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，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個階段，分別是粉末熔化、液態(tài)釬料聚合、粉末吸附熔合、潤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)動過程，深入分析了金剛石在激光釬涂過程中的運(yùn)動行為。

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，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，然后在熔池表面向后方移動，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)動總趨勢是沿液態(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，金剛石在激光釬涂過程中運(yùn)動軌跡。可見，無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)，金剛石不會熔化。在液態(tài)小球聚集長大的過程中，金剛石沿著液球邊緣運(yùn)動，當(dāng)液態(tài)小球匯入大熔球時，金剛石繼續(xù)沿著大熔球的邊緣向表面運(yùn)動，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潤濕對液滴形態(tài)的影響

結(jié)合圖9，其熱力學(xué)平衡方程為

潤濕角θ的大小直接反映了液相對固體表面的潤濕程度，θ越小，潤濕性就越好。當(dāng)θ為0°時，表示完全潤濕，小于時為潤濕狀態(tài)，而大于時為不潤濕狀態(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來表征。半徑為R的兩個顆粒之間頸部生長的動力學(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頸部半徑，其等于α/R;t為時間；σ為表面張力系數(shù)；η表示動態(tài)粘度。

此外，由表面張力梯度引起熔體對流驅(qū)動力

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)表明熔體對流驅(qū)動力作為一種表面力，存在于熔池表面，計算公式分別為

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，這是熔池流動的主要驅(qū)動力。高速攝影中發(fā)現(xiàn)釬料潤濕鋪展過程中，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)動行為。對于激光釬涂液態(tài)釬料熔池，在任意流場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中金剛石顆粒的受力類型

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

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)釬料的瞬時速度矢量。

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

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

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

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

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

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

式中：CM為Magnus力系數(shù)。

同時，液態(tài)釬料復(fù)雜流場中存在速度梯度，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，其在液態(tài)釬料中的布朗運(yùn)動不容忽視，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)釬料熔池中的流場復(fù)雜，為非靜止和非均勻流場。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)所用激光波長為1.075μm，因此在激光釬涂過程中，激光會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、潤濕鋪展和涂層凝固成形5個階段，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，是熔池流動的主要驅(qū)動力。

（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、釬料潤濕鋪展、金剛石遷移至涂層表層、涂層凝固成形6個階段，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）