[发明专利]一种热致相变膜调控刀具涂层应力的评估方法

说明书

一种热致相变膜调控刀具涂层应力的评估方法，其特征在于，包括如下步骤：对M相VO₂晶胞晶面及金刚石晶面超胞；构建热致相变层过渡层涂层体系；热致相变过渡层涂层体系应力评估；本发明的应力评估方法根据应力特征设计含热致相变层的刀具涂层体系，能够设计显著改善涂层应力的热致相变过渡层，提高刀具涂层的膜基结合性能，克服了传统有限元分析无法模拟相变过程的缺点，具有可操作性好、计算效率高、计算成本低等优点，为设计含中间过渡层的刀具涂层提供了技术指导。

技术领域

本发明涉及刀具涂层应力调控技术，尤其是一种刀具涂层应力的评估技术，具体地说是一种热致相变膜调控刀具涂层应力的评估方法，通过热致相变层涂层体系的应力仿真来计算热致相变层涂层体系的应力。

背景技术

涂层刀具在汽车、航空、航天等领域应用广泛的复合材料、硬脆材料等难加工材料的加工中有着出色的表现，但刀具涂层在制备和实际加工过程中存在的应力会削弱刀具基体与涂层之间的膜基结合强度，从而造成涂层开裂甚至脱落，降低涂层刀具使用寿命。

使用热致相变层作为中间过渡层除了可以阻止刀具基体中Co元素的扩散和缓和刀具基体与涂层之间巨大的性能差异、减小应力集中之外，还可以在刀具实际切削过程中因温度等外界条件的改变发生相变，通过相变带来的结构突变使得涂层内部原子重新排列，进而调控涂层应力。目前，对于刀具涂层应力的评估方法主要是采用有限元分析法，通过使用有限元分析软件如ANSYS，根据涂层制备流程建立模型并仿真，之后再使用曲率法、X射线衍射法、拉曼光谱法等测定试样应力来验证，但由于热致相变层在达到相变温度后，本身结构会发生变化，而有限元分析软件无法模拟相变过程，也就无法进行应力仿真，进而无法对应力测试试验起到相应的指导作用。

发明内容

本发明的目的是针对现有的刀具涂层应力缺少相应的评估方法而影响刀具质量提高的问题，提供一种热致相变膜调控刀具涂层应力的评估方法，计算出热致相变过渡层涂层体系的内应力。

本发明的技术方案是：

一种热致相变膜调控刀具涂层应力的评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据原子位置建立M相VO₂晶胞以及从Materials Studio软件库中调用金刚石晶胞；对M相VO₂晶胞晶面及金刚石晶面超胞；构建热致相变层过渡层体系；进行热致相变过渡层涂层体系应力研究。

所述“对M相VO₂晶胞晶面及金刚石晶面超胞”的方法是确定超胞过程的相关参数，通过如下步骤确定：

构建M相VO₂晶胞以及金刚石晶胞，并进行几何优化，M相VO₂晶胞优化的晶胞参数为晶胞长度a、b、c、β以及体积V，优化结果与实验测得数值误差绝对值在2％左右；金刚石晶胞优化的晶胞参数为晶胞长度a、b、c以及体积V，优化结果与实验测得数值误差绝对值小于1％。

对M相VO₂晶胞进行底面矩形的晶胞转换，对金刚石(111)晶面进行矩形晶面转换，为了保证热致相变层过渡层涂层体系建立时两种晶胞的晶面晶格失配度较小，故采用转置矩阵将M相VO₂晶胞转换为长方体晶胞；对金刚石菱形的(111)晶面使用转置矩阵转换为矩形晶面。

确定热致相变层过渡层涂层体系中M相VO₂的晶面、原子层厚度以及金刚石(111)面的原子层数，使用表面能作为衡量依据，表面能越低，该表面就越稳定，就越有可能露在表面，进而构建体系，表面能计算公式为：