制备与表征金刚石薄膜涂层阀座

阀门频繁的开关工况对于阀座基体韧性有较高要求，因此选用硬质合金作为基体，对于整体结构经过优化的煤液化减压调节阀，尝试选取了采用甲烷碳源沉积的MCD薄膜作为阀座内孔表面的保护涂层。煤液化减压调节阀阀座的剖面结构如图7-15（a）所示，内孔孔径约为4 mm，采用与3.8节类似的内孔沉积参数正交优化方法（用冲蚀磨损性能替代应用摩擦磨损性能，具体过程略）及第4章所述的仿真方法综合确定的沉积参数如表7-3所示，图7-15（b）是在该优化参数下阀座内孔表面的温度场分布云图，内孔表面的最大温差仅有8.46℃。

图7-15　阀座剖面结构及优化参数下内孔表面的温度场分布

（a）阀座剖面结构图；（b）优化参数下内孔表面温度分布云图(www.xing528.com)

表7-3　阀座内孔甲烷碳源MCD薄膜沉积参数表

在煤液化减压调节阀中，阀座内孔表面和阀芯外圆表面的配合有密封要求，因此采用内孔线抛光机和1～10μm的金刚石微粉对制备的MCD薄膜涂层阀座的内孔表面进行了抛光处理，抛光前后的阀座样品分别用慢走丝线切割机沿中间轴线切开，然后采用场发射扫描电子显微镜（FESEM，Zeiss ULTRA55）对其表面形貌和截面形貌进行观测。甲烷碳源MCD薄膜涂层阀座内孔表面三个不同位置抛光前的表面形貌如图7-16（a）所示，从图上可以看出，阀座内孔表面沉积了一层连续、均匀、具有良好晶型的MCD薄膜，不同位置的薄膜具有较为一致的晶粒尺寸，金刚石晶粒的大小约为2～3μm。抛光后的MCD薄膜涂层阀座内孔表面对应位置的表面形貌如图7-16（b）所示，虽然采用甲烷沉积的MCD薄膜硬度很高，较难抛光，但是由于阀座内孔孔径较小，采用内孔线抛光机进行抛光处理相对比较简便，并且明显提高了阀座内孔表面光洁度，从而有利于保证阀座内孔表面与阀芯外圆表面的密封配合。MCD薄膜涂层阀座对应位置的截面形貌如图7-16（c）所示，阀座内孔表面涂层厚度同样非常均匀（12～13μm），这主要得益于采用优化的沉积参数导致的比较均匀的内孔表面温度场分布状况，由于硬质合金基体上厚度较大的MCD薄膜附着性能较差，因此相对于喷嘴而言，本节研究中选用的薄膜厚度相对较薄，避免了硼掺杂技术的采用，相对缩短了金刚石薄膜的沉积时间，采用该厚度的MCD薄膜作为煤液化减压调节阀阀座的内孔表面涂层具有更高的性价比，其附着性能和综合的冲蚀磨损性能也已经满足了该阀门的使用需求。

采用波长为632.8nm的（He-Ne）激光拉曼光谱分析仪对对应位置MCD薄膜的成分及质量进行表征，结果如图7-17所示（自上而下对应图7-16中自上而下的三个取样点）。由图中可以看出，在硬质合金阀座基体内孔表面不同位置沉积的MCD薄膜全部仅在波长为1 337 cm－1处存在一个特征峰，即金刚石sp3相成分的特征峰，这说明在阀座内孔表面制备的MCD薄膜整体具有非常高的金刚石含量。