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激光釬涂金剛石的涂層形成與表面張力有何關系(一)

來源:焊接學報 瀏覽 120 次 發布時間:2024-09-05

激光釬焊技術具有光斑直徑小,能量密度高,便于局部加熱且熱影響區小的特點,近年來在金剛石工具焊接領域得到大量應用。現有研究表明,采用激光熱源可以實現金剛石的釬焊,且大多聚焦于金剛石界面組織與力學性能的研究。細粒度金剛石/45鋼基體的激光釬焊工藝試驗的結果表明,工藝參數是獲得可靠焊接的關鍵。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,結果獲得了優化的工藝參數。Daniel等人使用鎳基釬料激光釬焊金剛石,結果表明,在連接界面處未發現碳化物,并為了提高結合強度,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,結果表明,經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有明顯促進作用,進而生成含碳量低的Cr7C3.采用金剛石激光/超聲耦合釬焊,通過將超聲效應引入釬焊,在液態熔池中產生空化和聲流等效應,縮短了界面反應時間。產生了Cr7C3,也就證明了超聲波對釬料界面反應有明顯的激發作用。激光釬涂金剛石是近年來逐漸興起的耐磨新技術,與傳統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研究,分析了激光功率和掃描速率對涂層微觀組織與力學性能的影響。從現有研究來看,已有的激光釬涂金剛石研究大多數集中于金剛石/釬料合金界面的組織演變和單層金剛石工具的機械加工性能方面,在釬涂層的成形過程方面尚未進行深入的研究工作。前期研究發現,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生極大的影響,因此需要針對涂層的成形行為及其機理方面進行深入的研究,進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理,并討論激光釬涂金剛石的能量轉換與傳遞路徑,以期為激光釬涂金剛石的工程應用提供數據支撐。


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,精選河南黃河旋風股份有限公司晶形完整、強韌度好、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,利用角磨機或噴砂機清理基材表面,然后利用丙酮進行超聲波清洗30 min,以避免試驗過程雜質干擾,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,形成冶金結合,又要兼顧耐磨性,與涂層硬質顆粒耐磨性能匹配。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、成本低等優點,合金中Cr元素可大幅提高釬料/金剛石界面結合強度,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,大大縮短熱循環周期,具有非常好的結構和工藝適應性。文中激光釬涂試驗系統包括功率為6 kW的LYS-6000-ST2型光纖激光設備和AcutEye型庫卡軌道機器人。分別對釬料涂層和釬料/金剛石涂層進行激光釬涂試驗。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置一層0.5mm的粉末釬料。首先,預置1 mm厚度的釬料合金粉末層,然后進行釬涂試驗,工藝參數如表1所示。試驗過程中,利用激光釬涂系統配備的高速攝像機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行調整,直至色域所覆蓋的區域為孔隙所占區域,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



激光釬涂金剛石的涂層形成與表面張力有何關系(一)

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