沉积温度对不同Co含量WC-Co_SiC_Diamond界面结合性能的影响.pdf
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1、第 52 卷 第 11 期2023 年 11 月人工晶体学报JOURNALOFSYNTHETICCRYSTALSVol.52 No.11November,2023沉积温度对不同 Co 含量 WC-Co/SiC/Diamond界面结合性能的影响杨俊茹1,岳艳萍1,吕 浩1,任保飞1,陈公领2(1.山东科技大学机械电子工程学院,青岛 266590;2.山东菏泽市曹县科技局,菏泽 274499)摘要:本文构建了 Co 质量分数分别为6%、8%、10%和12%的 WC-Co/SiC/Diamond 金刚石涂层硬质合金界面模型,利用分子动力学方法模拟了不同沉积温度对其界面结合强度的影响,从黏附功及键长分
2、布两个方面进行具体分析。黏附功分析结果表明,与其他三种 Co 含量界面模型相比,WC-6%Co/SiC/Diamond 界面模型在七个沉积温度下所包含的两种界面的黏附功值均为最高值,并且在不同沉积温度下,WC-6%Co/SiC/Diamond 界面模型所包含的 WC-6%Co/SiC界面、SiC/Diamond 界面的黏附功分别在 1 123、1 173 K 时最大,为 2.468、5.394 J/m2。键长分布概率分析结果表明,与其他三种 Co 含量界面模型相比,在任一沉积温度下,WC-6%Co/SiC/Diamond 界面模型各界面处键长分布范围的最大值较小,且在 1 123 K 时在 W
3、C-6%Co 基体上沉积 SiC 中间层,在 1 173 K 时在 SiC 中间层上沉积 Diamond 涂层后,该界面模型界面处的键长最短,键能最大,界面结合性能最好。关键词:金刚石涂层硬质合金;WC-Co/SiC/Diamond;沉积温度;Co 含量;界面黏附功;界面结合性能;键长中图分类号:TG178文献标志码:A文章编号:1000-985X(2023)11-1997-10Influence of Deposition Temperature on Interface Bonding Properties ofWC-Co/SiC/Diamond with Different Co Con
4、tentYANG Junru1,YUE Yanping1,LYU Hao1,REN Baofei1,CHEN Gongling2(1.College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;2.Science and Technology Bureau of Cao County,Heze 274499,China)Abstract:Interface models of diamond-coated cemented
5、carbide tool WC-Co/SiC/Diamond with Co mass fraction of 6%,8%,10%and 12%were constructed.The influences of different deposition temperatures on the interface bonding strength weresimulated with the molecular dynamics method,and the reasons were analyzed from perspectives of adhesion work and bondlen
6、gth distribution.The adhesion work analysis indicates that,compared with the other three Co content interface models,thetwo interfaces in WC-6%Co/SiC/Diamond interface model have the highest adhesion work values at seven depositiontemperatures.At different deposition temperatures,both interfaces of
7、WC-6%Co/SiC and SiC/Diamond in WC-6%Co/SiC/Diamond have the highest adhesion work values of 2.468 and 5.394 J/m2at 1 123 and 1 173 K,respectively.The analysisresults of bond length distribution indicate that,at any deposition temperature,compared with the other three Co contentinterface models,the m
8、aximum value of the bond length distribution range at each interface of WC-6%Co/SiC/Diamond issmaller.The interface model obtained by sequentially depositing SiC layer on WC-6%Co substrate at 1 123 K and diamond coatingon SiC layer at 1 173 K has the shortest interface bond length,the largest bond e
9、nergy,and the best interface bonding property.Key words:diamond-coated cemented carbide;WC-Co/SiC/Diamond;deposition temperature;Co content;interfaceadhesion work;interface bonding property;bond length 收稿日期:2023-05-27 基金项目:山东省自然科学基金(ZR2022ME129,ZR2022ME150)作者简介:杨俊茹(1969),女,河北省人,博士,教授。E-mail:0 引 言金刚石
10、涂层硬质合金刀具具有硬度高、摩擦系数低及化学稳定性优异等优点1-2,常用来加工陶瓷、碳1998研究论文人 工 晶 体 学 报 第 52 卷纤维材料、钛合金等非铁难加工材料3-5,但硬质合金与金刚石涂层之间黏附力的不足限制了其在工业上的广泛应用。WC-Co 硬质合金中的 Co 原子易扩散至基体表面,在金刚石涂层沉积过程中催化石墨相的形成6,降低金刚石涂层与硬质合金基体间的界面结合性能,因而 Co 含量对金刚石涂层硬质合金界面结合性能有着重要影响7-8。为了解决金刚石涂层黏附力差的问题,通常在硬质合金基体上预先沉积中间层,其中 SiC 中间层能够有效提高金刚石涂层的附着力9-12。而在金刚石涂层及
11、 SiC 中间层沉积过程中,沉积温度对涂层的质量及涂层与基体之间界面结合性能的影响很大。Ashkinazi 等13采用微波等离子体技术沉积多层金刚石涂层,通过控制沉积温度制备出附着力良好且弹性压缩应力较小的金刚石涂层。Shen 等14采用化学气相沉积法在 SiC 衬底上沉积金刚石薄膜,发现当沉积温度达到 900 时,晶粒形态和纯度会发生明显变化,提高了耐磨性和耐高温性。Hei 等15研究了沉积温度对硬质合金表面沉积 SiC 薄膜的影响,发现在一定温度下沉积的 SiC 薄膜具有较高的附着力。宁来元等16在800 沉积温度下制备的 SiC 涂层与硬质合金刀片有着良好的结合强度,将其作为中间层,制备
12、出了均匀、连续、致密且附着力良好的金刚石涂层。目前,有关金刚石涂层硬质合金刀具界面结合性能影响的研究多数为实验研究,缺乏从原子角度揭示沉积温度对不同 Co 含量硬质合金涂层刀具界面结合的作用机理的研究。本文针对 WC-Co/SiC/Diamond 金刚石涂层硬质合金,构建不同 Co 含量的金刚石涂层硬质合金界面模型,利用分子动力学计算不同沉积温度下各界面模型的黏附功,分析界面处的键长分布情况,确定 SiC 中间层及金刚石涂层在硬质合金基体上合适的沉积温度。本研究对揭示金刚石涂层硬质合金界面结合机理、优化该涂层刀具制备工艺具有重要意义。1 模型与计算方法Li 等17发现 W 原子终端的 WC(0
13、01)表面最为稳定;刘敬18通过实验研究发现 SiC 薄膜在硬质合金上呈 面择优生长;杨俊茹等19发现 SiC 作为中间层具有两种界面终端,而 SiCSi-C终端界面结构最为稳定;刘洪武等20证明了金刚石薄膜以 晶向生长为主。目前,基体中 Co 含量为6%、8%、10%、12%的金刚石涂层硬质合金刀具应用广泛21,因此,选取这四种基体并选择 WC(001)面、SiCSi-C(111)、Diamond(111)作为构建界面模型的表面,并添加厚度为 50 的真空层以消除界面模型上、下表面原子间的影响。研究表明,WC 界面间隙太小,无法容纳 Co 原子,因此 Co 原子以置换 C 原子的方式进入界面
14、,形成 WC-Co模型22-23。本文在 WC-Co 模型构建过程中,利用 Co 原子置换 C 原子,同时也将 Co 原子看作连接各个 WC晶胞的黏结相。为了获得 Co 含量为 6%、8%、10%和 12%的基体,需要确定 W 原子、Co 原子及 C 原子的原子数量并确定 Co 的含量,Co 原子含量计算公式为wCo=nCoArConCoArCo+nWArW+nCArC 100%(1)式中:wCo为 Co 含量,单位%;nCo为 Co 原子的数量;ArCo为 Co 原子的相对原子质量,即58.93;nW为 W 原子的数量;ArW为 W 原子的相对原子质量,即183.84;nC为 C 原子的数量
15、;ArC为 C 原子的相对原子质量,即12.01。表 1 中为构建 Co 含量为 6%、8%、10%和 12%的基体界面模型时 W 原子、Co 原子及 C 原子的数量,以及由式(1)得到的界面模型中的 Co 含量。从表 1 可知,界面模型中的 Co 含量与相应基体中的 Co 含量基本吻合。表 1 不同 Co 含量界面模型中各原子数量Table 1 Number of atoms in interface models with different Co contentInterface modelnWnCnCowCo/%WC-6%Co/SiC/Diamond1 6831 1443526.03W
16、C-8%Co/SiC/Diamond1 8811 1445287.96WC-10%Co/SiC/Diamond1 9801 0567049.92WC-12%Co/SiC/Diamond1 98088088012.16 第 11 期杨俊茹等:沉积温度对不同 Co 含量 WC-Co/SiC/Diamond 界面结合性能的影响1999根据表 1 中的数据构建 WC-Co/SiC/Diamond 界面模型,图 1 为 WC-6%Co/SiC/Diamond 界面模型的构建过程。将 WC 晶胞沿(001)面切面,并按 17 11 8 的倍数进行超胞处理,用 Co 原子置换 4 列的 C 原子,可以看作
17、Co 元素把 WC 晶胞连接起来,起到黏接相的作用,得到如图1(a)所示的 WC-6%Co 模型;将 SiC 晶胞沿(111)面切割,并按 16 13 4 的倍数进行超胞处理,得到如图 1(b)所示的 SiC 模型,其与 WC-6%Co模型表面相匹配;将 Diamond 晶胞沿(111)面切割,并按 20 13 4 的倍数进行超胞处理,与 WC-6%Co 模型表面相匹配的 Diamond 模型如图1(c)所示;将 WC-6%Co 模型作为第一层,SiC 模型作为第二层,Diamond 模型作为第三层,添加厚度为 50 的真空层,构建出如图 1(d)所示的 WC-6%Co/SiCSi-C/Dia
18、mond 界面模型。按照同样的过程分别构建 Co 含量为 8%、10%、12%的 WC-8%Co/SiC/Diamond、WC-10%Co/SiC/Diamond及 WC-12%Co/SiC/Diamond 界面模型。图 1 WC-6%Co/SiC/Diamond 界面模型的构建Fig.1 Construction of WC-6%Co/SiC/Diamond interface model对构建后的界面模型进行几何优化。选择 Smart 算法,Quality 选择 Fine 精度,力场选择 Universal 力场,静电相互作用求和选择 Ewald 法,范德瓦耳斯力求和选择 Atom bas
19、ed 法,进行几何优化后,钴含量分别为6%、8%、10%、12%的 WC-Co/SiC/Diamond 界面模型如图 2 所示。图 2 几何优化后的界面模型Fig.2 Geometry-optimized interface models对优化后的界面模型进行分子动力学模拟。选取 NVT 系综,力场选择 Universal 力场,计算精度选择Fine,温度控制方法选择 Nose 法,静电相互作用求和选择 Ewald 法,范德瓦耳斯求和选择 Atom based 法。对于每个模型,模拟 1.5 105步,时间步长为 1 fs,总时间为 150 ps。Wang 等9研究了不同沉积条件对WC-Co/
20、SiC/Diamond 界面结合性能的影响,确定了合适的沉积温度范围为 873 1 373 K。本文选择 973、1 023、1 073、1 123、1 173、1 223、1 273 K 的沉积温度进行分子动力学模拟。2000研究论文人 工 晶 体 学 报 第 52 卷界面黏附功是把界面分离成两个自由表面时所需要的单位面积上的可逆功。模型中两分离表面(表面、表面)以及模型整体的能量均是影响模型界面黏附功值的重要因素。界面黏附功越大,界面结构越稳定,界面结合性能越好。由、两表面组成的界面黏附功计算公式为24Wad=E+E-E/A(2)式中:Wad为界面黏附功,J/m2;E为 表面模型的能量,e
21、V;E为 表面模型的能量,eV;E/为构建的/界面模型的总能量,eV;A 为/界面面积,2。2 结果与讨论2.1 界面黏附功分析图 3 为 WC-Co/SiC/Diamond 模型所含各界面图解。计算界面 1 黏附功时,表面为SiC/Diamond,表面为 WC-Co;计算界面 2 黏附功时,表面为 Diamond,表面为 WC-Co/SiC。图 3 界面模型图解Fig.3 Diagram of interface model计算不同沉积温度下的 WC-6%Co/SiC/Diamond 界面模型的总能量与各表面模型的能量后,将其带入公式(2),得到界面模型的黏附功,如表 2 所示。表 2 不同
22、沉积温度下 WC-6%Co/SiC/Diamond 界面模型的能量及界面黏附功Table 2 Energy and interface adhesion works of WC-6%Co/SiC/Diamond interface model atdifferent deposition temperaturesTemperature/K9731 0231 0731 1231 1731 2231 273Etotal/(kcalmol-1)973 040.9976 030.7977 025.3978 642.7981 200.8984 300.9986 343.2EDiamond+SiC/(kc
23、almol-1)65 197.267 225.669 039.169 145.972 627.075 204.876 426.5EWC-Co/(kcalmol-1)901 949.3902 712.3901 868.2902 963.8902 506.8902 777.8904 235.3EDiamond/(kcalmol-1)45 448.846 611.447 359.348 312.749 022.950 353.951 614.4ESiC+WC-Co/(kcalmol-1)914 587.691 6447.8916 396.8917 897.6917 899.2919 898.6921
24、 664.0A/21 839.791 839.791 839.791 839.791 839.791 839.791 839.79Wad1/(Jm-2)2.2272.3022.3112.4682.2922.3872.146Wad2/(Jm-2)4.9134.9005.0134.6965.3945.3074.935 注:Wad1为 WC-Co/SiC 界面黏附功,Wad2为 SiC/Diamond 界面黏附功。从表 2 可知,WC-6%Co/SiC/Diamond 界面模型中,在 1 123 K 下,WC-Co/SiC 界面的黏附功最大,为2.468 J/m2;在1 173 K 下,SiC/Di
25、amond 界面的黏附功最大,为5.394 J/m2。因此,在1 123 K 下,在 WC-6%Co 硬质合金上沉积 SiC 中间层,在 1 173 K 下,在 SiC 中间层上沉积金刚石涂层,其金刚石涂层界面结合性能最好。第 11 期杨俊茹等:沉积温度对不同 Co 含量 WC-Co/SiC/Diamond 界面结合性能的影响2001按照同样的计算过程得到不同沉积温度下的 WC-8%Co/SiC/Diamond 界面模型的能量与界面黏附功,如表 3 所示。表 3 不同沉积温度下 WC-8%Co/SiC/Diamond 界面模型的能量及界面黏附功Table 3 Energy and interf
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