损性能的两个最主要的指标为薄膜的稳态磨损率εs以及薄膜剥落时间（薄膜寿命）tr。本节中所采用的冲蚀试验参数如下：采用的磨料是平均颗粒度为45μm的碳化硅砂，磨料流量为2.0 kg/h，冲蚀速度ve＝160 m/s，冲蚀角度αe＝15°～90°。为了便于对比，在该参数下同样针对未涂层的碳化硅样品以及相同厚度的单层BDD、NCD和MCD薄膜样品（即图3-6中所述样品）进行冲蚀试验。在不同的冲蚀角度下，未涂层碳化硅样品、MCD薄膜、BDD薄膜、NCD薄膜、BD-UCD薄膜以及BDUM-NCCD薄膜的稳态冲蚀磨损率εs以及薄膜剥落时间（薄膜寿命）tr均如图3-22所示。

图3-22　不同冲蚀角度下碳化硅及不同金刚石薄膜样品的稳态冲蚀磨损率及薄膜寿命

（a）稳态冲蚀磨损率；（b）薄膜寿命(www.xing528.com)

整体来看，随着冲蚀角度的增大，法向速度及法向冲击力会随之增加，进而导致冲击活化能增加，裂纹的形成及扩展过程加快，各种材料的稳态冲蚀磨损率均会有所增加，而五种金刚石薄膜的稳态冲蚀磨损率均明显小于未涂层碳化硅的稳态冲蚀磨损率。此外，随着冲蚀角度的增大，五种金刚石薄膜的寿命均有明显下降。

MCD薄膜与BDD薄膜稳态冲蚀磨损率随冲蚀角度的变化规律及其对比情况与3.3.2节第2小节所述一致，当冲蚀角度小于或等于30°时，BDD薄膜的稳态冲蚀磨损率略低于MCD薄膜，原因可能是BDD薄膜具有优于MCD薄膜的附着性能和断裂韧性。而当冲蚀角度大于或等于45°时，BDD薄膜的稳态冲蚀磨损率则略高于MCD薄膜，这则是因为在大角度冲蚀的条件下，薄膜硬度对于薄膜冲蚀性能的影响起到了主导作用，因此具有较高硬度的MCD薄膜的稳态冲蚀磨损性能略优于BDD薄膜。在所有冲蚀角度下，NCD薄膜和BD-UM-NCCD薄膜的稳态冲蚀磨损率均略大于MCD薄膜和BDD薄膜，这则是因为在所有薄膜中，NCD薄膜与基体之间的附着性能最差，NCD薄膜的断裂韧性也较差。当冲蚀角度大于或等于45°时，BD-UCD薄膜的稳态冲蚀磨损率与MCD薄膜基本一致，这是因为该薄膜表面的MCD薄膜层具有与单层MCD薄膜类似的高硬度及耐磨性。然而当冲蚀角度小于或等于30°时，BD-UCD薄膜的稳态冲蚀磨损率则要略小于单层的MCD薄膜及BDD薄膜，这则是因为该薄膜底层BDD薄膜层与基体材料之间具有较好的附着性能，有效解决了单层MCD薄膜与基体附着性能较差的问题。对于同样厚度的金刚石薄膜冲蚀样品而言，薄膜的剥落时间（薄膜寿命）主要受附着性能的影响，因此NCD和MCD薄膜的寿命均明显短于其他薄膜，其中NCD薄膜寿命最短。由于硼掺杂技术可明显改善金刚石薄膜与基体之间的附着性能，因此相比于MCD及NCD薄膜，BDD、BD-UCD和BD-UM-NCCD薄膜的寿命均会有明显延长。此外，因为BD-UM-NCCD薄膜表面的NCD薄膜层磨损较快，BD-UCD薄膜表面的MCD薄膜层硬度较高、磨损较慢，因此从整体来看，BDUM-NCCD薄膜的寿命略短于BDD薄膜，而BD-UCD薄膜的薄膜寿命则要略长于BDD薄膜。以冲蚀速度ve＝160 m/s，冲蚀角度αe＝30°为例，薄膜的稳态冲蚀磨损率和薄膜寿命分别为MCD：0.71 mg/kg，110 min；BDD：0.62 mg/kg，215 min；NCD：0.74 mg/kg，95 min；BD-UCD：0.57 mg/kg，220min；BD-UMNCCD：0.74 mg/kg，205 min。

NCD薄膜中金刚石成分的降低及附着性能的下降会导致其冲蚀磨损性能显著下降，而BD-UM-NCCD薄膜中底层BDD薄膜层与基体材料之间具有较好的附着性能，同时中间层的MCD薄膜也可有效补偿表层NCD薄膜的耐磨损性能，因此BD-UM-NCCD薄膜具有较好的冲蚀磨损性能。BD-UCD薄膜很好地综合了BDD薄膜附着性能好和MCD薄膜硬度极高的优点，具有最佳的冲蚀磨损性能［101］。