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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(二)

來(lái)源:焊接學(xué)報(bào) 瀏覽 225 次 發(fā)布時(shí)間:2024-09-05

2.試驗(yàn)結(jié)果與分析


2.1激光釬涂釬料粉末熔合鋪展過程


圖3是激光釬涂過程中的超高速攝影照片(4000幅/s),直觀地表征了激光釬涂過程中釬料粉末在激光作用下熔化、鋪展、凝固的過程。從圖3中可看出,在激光釬涂過程中,釬料呈現(xiàn)4種狀態(tài),分別為粉末態(tài)、熔球態(tài)、熔池態(tài)、凝固態(tài)。在激光未掃描的位置,釬料保持原始的粉末狀態(tài),如圖3a所示。被激光束掃到的位置,粉末態(tài)的釬料吸收能量,升溫熔化,形成尺寸較小的液態(tài)熔球,如圖3b所示。隨后,粉末釬料的不斷熔化形成更多液態(tài)小熔球,尺寸較小的熔球互相結(jié)合匯聚成尺寸較大的液態(tài)熔球,如圖3c所示。同時(shí)可觀察到未熔化的釬料粉末在液/固界面張力作用下,逐漸被吸附到尺寸較大的熔球表面,如圖3d所示。隨著激光逐漸向前掃描,熔球不斷長(zhǎng)大,當(dāng)熔球固相表面張力與重力的合力作用大于液/固界面張力后,大尺寸熔球在基體鋪展?jié)櫇?,形成熔池,如圖3e所示。最后,隨著激光熱源的移動(dòng),激光后端的熔池溫度逐漸降低,液態(tài)釬料逐漸凝固,在基體表面形成涂層,如圖3f所示。

圖3激光釬涂過程高速攝影圖


圖4是釬涂粉末的熔合鋪展過程示意圖,結(jié)合以上觀察分析,激光釬涂過程可分為5個(gè)階段,分別是粉末熔化、液態(tài)釬料聚合、粉末吸附熔合、潤(rùn)濕鋪展和涂層凝固成形。首先在激光作用下,釬料粉末吸收激光能量后溫度升高,達(dá)到熔點(diǎn)開始熔化,形成液態(tài)小熔球。隨激光熱源向前推移,處在激光束前端的粉末釬料吸收能量后逐漸熔化形成更多液態(tài)小熔球,之后液態(tài)小熔球匯聚形成尺寸較大的熔球。未熔化的釬料粉末在液/固界面張力的作用下,逐漸由前端被熔球吸附,被吸附未熔化的粉末釬料熱輸入由兩部分組成,分別是液態(tài)熔球的傳熱和吸收的激光能量,從而加快了釬料粉末的熔化速度。隨激光熱源的持續(xù)輸入,更多釬料粉熔化,在基體表面形成熔池,并在基體表面潤(rùn)濕鋪展。隨激光持續(xù)向前推進(jìn),激光后端失去能量輸入,加上吸附未熔化粉末導(dǎo)致的降溫,熔池逐漸凝固,形成涂層。

圖4激光釬涂釬料粉末熔合鋪展示意圖


2.2激光釬涂金剛石/釬料粉末熔合鋪展過程


在激光釬涂過程中,金剛石散布于釬料中,釬涂后金剛石位于釬料表層,如圖5所示,可見經(jīng)過激光熱源作用,金剛石顆粒遷移至釬涂層表面位置,并突出于釬涂層。為了明確金剛石在激光釬涂中的運(yùn)動(dòng)過程,深入分析了金剛石在激光釬涂過程中的運(yùn)動(dòng)行為。

圖5激光釬涂金剛石涂層宏觀形貌


圖6所示為金剛石在液態(tài)球上的運(yùn)動(dòng)軌跡。隨著激光熱作用,釬料首先熔化成小液滴,然后匯聚成小球,由圖6可以看出,金剛石在液態(tài)小球上不穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng),以致可以見到金剛石表面亮度很高的閃光,這是金剛石反射的激光。圖7是激光釬涂過程中,金剛石在釬涂熔池中的運(yùn)動(dòng)路徑。金剛石顆粒首先存在于熔池邊緣底部,隨著釬涂過程的進(jìn)行,金剛石顆粒沿熔體球面逐漸向上部運(yùn)動(dòng),然后在熔池表面向后方移動(dòng),當(dāng)激光熱源遠(yuǎn)離,熔池開始凝固,金剛石顆粒被固結(jié)于涂層近表面位置,保持一定的出刃高度,有利于發(fā)揮耐磨作用。金剛石運(yùn)動(dòng)總趨勢(shì)是沿液態(tài)球表面或熔池邊緣向液/氣界面遷移。



圖8為金剛石置于釬料底部時(shí),金剛石在激光釬涂過程中運(yùn)動(dòng)軌跡??梢?,無(wú)論金剛石是直接鋪置于釬料表面,還是置于釬料底部,在釬涂過程中,金剛石均會(huì)上浮到涂層表層。具體過程為在激光熱源作用下,表層的釬料開始熔化成液態(tài)小球,由于金剛石的高透光性和高熔點(diǎn),金剛石不會(huì)熔化。在液態(tài)小球聚集長(zhǎng)大的過程中,金剛石沿著液球邊緣運(yùn)動(dòng),當(dāng)液態(tài)小球匯入大熔球時(shí),金剛石繼續(xù)沿著大熔球的邊緣向表面運(yùn)動(dòng),最后凝固于釬料涂層表層。

圖8激光釬涂金剛石熔合鋪展示意圖


2.3涂層形成機(jī)理


圖9為液態(tài)釬料的受力分析。

圖9潤(rùn)濕對(duì)液滴形態(tài)的影響


結(jié)合圖9,其熱力學(xué)平衡方程為



潤(rùn)濕角θ的大小直接反映了液相對(duì)固體表面的潤(rùn)濕程度,θ越小,潤(rùn)濕性就越好。當(dāng)θ為0°時(shí),表示完全潤(rùn)濕,小于時(shí)為潤(rùn)濕狀態(tài),而大于時(shí)為不潤(rùn)濕狀態(tài)。由于相同體積下,球形的表面積最小,表面張力驅(qū)使液體聚集到最小表面積狀態(tài),在釬料熔化后便聚合在一起收縮成球狀,從而發(fā)生液態(tài)釬料聚合現(xiàn)象。


液態(tài)釬料聚合成球,相鄰的釬料液球傾向于合并,如圖10所示。合并的程度可以以頸部半徑a來(lái)表征。半徑為R的兩個(gè)顆粒之間頸部生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)公式為

圖10相鄰釬料液球熔合示意圖


是表征合并程度的相對(duì)頸部半徑,其等于α/R;t為時(shí)間;σ為表面張力系數(shù);η表示動(dòng)態(tài)粘度。


此外,由表面張力梯度引起熔體對(duì)流驅(qū)動(dòng)力

式中:


表示溫度梯度引起的表面張力差;


表示濃度梯度引起的表面張力差;


為Heaviside函數(shù)(赫維賽德函數(shù));r為兩個(gè)軌道電子之間的距離;z為柱坐標(biāo)系中液態(tài)釬料的縱軸坐標(biāo)值。


函數(shù)和Heaviside函數(shù)表明熔體對(duì)流驅(qū)動(dòng)力作為一種表面力,存在于熔池表面,計(jì)算公式分別為


研究表明,熔池中心的溫度最高,遠(yuǎn)離熔池中心,溫度則逐漸降低。因此,表面張力最小的位置處于熔池中心,而表面張力最大的位置處于熔池邊緣,熔池中存在表面張力梯度,這是熔池流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力。高速攝影中發(fā)現(xiàn)釬料潤(rùn)濕鋪展過程中,形成液球的釬料不斷向熔池中心翻滾也正是由于熔池的對(duì)流作用。


金剛石顆粒在液態(tài)釬料中發(fā)生趨于表面的運(yùn)動(dòng)行為。對(duì)于激光釬涂液態(tài)釬料熔池,在任意流場(chǎng)中金剛石顆粒受到不同方向的作用力,如圖11所示。

圖11激光釬涂熔池任意流場(chǎng)中金剛石顆粒的受力類型


對(duì)于液態(tài)釬料熔池中存在復(fù)雜流場(chǎng),金剛石顆粒上浮過程中存在重力和浮力的共同作用,計(jì)算公式為

式中:ρm為液態(tài)釬料的密度;ρp為金剛石顆粒的密度;g為金剛石顆粒所受重力加速度矢量。


液態(tài)釬料熔池的復(fù)雜流場(chǎng)中存在壓力梯度,金剛石顆粒在上浮過程中受壓力梯度力,即


式中:Vm為液態(tài)釬料的瞬時(shí)速度矢量。


金剛石顆粒相對(duì)液態(tài)釬料做加速運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)或推動(dòng)顆粒周圍液相做非恒定運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生附加質(zhì)量力,計(jì)算公式為


式中:Cm為附加質(zhì)量力系數(shù);Vp為金剛石顆粒的瞬時(shí)速度矢量。


金剛石顆粒在運(yùn)動(dòng)過程中受黏性液態(tài)釬料阻力,即Stokes力(FD),計(jì)算為式中:CD為曳力系數(shù);dp為金剛石顆粒的直徑。


同時(shí),金剛石顆粒在液態(tài)釬料中的運(yùn)動(dòng)包含直線變速運(yùn)動(dòng),使金剛石顆粒表面受隨時(shí)間變化的流體作用力,即Basset力FB,計(jì)算公式為


式中:CB為Basset系數(shù);μeff為液態(tài)釬料的動(dòng)力黏度;τ為時(shí)間步長(zhǎng)。


液態(tài)釬料的橫向速度使金剛石顆粒兩邊的相對(duì)速度不同,使金剛石顆粒發(fā)生旋轉(zhuǎn),并帶動(dòng)周圍流體流動(dòng),存在Magnus力FM為

式中:CM為Magnus力系數(shù)。


同時(shí),液態(tài)釬料復(fù)雜流場(chǎng)中存在速度梯度,使金剛石顆粒表面各點(diǎn)壓力不同,產(chǎn)生的Saffman力FS為式中:CS為Saffman力修正系數(shù);KS為Saffman力系數(shù);ξ為垂直坐標(biāo)方向上的液態(tài)釬料速度在此方向上的梯度。


金剛石顆粒為微米級(jí),其在液態(tài)釬料中的布朗運(yùn)動(dòng)不容忽視,存在Brown力(FR),式中:kB為波爾茲曼常數(shù);T為液態(tài)釬料的熱力學(xué)溫度;δ是服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)變量的矢量形式。


金剛石在激光釬涂過程中,液態(tài)釬料熔池中的流場(chǎng)復(fù)雜,為非靜止和非均勻流場(chǎng)。金剛石顆粒在以上作用力的綜合作用下,總傾向于沿熔體表面邊緣上浮。


2.4激光對(duì)金剛石釬涂層的熱作用機(jī)理


金剛石是由碳原子構(gòu)成的復(fù)式晶格結(jié)構(gòu),如圖12所示。金剛石這種特殊結(jié)構(gòu)決定其具有獨(dú)特的光學(xué)性能。金剛石透光范圍寬,具備紫外~可見~遠(yuǎn)紅外波段的穿透性,從紫外(0.22μm)到遠(yuǎn)紅外(40——1000μm),除4μm——6μm位置上存在微小本征吸收峰(吸收系數(shù)為12.3 cm?1)之外,不存在其他吸收峰。

圖12金剛石結(jié)構(gòu)


試驗(yàn)所用激光波長(zhǎng)為1.075μm,因此在激光釬涂過程中,激光會(huì)透射金剛石而直接加熱釬料,釬料吸收激光能量而迅速升溫、熔化,形成熔池。熔池?zé)崃肯蚪饎偸瘋鲗?dǎo),潤(rùn)濕金剛石,并誘導(dǎo)與熔池接觸的金剛石表面部分石墨化,與熔池中的Cr等元素發(fā)生反應(yīng),形成鉻的碳化物,增強(qiáng)了金剛石與釬料之間的冶金結(jié)合強(qiáng)度。釬料直接受熱升溫,金剛石被釬料熱傳導(dǎo)后吸熱升溫。金剛石透射激光的高效低損傷熱作用特性會(huì)有效避免金剛石在釬涂過程中的過熱損傷,這是激光釬涂金剛石涂層的最大潛在優(yōu)勢(shì)之所在,金剛石透射激光的熱作用如圖13所示。

圖13金剛石透射激光的熱作用示意圖


此外,由于金剛石介電常數(shù)小,因而光學(xué)折射率小。根據(jù)文獻(xiàn)可知,金剛石的激光折射率為2.4168.此外,金剛石還易發(fā)生光的反射現(xiàn)象。圖14為激光釬涂過程中,發(fā)生的金剛石對(duì)激光的反射現(xiàn)象(根據(jù)金剛石的形狀特征判斷,折射閃光的概率極?。?。因此,激光經(jīng)金剛石后反射或折射,可能進(jìn)入釬料層起到加熱釬料涂層的作用,也可能進(jìn)入空氣中從而造成激光能量的損耗。

圖14釬涂中金剛石對(duì)激光的折射和反射現(xiàn)象


3.結(jié)論


(1)釬料粉末的熔合鋪展過程可分為粉末熔化、液態(tài)釬料聚合、粉末吸附熔合、潤(rùn)濕鋪展和涂層凝固成形5個(gè)階段,表面張力最小的位置處于熔池中心,而表面張力最大的位置處于熔池邊緣,熔池中存在表面張力梯度,是熔池流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力。


(2)金剛石釬涂層的成形歷經(jīng)粉末釬料熔化、液態(tài)釬料聚合、釬料微粉吸附熔合、釬料潤(rùn)濕鋪展、金剛石遷移至涂層表層、涂層凝固成形6個(gè)階段,金剛石釬涂過程中,金剛石趨向于沿著熔體表面邊緣上浮,這主要是由于金剛石與液態(tài)釬料之間的界面張力遠(yuǎn)大于與固態(tài)基體界面張力所致。


(3)釬涂過程中,金剛石透射激光的高效低損傷熱作用會(huì)有效避免金剛石在釬涂過程中的過熱損傷。


激光釬涂金剛石的涂層形成與表面張力有何關(guān)系(一)

激光釬涂金剛石的涂層形成與表面張力有何關(guān)系(一)