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(guò)程

圖3是激光釬涂過(guò)程中的超高速攝影照片（4000幅/s），直觀地表征了激光釬涂過(guò)程中釬料粉末在激光作用下熔化、鋪展、凝固的過(guò)程。從圖3中可看出，在激光釬涂過(guò)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)櫇瘢纬扇鄢兀鐖D3e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(guò)程高速攝影圖

圖4是釬涂粉末的熔合鋪展過(guò)程示意圖，結(jié)合以上觀察分析，激光釬涂過(guò)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(kāi)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(guò)程

在激光釬涂過(guò)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(jiàn)經(jīng)過(guò)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(guò)程，深入分析了金剛石在激光釬涂過(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)程中運(yùn)動(dòng)軌跡。可見(jiàn)，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(guò)程中，金剛石均會(huì)上浮到涂層表層。具體過(guò)程為在激光熱源作用下，表層的釬料開(kāi)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(guò)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(guò)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(lèi)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(guò)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(guò)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?chē)合嘧龇呛愣ㄟ\(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(guò)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?chē)黧w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(guò)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(jiàn)~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(guò)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(guò)程中的過(guò)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(guò)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，折射閃光的概率極小）。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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中的過(guò)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）