钎焊金刚石工具失效机理及其抑制策略研究进展

随着《中国制造2025》战略的实施,制造领域对先进工具的加工精度与加工效率要求不断提升。钎焊金刚石工具因金刚石与钎料合金间具有良好的界面结合特性而备受学术与工业界的广泛关注。如何有效增强金刚石与基体间的界面结合强度并同时减少钎焊过程中金刚石的热损伤,是当前钎焊金刚石工具的研究焦点。本文详细阐述了钎焊金刚石的界面结合机理、金刚石热损伤机制以及钎焊金刚石工具失效抑制策略方面的国内外研究进展,并对未来钎焊金刚石工具的研究方向进行了展望,以期为高性能加工工具的设计开发提供参考。

Ni-Cr合金钎料激光钎焊金刚石表面金属化

为了研究激光钎焊金刚石磨粒表面金属化生成物类别与形成机制,采用第一性原理的密度泛函理论对常见碳化物进行了计算,并采用Ni-Cr合金钎料,借助光纤激光热源对金刚石磨粒进行了激光钎焊试验,获得了Cr 3C 2和Cr 7C 3两种碳化物的结构和力学性能参量以及金刚石磨粒表面微结构和碳化物种类。结果表明,Cr 3C 2和Cr 7C 3两者都具有金属性,且后者韧性更强;激光钎焊得到的金刚石磨粒与Ni-Cr合金钎料界面冶金反应层厚度约为4μm,金刚石磨粒表面碳化物主要为Cr 3C 2;超声辅助激光钎焊得到的金刚石磨粒表面碳化物为Cr 3C 2和Cr 7C 3,超声波高频振动可以促进界面反应,进而生成含碳量低的Cr 7C 3。此研究结果对激光钎焊金刚石技术的发展具有指导意义。

Ni-Cr钎料钎焊金刚石界面强化的第一性原理计算与试验研究

采用第一性原理计算方法,系统研究强碳化物形成元素X(X=Mn、Ti、V、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W)掺杂的Ni-Cr钎料钎焊金刚石界面微观作用行为及机理,并通过钎焊金刚石试验对计算结果进行验证。嵌入能、界面分离功及界面能的计算结果表明,强碳化物形成元素X均倾向于在Ni-Cr钎料与金刚石的界面处偏析,并且不同程度地增强Ni-Cr钎料与金刚石的界面结合强度与稳定性,其中,Hf、Ta、Zr、Nb、W的强化效果尤为明显;电子结构分析表明,强碳化物形成元素X的掺杂可促进Ni-Cr钎料中的Cr原子与金刚石中的C原子成键,有效改善Ni-Cr钎料对金刚石的润湿性,同时还削弱Ni元素对金刚石石墨化的催化作用。基于Nb掺杂Ni-Cr钎料的钎焊金刚石试验表明,Nb掺杂使得Ni-Cr钎料对金刚石的爬升效果更为明显,界面冶金反应更为充分,金刚石表面生成Cr3C2和Cr7C3两种碳化物,界面得到有效强化;同时,Nb掺杂还明显削弱Ni元素对金刚石的石墨化催化作用,进而提高钎焊金刚石试件的加工性能,很好地验证理论计算结果。研究工作为基于材料基因组理念的钎焊金刚石钎料设计开发提供理论依据与参考。

光纤激光钎焊金刚石磨粒工艺试验研究

利用新型光纤激光作为热源,在氩气保护下对金刚石磨粒和Ni-Cr合金钎料进行激光钎焊工艺试验。分析了激光功率和焊接速度对焊缝成形的影响,研究了Ni-Cr合金钎料与金刚石磨粒钎焊界面微结构和生成物。结果表明,激光功率和焊接速度对Ni-Cr合金钎料熔化程度和金刚石热损伤具有较大影响。激光功率和焊接速度均较小时,焊缝成形一致性差。激光功率和焊接速度均较大时,焊缝外观成形良好而金刚石磨粒底部熔化不充分易脱落。激光功率为700 W^760 W,焊接速度为0.7~1.5 mm/s,离焦量为+18 mm时,可以获得外观成形良好且结合强度高的钎焊缝。Ni-Cr合金钎料与金刚石磨粒之间存在一薄结合界面,厚度约4μm;金刚石磨粒表面存在片状和条状的物质,XRD分析表明为Cr3C2。