微裂紋缺陷對CVD 金剛石涂層微刀具 損傷失效的影響研究

白清順，張亞博，王永旭，何欣

（1.哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001；2.一汽-大眾汽車有限公司，北京 100083）

化學氣相沉積（Chemical vapor deposit，CVD）金剛石具有高硬度、高熱傳導率、低摩擦因數，以及良好的力學性能，是一種良好的刀具材料[1-3]。在切削加工領域，CVD 金剛石常常被涂附在硬質合金刀具表面，形成涂層微刀具對銅、鎂、鋁合金、石墨、陶瓷等難加工材料進行精密超精密加工[4-8]。然而，復雜的切削條件常常引起金剛石刀具的損傷和失效，這嚴重限制了金剛石涂層刀具進一步推廣使用。因此，研究切削加工過程中刀具的損傷機理對延長刀具的使用壽命和使用效率，提高加工表面的加工效率具有重要的意義。

為提高CVD 金剛石涂層微刀具的使用壽命，國內外學者開展了大量的研究工作來探究刀具的損傷失效機理。Ucun 等[9]切削加工718 鎳超級合金的實驗發現，CVD 金剛石涂層刀具比TiAlN 涂層刀具有更好的切削加工性，但是在切削加工過程中涂層脫落大大削減了 CVD 金剛石涂層刀具的使用壽命。Uhlmann 等[10]切削加工鋁硅合金的實驗發現，涂層上的壓縮殘余應力使得刀具具有更高的裂紋抗性，但是很容易引起涂層脫落和刀具失效。Naskar 等[11]高速干切削低碳鋼的實驗發現，塑性變形、晶粒剝落和涂層脫落是涂層刀具的主要損傷形式。此外，一些學者切削加工復合材料的實驗發現，CVD 金剛石涂層刀具的涂層脫落和前刀面破壞是切削加工過程中刀具的主要損傷失效形式[12-14]。因此，CVD 金剛石涂層刀具的涂層脫落失效嚴重限制了刀具的使用壽命。同時，為揭示CVD 金剛石刀具涂層的脫落損傷機理，研究者對涂層在基底上的粘接性開展了廣泛研究。Gunnars 等[15]開展了CVD 金剛石涂層在硬質合金基底上的沉積熱應力對涂層磨損和失效的影響研究，發現涂層中殘余壓應力抑制了涂層中裂紋的擴展并增強了涂層的抗磨損性。然而，涂層上的殘余壓應力引起涂層和基底界面產生強烈的法向應力和剪應力，進而導致涂層因界面剝落而失效。Xu 等[16]的實驗說明強碳化物結合形成的金屬夾層能顯著提高金剛石涂層和硬質合金基底之間的粘接性。Cui 等[17]的實驗發現非晶陶瓷夾層能顯著提高金剛石涂層的粘接性。

同時，化學方法預處理基底的方法也能提高涂層的粘接性[18-19]。然而，雖然通過添加粘接層和化學處理基底等方法能提高涂層的粘接性，但是相關研究發現涂層脫落仍是CVD 金剛石涂層刀具的主要損傷失效形式[20]。此外，刀具涂層在斷續切削沖擊載荷作用下容易萌生微裂紋而發生破壞。因此，CVD 金剛石涂層材料的裂紋萌生機理和抗裂紋擴展能力是當前的研究熱點。Telling 等[21]對CVD 金剛石涂層材料的斷裂和侵蝕行為進行研究，發現CVD 金剛石的斷裂各向異性與試樣的晶向有關。Novikov 等[22]對CVD金剛石薄膜的斷裂韌性和硬度進行了測量，發現CVD 金剛石中較高的內應力使得涂層中出現與硬度壓痕無關的應力腐蝕裂紋。Kuo 等[23]通過開展Si、WC和石英基底上的CVD 金剛石薄膜沉積實驗，獲得了不同殘余應力的金剛石薄膜，發現涂層中的非金剛石碳會引起涂層中具有較大的壓縮殘余應力，硅基底上較強的壓縮殘余應力有利于涂層粘接性的提高。Lim等[24]通過氣爆式沖蝕試驗機對金剛石薄膜連續沖擊下的抗沖蝕性進行研究，發現拋光損傷和穿晶裂紋使得金剛石表面具有較弱的抗腐蝕能力。Wang 等[25]開展了空氣風沙腐蝕機的高速沖蝕試驗，發現高的涂層殘余壓縮應力和臨界拉伸強度能抑制環形裂紋的形成。

從題型上看，2018年全國I卷試題與2017年保持了一定的聯系性和穩定性，文理科試卷均為23道考題，其中1—12題為選擇題，13—16題為填空題，17—21題為解答題，22、23題為選考題．試題重視對學生“四基、四能”的考查，其中“四基”是指數學的基礎知識、基本技能、基本思想、基本活動經驗；“四能”是指發現問題的能力、提出問題的能力、分析問題的能力、解決問題的能力，而且重點突出了對數學學科核心素養的考查．

涂層的脫落損傷包括涂層的斷裂和脫粘兩個過程。由于化學氣相沉積的不可控性，CVD 金剛石涂層內部和界面常常會引入微裂紋，涂層的斷裂過程與涂層內部微裂紋的萌生和擴展息息相關，其脫粘過程與界面裂紋的擴展相關。然而，微裂紋對涂層脫落的影響機理尚不完全明晰。因此，本文在涂層內部預置豎直裂紋，在涂層和基底的粘接界面預置水平裂紋，分別對涂層的斷裂和脫粘性能開展仿真研究?；贏BAQUS 建立單裂紋、多裂紋擴展的單向拉伸有限元仿真模型，通過分析涂層內部豎直裂紋和粘接界面水平裂紋擴展過程中的應力分布和裂紋尖端的應力強度因子變化曲線，揭示外載作用下裂紋與涂層脫落的交互作用機理。最后，通過分析CVD 金剛石涂層刀具微銑削Ti6Al4V 的刀尖斷面形貌，闡明涂層刀具的磨損形式和涂層斷裂、脫粘機理，并對仿真結果進行驗證。

1 仿真和試驗條件

1.1 仿真條件

為了研究CVD 金剛石涂層刀具涂層的脫落機理，本文將研究重點聚焦于CVD 金剛石涂層材料，建立如圖1 所示的CVD 金剛石涂層仿真模型。仿真模型包含10 μm 厚的CVD 涂層、中間粘接層和20 μm厚的硬質合金基底。仿真模型中采用CPS4R 單元，中間粘接層設置為零厚度，采用斷裂能為77 N/m 的內聚力模型來描述[26]。CVD 金剛石和硬質合金的材料屬性見表1。

圖1 CVD 金剛石涂層模型示意圖 Fig.1 Diagram of the CVD diamond coating model

表1 CVD 金剛石和硬質合金材料參數[27-28] Tab.1 Parameters of CVD diamond and cemented carbide materials[27-28]

1.2 試驗條件

本文利用哈爾濱工業大學自主研制的五軸超精密加工機床和西安品鼎數控工業有限公司生產的平底二刃CVD 金剛石涂層微銑刀對Ti6Al4V 進行加工。實驗過程采用順銑，空氣冷卻，刀具的主軸轉速為30000 r/min，進給速度為15 mm/min，切削深度為15 μm。在切削加工后采用S-4300 型 SEM （Scanning electronic microscope，SEM）觀察刀具的微觀形貌。切削加工所用的刀具和機床如圖2 所示，刀具的相關參數見表2。

臨床中膽結石患者接受腹腔鏡手術切除治療是主要的方式,可是腹腔鏡膽囊切除手術需要使用科學的麻醉方式,短時間確保麻醉的有效性和成功率,最大程度確?；颊叩穆樽硇Ч?。讓手術順利進行。腹腔鏡膽囊切除手術使用的麻醉方式和手術的結果之間關聯性緊密,根據臨床研究顯示,不科學的麻醉方式會讓手術效果不佳,需要再次手術治療,對患者的生命安全產生了很大的威脅,降低了醫療服務質量。所以,此次研究中,腹腔鏡膽囊切除手術需要使用硬膜外麻醉,我們對研究進行了以下報道。

圖2 實驗設備 Fig.2 Experimental equipment: (a) micro-milling tool, (b) five- axis ultra-precision milling machine

表2 CVD 金剛石微銑刀參數 Tab.2 Parameters of CVD diamond micro-milling tool

2 結果及分析

2.1 CVD 金剛石涂層的單裂紋擴展仿真

為了闡明涂層的脫粘性能，在涂層和基底的粘接界面預置水平方向裂紋并開展單向拉伸有限元仿真，仿真模型和結果如圖4 所示。預置水平方向界面裂紋的長度為4 μm，在模型上下兩側施加200 MPa 的豎直方向均布載荷。隨著加載過程的進行，裂紋尖端逐 漸形成應力集中，并逐漸大于粘接界面的斷裂能77 N/m，裂紋發生擴展。同時，由于金剛石與硬質合金材料屬性的差異，應力在不同材料中的傳播速度不同，應力在涂層和基底中呈現非對稱分布。此外，裂紋尖端的應力強度因子小于金剛石的斷裂韌性289.7 MPa·mm1/2和硬質合金的斷裂韌性537.6 MPa·mm1/2，裂紋沿著界面逐步擴展。當粘接界面的水平裂紋與涂層中的豎直方向裂紋相遇并且豎直方向裂紋擴展到涂層上界面時，涂層發生斷裂。

圖3 豎直單裂紋仿真圖 Fig.3 Simulation pictures of a vertical crack: (a) diagram of the simulation model, (b) curve of the stress intensity factor with time, (c) stress contours of crack extension

圖4 水平單裂紋仿真圖 Fig.4 Simulation pictures of a horizontal crack: (a) diagram of the simulation model, (b) curve of the stress intensity factor with time, (c) stress contours of crack extension

為了揭示涂層的斷裂性能，在涂層內部預置豎直方向單裂紋并開展單向拉伸有限元仿真，仿真模型和結果如圖 3 所示。預置豎直方向單裂紋的長度為 4 μm。微銑削鈦合金Ti6Al4V 的仿真結果表明：刀屑接觸界面的最大應力超過200 MPa[29]。因此，在本仿真中，模型兩側施加了200 MPa 的水平方向均布載荷。隨著加載過程的進行，裂尖逐漸形成應力集中，并且應力沿著與水平方向成25°的方向在裂尖兩側擴展。同時，裂尖的應力強度因子逐漸增大并大于金剛石的斷裂韌度289.7 MPa·mm1/2，裂紋發生擴展，如圖3b 所示。由于涂層和基體材料屬性的差異，應力在粘接界面不連續。當裂紋擴展到粘接界面時，裂尖的應力強度因子小于硬質合金的斷裂韌性537.6 MPa·mm1/2，大于金剛石的斷裂韌性289.7 MPa·mm1/2，裂紋在粘接界面形成橫向裂紋并擴展，最終使涂層脫落，如圖3c 所示。

2.2 CVD 金剛石涂層的多裂紋擴展仿真

采用金剛石刀具切削鈦合金Ti6Al4V 時，刀具表現出涂層易脫落、磨損失效快等缺陷。因此，研究CVD 金剛石涂層刀具切削鈦合金Ti6Al4V 的刀具磨損和失效行為，對提高刀具切削性能具有重要的意義。為了研究CVD 金剛石涂層的脫落現象，揭示微裂紋缺陷對CVD 金剛石涂層微刀具損傷失效的影響，本文采用主軸轉速為30 000 r/min、進給速度為15 mm/min、切削深度為15 μm 的工藝參數，進行了CVD 金剛石微徑銑刀切削鈦合金Ti6Al4V 的加工實驗。當切削長度達到125 mm 后，刀具刀尖斷裂面形貌如圖7 所示。在切削加工過程中的熱力耦合作用下，CVD 金剛石涂層刀具發生明顯的涂層脫落，如圖7 中Ⅰ所示。同時，銑削加工是一個斷續切削過程，切削刃頻繁地切入切出工件，使得刀尖受到周期性的沖擊載荷作用，刀尖容易發生破損，如圖7 中Ⅱ所示。此外，鈦合金Ti6Al4V 的組織不均勻性使得工件材料中常常含有硬質相，化學氣相沉積的不可控性使得CVD 金剛石涂層制備過程中常常形成不均勻的晶粒。微銑削加工中，工件材料硬質相對切削刃的沖擊作用，使得CVD 金剛石涂層刀具常常發生晶粒剝落而形成崩刃，如圖7 中Ⅲ所示。

回屋后，大梁收拾了一下，就動身奔黃州去了。說好的次日轉來，可到了夜夕還冇回，我就隱隱有些不安。挨到天明，一大早我就爬起，跑上東坡梁子，張望了許久，還是不見他的人影兒。轉回時，我順道去看二丫。這兩天我一有空兒就來看她，她還是不見好，水米不沾牙，看人眼光也散了神兒。今朝倒還好，二丫好像有點兒精神，還說想吃我蒸的槐花糕。

為探究不同界面裂紋在涂層脫粘過程中的耦合作用機理，在CVD 涂層中預置5 條水平方向的裂紋，裂紋間距為10 μm，建立如圖6a 所示的CVD 金剛石涂層單向拉伸有限元仿真模型，仿真結果如圖6b、c所示。隨著加載的進行，裂尖逐漸形成應力集中，應力沿粘接界面近似對稱分布。由于受力條件相同，內部裂尖Ⅰ和Ⅱ形成的應力場相同，應力強度因子變化曲線也近似重合。在不同裂紋的交互作用下，邊界裂紋Ⅰ受內部裂紋形成的應力場的影響較小，應力強度因子變化曲線較小。隨著加載過程的進行，內部裂紋在擴展過程中逐漸融合形成一條更長的裂紋，裂尖的應力強度因子變得更大。

圖5 豎直多裂紋仿真圖 Fig.5 Simulation pictures of several vertical cracks: (a) diagram of the simulation model, (b) curves of the stress intensity factor with time, (c) stress contours of crack extension

南部地區地下水礦化度能達到1.86～2.54 g/L，屬微咸水；北部地區礦化度能達到7.39 g/L，屬咸水。溶于地下水中化合物分離的CL-、、Na+、Mg2+含量會隨著礦化度的增高而急劇增加，對金屬腐蝕產生嚴重危害。鹽漬土中存在大量的 Na+、K+、Ca2+等陽離子，以及等陰離子。這些水溶性鹽類溶解在地下水中，隨著毛細管上升至地面，形成破壞性鹽性環境。

張開型裂紋的應力強度因子的計算公式如式(1)所示，其中K 為應力強度因子，σ 為裂紋尖端的應力，a 為裂紋長度。由該式可知，裂紋長度a 越大，在較小應力條件下，裂紋尖端的應力強度因子就能達 到材料的斷裂韌性，因此，裂紋更加容易發生擴展，并引起涂層脫落。仿真結果表明，水平裂紋在擴展過程中存在耦合作用，不同裂紋匯合形成的長裂紋會促進裂紋擴展，最終引起涂層脫落。

圖6 水平多裂紋仿真圖 Fig.6 Simulation pictures of several horizontal cracks: (a) diagram of the simulation model, (b) curves of the stress intensity factor with time, (c) stress contours of crack extension

2.3 CVD 金剛石涂層刀具的裂紋損傷實驗研究

為探究涂層內部裂紋在涂層斷裂過程中的交互作用機理，在ABAQUS 中建立預置三條豎直方向裂 紋的單向拉伸有限元模型，裂紋間距為10 μm，仿真模型和仿真結果如圖5 所示。隨著加載過程的進行，裂紋尖端出現應力集中，應力強度因子不斷增大，裂紋開始擴展。同時，在裂紋Ⅰ和裂紋Ⅱ形成應力場的疊加作用下，裂紋Ⅲ形成較小的應力場，其應力強度因子變化曲線趨于平穩，裂紋擴展速度較慢，如圖5b 所示。當裂紋擴展到粘接界面時，裂紋發生轉向，形成水平方向裂紋，如圖5c 中的I 所示。在外界載荷的作用下，水平裂紋沿著粘接界面不斷擴展，涂層內部不同豎直裂紋擴展到粘接界面形成的水平裂紋相遇，最終引起涂層脫落。仿真結果說明，涂層中不同豎直裂紋之間存在競爭作用，兩側邊的裂紋會抑制中間裂紋的擴展。

根據實驗和仿真結果，做出CVD 金剛石涂層的斷裂示意圖，如圖8 所示。在切削加工的熱力耦合作用下，化學氣相沉積形成的位錯、空隙、非金剛石碳等微觀缺陷會引起穿晶微裂紋和沿晶微裂紋的萌生和擴展。在微裂紋擴展過程中，穿晶微裂紋與沿晶微裂紋相遇會引起涂層形成臺階狀的斷裂特征，如圖8a所示。同時，CVD 金剛石涂層的表面晶粒在外載荷作用下也會整體剝落形成沿晶斷裂，如圖8b 所示。最后，涂層內部豎直裂紋擴展到涂層和基底的粘接界面并與水平界面裂紋相遇時，涂層發生脫落，如圖8c 所示。

圖7 微銑削Ti6Al4V 后CVD 金剛石涂層微銑刀SEM 圖 Fig.7 SEM images of CVD diamond coating micro-milling tool after milling Ti6Al4V

在化學氣相沉積過程中，由于沉積條件復雜、影響因素眾多，易在CVD 金剛石涂層中形成位錯、空隙、非金剛石碳、微裂紋等微觀缺陷[30-31]。研究表明：在外界沖擊載荷作用下，這些微觀缺陷處容易萌生微裂紋。Amirhaghi 等[32]對CVD 金剛石的沖蝕磨損行為進行研究，發現CVD 金剛石的裂紋萌生來源于晶界界面處的空隙，并指出涂層中的殘余內應力來源于晶體內部的雜質和缺陷，如非金剛石碳、位錯、層錯和微觀空隙等。Brookes 等[33]對人工合成金剛石的塑性變形和應變引起的斷裂進行研究，發現位錯的交互作用和增殖引起CVD 金剛石在{111}晶面萌生微裂紋。 Mallika 等[34]對CVD 金剛石涂層在硬質合金基底上的粘接性進行研究，指出涂層和基底界面非金剛石碳的形成，使得涂層界面微裂紋萌生而引起涂層脫落。在切削加工的外載荷作用下，CVD 金剛石中會萌生微裂紋，如圖7a 所示。同時，微裂紋在切削加工中的周期性載荷作用下會進一步擴展形成臺階狀的穿晶斷裂特征，如圖7b 所示。此外，在切削加工的沖擊載荷作用下，晶體內局部位錯運動并塞積在晶 界附近，使得晶界附近容易萌生微裂紋，微裂紋在外載荷作用下沿著晶界擴展，最終引起涂層形成凹坑狀的沿晶斷裂特征，如圖7c 所示。因此，CVD 金剛石涂層中微裂紋的萌生和擴展是誘導涂層斷裂和脫粘的主要因素，在微裂紋間的耦合作用下，涂層內部會形成穿晶斷裂和沿晶斷裂的斷裂特征。這進一步說明了仿真的合理性以及結果的可信性。

圖8 CVD 金剛石涂層斷裂示意圖 Fig.8 Diagram of CVD diamond coating fracture

3 結論

1）CVD 金剛石涂層內部豎直裂紋擴展到粘接界面裂紋轉向形成的水平裂紋會引起涂層斷裂。同時，在外界載荷作用下，粘接界面水平裂紋的擴展會引起涂層脫粘。在水平裂紋和豎直裂紋的耦合作用下，涂層會發生脫落。

2）由于裂紋間應力場的疊加作用，涂層中多條豎直裂紋擴展過程中存在競爭作用，兩側邊的裂紋會抑制中間裂紋的擴展。同時，涂層和基底界面的多條水平裂紋在擴展過程中會匯聚成新的長裂紋，長裂紋的出現會加劇涂層脫落。為提高涂層的粘接性，在制備過程中應避免在涂層和基底粘接界面引入微裂紋和空隙等缺陷。

3）CVD 金剛石涂層刀具切削加工Ti6Al4V 后，刀具刀尖的斷口表現出穿晶斷裂、沿晶斷裂和微裂紋的微觀形貌特征。在微裂紋的作用下，涂層形成的穿晶斷裂和沿晶斷裂的特征會引起涂層斷裂，豎直裂紋和水平裂紋的交互作用會引起涂層脫落。

引進概念、定理和規則等，應從實際問題入手,經過討論和練習，待學生初步掌握之后，再應用到實際問題之中.從具體到抽象，又從抽象到具體這樣一往一返的過程，是人們認識事物的規律.也是教學中應當遵循的正確途徑.