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       摘要：本研究利用化学气相沉积法在钛合金上沉积出一层人造金刚石薄膜，以获得较好的粘附性。金刚石镀附金属合金有着广泛的科学技术应用前景；对脆硬涂层粘附机制的研究有着重要意义。本文还利用压痕法对这种涂层的粘合性进行测量观察。
       近年来，针对金属材料和陶瓷材料的结合剂技术发展迅速，特别是拥有机械稳定性较好的界面，并获得对粘附性的定量度量。这些技术研究囊括了诸多领域，如化学、材料科学和力学等。在本研究中，陶瓷衬底上沉积出一层金属薄膜。材料加工或温度变化可能会对涂层的稳定性产生影响；残余应力也会导致界面、衬底和薄膜的损坏报废。薄膜或涂层的热应力σth、热膨胀系数的量级差值Δα和温度变化ΔT的关系式如下所示：

       其中E为薄膜的杨氏模量。
       在本实验中，金刚石杨氏模量的极端值（E~1000GPa）和较大的热膨胀差值（Δα~5→10×10-6K-1）会引起较大的残余应力，这种应力的量级预测会超过若干个GPa。
       虽然金刚石涂层金属要承受较大的应力，但由于其硬度高、导热系数大、耐腐蚀性好而广泛应用于诸多领域。近年来，研究主要集中在CVD法制备的人造金刚石涂层钢和其他金属合金方面。
       除了较大的热膨胀错配，钢衬底和CVD沉积工艺之间的化学不兼容性也使得金刚石涂层钢的制备较为困难。因此，采用一种扩散屏障或者类金刚石碳对于解决碳的溶解度和合金成分的逆反应有重要作用。但这些方法容易影响涂层的粘附性并降低设备应用的硬度和热导系数等物理特性。本研究的重点在于描述金刚石涂层金属制备工艺初期的试验工作和获得的良好界面粘附性。由于金刚石的极端硬度，对金刚石涂层金属的特性进行量化也是一项较为困难的研究主题。

       Ti-6Al-4V钛合金广泛应用在航空航天领域，本研究则利用该合金对金刚石涂层进行实验研究。这种衬底材料可以实现对金刚石-金属的沉积和粘附性的测量，虽有较大的热膨胀错配，但界面上不存在不良化学反应。为进行金刚石沉积，首先将Ti-6Al-4V试样（25mm*5mm*1mm）在溶剂（丙酮、三氯乙烷）中进行清洗。利用金刚石微粉对试样进行轻微研磨以增强成核作用并在去离子水中进行漂洗。试样温度为~800℃、含有~1%甲烷的氢混合气体和2.45GHz激发的条件下，微波离子反应体内实现金刚石生长。气体流率为200-250cm3/min-1，压力为30-80托。

       然后，将~1μm厚的金刚石涂层镀附在钛合金试样上，根据图一的拉曼光谱和纹理较好的面状微结构可以看出金刚石的生长。1332cm-1~1350cm-1处的拉曼光谱有明显变化，对其分析可以发现沉积金刚石涂层后，薄膜在室温下存在~7GPa的压应力。这与之前实验中金刚石涂层的钛合金出现分层现象形成对比。

       由于金刚石硬度和杨氏模量的极端值，对金刚石涂层衬底的界面韧性进行测量较为困难。现有的附着试验都有所限制。例如，通过不断施加载荷用金刚石头的压痕计在涂层表面刻痕只到有分层出现。而在一些实验中，由于界面韧性过高，载荷的施加通常会失败；对于一些硬度非常高的薄膜，刻痕过程中金刚石头出现磨损会使得实验更加复杂。

       测量界面韧性的另外一种方法是利用锥形金刚石压痕计对涂层进行穿透从而致使分层出现。这种技术已经应用在玻璃衬底上ZnS的界面韧性测试。利用薄膜的塑性流动诱导分层出现。
       金属衬底上可以实现金刚石薄膜的压痕，诱导薄膜分层，如图2所示。这个维氏压痕法形成对比，主要是由于分层是由塑性流动引起的，而非薄膜变形引起的。图3的内嵌图为具体的形状示意图；施以较大的载荷（~1500N）用金刚石压头穿透薄膜和衬底。使用锥形压头主要是因为这种压头的尺寸大，可以在衬底上形成相对较大的塑形区并得到一个和薄膜厚度相当的压痕深度。该方法用于其他高硬度涂层的测量，如TiC和TiN。
 

图二：实验结果的低倍光学显微图

       薄膜在压痕之前的单位面积上的弹性应变能为（1－v）σ2t/E，v为薄膜的泊松比，t为薄膜厚度。对于金刚石-钛系统的典型代表值（σ＝7GPa，t＝1μm，v＝0.07，E＝1000GPa），单位面积的初始应变能为46Jm-2。伴随分层的可能还有薄膜裂缝和弯曲变形等，但本研究主要讨论的是半径R的轴对称边缘的断裂现象，如图2、3所示。压痕计使衬底发生塑形形变，迫使金属堆积并径向膨胀。和薄膜厚度相比，压痕半径a比较大。这样会导致薄膜的弯曲能要比薄膜平面内形变导致的应变能变化小很多。
       金刚石-钛系统的界面韧性要比其他金刚石镀附材料的界面韧性更加优越。分层通常发生在金属和陶瓷衬底上金刚石沉积温度的冷却过程中。（编译：中国超硬材料网）