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激光釬涂金剛石的涂層形成與表面張力有何關(guān)系（一）
來源：焊接學(xué)報 瀏覽 835 次 發(fā)布時間:2024-09-05
激光釬焊技術(shù)具有光斑直徑小，能量密度高，便于局部加熱且熱影響區(qū)小的特點，近年來在金剛石工具焊接領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。現(xiàn)有研究表明，采用激光熱源可以實現(xiàn)金剛石的釬焊，且大多聚焦于金剛石界面組織與力學(xué)性能的研究。細(xì)粒度金剛石/45鋼基體的激光釬焊工藝試驗的結(jié)果表明，工藝參數(shù)是獲得可靠焊接的關(guān)鍵。李時春等人研究了激光釬焊多層金剛石磨粒Ni/Cr合金成形工藝，結(jié)果獲得了優(yōu)化的工藝參數(shù)。Daniel等人使用鎳基釬料激光釬焊金剛石，結(jié)果表明，在連接界面處未發(fā)現(xiàn)碳化物，并為了提高結(jié)合強(qiáng)度，圍繞外加輔助場焊接開展大量研究，用于提高激光釬焊強(qiáng)度。李晉禹等人采用Ni/Cr合金對金剛石開展激光釬焊試驗，結(jié)果表明，經(jīng)過超聲輔助激光釬焊，金剛石表層生成Cr3C2和Cr7C3，即超聲波高頻振動對界面反應(yīng)有明顯促進(jìn)作用，進(jìn)而生成含碳量低的Cr7C3.采用金剛石激光/超聲耦合釬焊，通過將超聲效應(yīng)引入釬焊，在液態(tài)熔池中產(chǎn)生空化和聲流等效應(yīng)，縮短了界面反應(yīng)時間。產(chǎn)生了Cr7C3，也就證明了超聲波對釬料界面反應(yīng)有明顯的激發(fā)作用。激光釬涂金剛石是近年來逐漸興起的耐磨新技術(shù)，與傳統(tǒng)的激光釬焊金剛石相比，金剛石釬涂層由多層金剛石組成，這與早期的單層金剛石工具有很大的不同。
前期開展了激光釬涂金剛石技術(shù)研究，分析了激光功率和掃描速率對涂層微觀組織與力學(xué)性能的影響。從現(xiàn)有研究來看，已有的激光釬涂金剛石研究大多數(shù)集中于金剛石/釬料合金界面的組織演變和單層金剛石工具的機(jī)械加工性能方面，在釬涂層的成形過程方面尚未進(jìn)行深入的研究工作。前期研究發(fā)現(xiàn)，在激光釬涂金剛石過程中，金剛石易于向表面聚集，這對涂層的整體性能提升將會產(chǎn)生極大的影響，因此需要針對涂層的成形行為及其機(jī)理方面進(jìn)行深入的研究，進(jìn)一步提升涂層的耐磨性能。文中采用BNi-2合金作為釬料，利用光纖激光在65Mn鋼基體上制備金剛石涂層，并利用高速攝影技術(shù)觀察金剛石激光釬涂過程中，鎳基粉末形成涂層和金剛石遷移全過程，分析釬涂層的成形行為及其機(jī)理，并討論激光釬涂金剛石的能量轉(zhuǎn)換與傳遞路徑，以期為激光釬涂金剛石的工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。
1.試驗方法
金剛石磨粒的抗壓和耐磨性能與其自身品級有關(guān)，精選河南黃河旋風(fēng)股份有限公司晶形完整、強(qiáng)韌度好、無缺陷的高品級HSD90型人造金剛石，圖1為金剛石和BNi-2釬料粉的形貌，其中金剛石的原始形貌如圖1a所示，所用粒度為35目——40目。釬涂試驗前，利用角磨機(jī)或噴砂機(jī)清理基材表面，然后利用丙酮進(jìn)行超聲波清洗30 min，以避免試驗過程雜質(zhì)干擾，保證金剛石磨粒的透光性。釬涂試驗基材為65Mn鋼，激光釬涂試樣尺寸為200 mm×100 mm×10 mm.釬料合金既要潤濕金剛石和鋼基材，形成冶金結(jié)合，又要兼顧耐磨性，與涂層硬質(zhì)顆粒耐磨性能匹配。選用釬料合金為200目NiCrSiB（Ni82Cr7Si4.5B3.1Fe3，后文簡稱BNi-2）釬料，形貌如圖1b所示。BNi-2釬料具有耐磨性好、成本低等優(yōu)點，合金中Cr元素可大幅提高釬料/金剛石界面結(jié)合強(qiáng)度，B元素和Si元素的添加降低了釬料熔點，有助于減少金剛石熱損傷。
圖1金剛石和BNi-2釬料粉形貌
激光釬涂是利用激光作為熱源使釬料層熔化，進(jìn)而潤濕并連接金剛石與基材的工藝，其原理如圖2所示。與傳統(tǒng)真空釬涂工藝相比，激光釬涂工藝可顯著降低涂層能量輸入，大大縮短熱循環(huán)周期，具有非常好的結(jié)構(gòu)和工藝適應(yīng)性。文中激光釬涂試驗系統(tǒng)包括功率為6 kW的LYS-6000-ST2型光纖激光設(shè)備和AcutEye型庫卡軌道機(jī)器人。分別對釬料涂層和釬料/金剛石涂層進(jìn)行激光釬涂試驗。金剛石釬涂試驗時，首先將BNi-2釬料鋪在65Mn基板上，粉末厚度為0.5 mm，然后在BNi-2釬料層上沉積金剛石顆粒，隨后在金剛石表面再預(yù)置一層0.5mm的粉末釬料。首先，預(yù)置1 mm厚度的釬料合金粉末層，然后進(jìn)行釬涂試驗，工藝參數(shù)如表1所示。試驗過程中，利用激光釬涂系統(tǒng)配備的高速攝像機(jī)觀察釬料層的熔化過程。使用Zeiss Smartzoom5型超景深顯微鏡對涂層形貌進(jìn)行三維觀察和尺寸測量。通過Image-pro plus 6.0軟件對涂層超景深圖片色域進(jìn)行調(diào)整，直至色域所覆蓋的區(qū)域為孔隙所占區(qū)域，測量方式選擇Per area（單位面積）。
圖2激光釬涂示意圖
表1激光釬涂工藝參數(shù)
