金剛石微粉與金屬粉末激光燒結(jié)工藝研究

楊衛(wèi)紅

摘要：采用高功率CO2激光燒結(jié)金剛石微粉與金屬粉末壓坯，研究了激光參數(shù)對金剛石微粉與金屬粉末結(jié)合性能的影響，分析了燒結(jié)體的燒結(jié)性能及耐磨性，結(jié)果表明：光斑直徑為8.5mm時(shí)，在激光功率550W、掃描速度1100mm/min燒結(jié)條件下可獲得金剛石顆粒、金屬粉末二者具有最佳結(jié)合性能的燒結(jié)體。

關(guān)鍵詞：激光燒結(jié)；金剛石微粉壓坯；工藝參數(shù)；工藝與機(jī)理

1. 激光燒結(jié)參數(shù)

1.1激光功率

在功率低于550W時(shí)，由于掃描速度相對較快而激光功率較低，粉末壓坯中低熔點(diǎn)金屬元素被加熱溫度較低，來不及達(dá)到熔點(diǎn)溫度，各種金屬元素還處于原始接觸階段，因此抗拉強(qiáng)度較低。隨著激光功率P的增大，單位時(shí)間內(nèi)粉末被加熱的溫度更高，低熔點(diǎn)金屬元素部分微熔，將其周圍的金屬粉末包裹在一起，使得燒結(jié)件的抗拉強(qiáng)度得到了提高。在激光功率達(dá)到550W時(shí)，得到較好的燒結(jié)效果，燒結(jié)件具有最大的抗拉強(qiáng)度。而當(dāng)激光功率P超過550W時(shí)，燒結(jié)件表面部分呈綠色，為錫青銅的氧化產(chǎn)物，說明由于功率過高，出現(xiàn)了燒損現(xiàn)象[1-3]。

1.2 光束掃描速度

同樣，保持激光功率P=550W，光束掃描速度v按照880 mm/min、1100 mm/min、1320 mm/min、1540 mm/min、1760 mm/min變化，來考察掃描速度v對燒結(jié)件抗拉強(qiáng)度的影響。

光束掃描速度v超過1100mm/min時(shí)，燒結(jié)件的抗拉強(qiáng)度將隨掃描速度v的增大而降低；而當(dāng)掃描速度v小于1100 mm/min時(shí)，燒結(jié)件的抗拉強(qiáng)度又急劇降低。

掃描速度小于1100 mm/min時(shí)，由于激光功率相對較高，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)粉末材料吸收的激光能量較高、粉末溫度升高過快，從而使得低熔點(diǎn)金屬元素部分燒損，部分表面呈綠色。掃描速度為1100 mm/min時(shí)，得到較好的燒結(jié)效果，燒結(jié)件具有最大的抗拉強(qiáng)度。而當(dāng)掃描速度高于1100 mm/min時(shí)，低熔點(diǎn)金屬元素在單位時(shí)間內(nèi)又得不到充分加熱，不能充分熔化以結(jié)合四周的金屬粉末顆粒，燒結(jié)件抗拉強(qiáng)度降低。

2.燒結(jié)體性能分析

由第二節(jié)分析可知，金剛石微粉壓坯在P=550W，v=1100mm/min的激光工藝參數(shù)下，具有最優(yōu)的抗拉強(qiáng)度和致密度。為此，選擇該工藝參數(shù)下的燒結(jié)體進(jìn)行微觀組織分析。

在上圖中，燒結(jié)體橫斷面基本上已看不到以原始狀態(tài)存在的金屬粉末，高熔點(diǎn)金屬粉末被完全包覆在低熔點(diǎn)金屬粉末內(nèi)，燒結(jié)效果良好。當(dāng)然，由于燒結(jié)所固有的特點(diǎn)，燒結(jié)體無法達(dá)到純金屬的致密度，不可避免地存在較多孔隙。另外還在橫斷面上發(fā)現(xiàn)了較多坑洼——“韌窩”[4-5]，表明了燒結(jié)件的斷裂為塑性層狀撕裂，燒結(jié)體具有良好的抗拉性能。

低熔點(diǎn)Cu-Sn液相流動方向也清晰可辨；未熔化高熔點(diǎn)金屬粉末顆粒分布較均勻，粉末顆粒間的孔隙基本已全部被填滿，顆粒間通過凝固的低熔點(diǎn)Cu-Sn粘結(jié)在一起，致密性較好。在顆粒間小孔隙消失的同時(shí)，在周邊出現(xiàn)了較大的孔洞。

這是因?yàn)椋旱腿埸c(diǎn)Cu-Sn合金元素熔化后，形成液相，在激光繼續(xù)作用下，液相流動性和滲透能力大大加強(qiáng)，液相金屬很容易填充入高熔點(diǎn)顆粒間的孔隙；同時(shí)，液相原子自身的擴(kuò)散速度和高熔點(diǎn)固相顆粒在液相中的擴(kuò)散都加快，傳質(zhì)也加快，通過顆粒邊界溶解圓潤化和固溶沉淀等作用進(jìn)一步優(yōu)化顆粒的形狀和重排位置[6-8]。此外，由于壓坯局部區(qū)域成分非均勻性和液相的凝固收縮，使某些區(qū)域液相金屬流失，形成孔洞。

3.結(jié)論

1、采用不同粉末配方、不同激光工藝參數(shù)對金剛石微粉壓坯進(jìn)行燒結(jié)試驗(yàn)研究表明：光斑直徑為8.5mm時(shí)，在激光功率550W、掃描速度1100mm/min燒結(jié)條件下，微粉工具具有最佳的燒結(jié)性能。

2、借助掃描電鏡（SEM）對燒結(jié)件進(jìn)行了微觀分析知：高熔點(diǎn)金屬顆粒通過凝固的低熔點(diǎn)Cu-Sn粘結(jié)在一起，粉末顆粒間的孔隙基本已全部被填滿，燒結(jié)體具有良好的致密性和抗拉性能。從而提高燒結(jié)體耐磨性能。

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