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一种表面微结构的晶须增韧加工方法

阅读：349发布：2024-01-02

专利汇可以提供一种表面微结构的晶须增韧加工方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种表面微结构的晶须增韧加工方法，其包括：首先，对加工的复合材料进行成型烧结，形成带有晶须的硬质合金材料，以实现增强硬质合金材料的韧性；其次，采用激光加工和冷却方式的结合对硬质合金材料的表面微结构进行加工，并通过控制激光加工的参数使得微结构附近的组织产生晶须或使原有的晶须增长，以保证硬质合金材料表面微结构的性能。本发明一种表面微结构的晶须增韧加工方法既保持了加工材料的性能，又可保证加工材料表面微结构的维氏硬度、断裂韧性和横向断裂强度，从而大大提高加工材料加工后的可靠性和质量。，下面是一种表面微结构的晶须增韧加工方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种表面微结构的晶须增韧加工方法，其特征在于：包括：首先，对加工的复合材料进行成型烧结，形成带有晶须的硬质合金材料，以实现增强硬质合金材料的韧性；其次，采用激光加工和冷却方式的结合对硬质合金材料的表面微结构进行加工，并通过控制激光加工的参数使得微结构附近的组织产生晶须或使原有的晶须增长，以保证硬质合金材料表面微结构的性能；
所述采用激光加工和冷却方式的结合对硬质合金材料的表面微结构进行加工，并通过控制激光加工的参数使得微结构附近的组织产生晶须或使原有的晶须增长，以保证硬质合金材料表面微结构的性能是指，包括以下步骤：
第一步，设置冷却装置，将硬质合金材料放置于冷却装置上；同时调节冷却装置的参数，使得硬质合金材料处于-20℃；
第二步，在硬质合金材料表面喷洒纯净水，使得硬质合金材料表面产生冰层；
第三步，设置激光的单脉冲能量和控制激光的扫描速度，并将激光的焦点定位于冰层以下的硬质合金材料表面，对硬质合金材料表面进行激光加工，以实现硬质合金材料表面微结构附近的组织产生晶须或使原有的晶须增长，以保证硬质合金材料表面微结构的性能；
所述冷却装置由帕尔贴制冷器和冷却水循环部件组成；所述帕尔贴制冷器是由直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端形成冷端，另一端形成热冷的制冷器；所述帕尔贴制冷器的冷端与硬质合金材料的下表面接触，热端与冷却水循环部件接触；
所述冷却水循环部件包括内部注有冷却水的水冷块和带有水泵的储水器；所述储水器与水冷块连通，并通过水泵实现冷却水在储水器与水冷块之间循环；所述水冷块与帕尔贴制冷器的热端接触。
2.根据权利要求1所述的表面微结构的晶须增韧加工方法，其特征在于：所述对加工的复合材料进行成型烧结，形成带有晶须的硬质合金材料，以实现增强硬质合金材料的韧性是指，包括以下步骤：
第一步，对复合材料进行致密化，压力为500MPa，压好的块状胚致密度为75％-80％；
第二步，在1500℃时保温5min，压力为0MPa；
第三步，对复合材料进行高温1800℃烧结，然后随炉冷却至1600℃时进行保温1h，直至冷却至室温，实现晶须的相转变，形成带有晶须的硬质合金材料，以实现增强硬质合金材料的韧性。
3.根据权利要求1所述的表面微结构的晶须增韧加工方法，其特征在于：所述第一步中，调节冷却装置的参数是指：调节帕尔贴制冷器的电流值。
4.根据权利要求1所述的表面微结构的晶须增韧加工方法，其特征在于：所述第二步中，冰层的厚度为0.3mm。
5.根据权利要求1所述的表面微结构的晶须增韧加工方法，其特征在于：所述第三步中，设置激光的单脉冲能量是指：通过控制器设置脉冲激光发生器的单脉冲能量为0.68-
0.75mJ。
6.根据权利要求1所述的表面微结构的晶须增韧加工方法，其特征在于：所述第三步中，控制激光的扫描速度是指：设置用于将脉冲激光发生器发出的激光束进行反射至硬质合金材料表面的振镜，通过控制器控制振镜移动实现激光束的移动扫描，以及通过控制器控制振镜移动设定扫描速度为250-280mm/s。

说明书全文

一种表面微结构的晶须增韧加工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微结构加工技术领域，更具体地说，涉及一种复合材料表面微结构的晶须增韧加工方法。

背景技术

[0002] 激光加工表面微织构是一个热作用过程，材料表面吸收激光能量后发生相变而液化与气化，并在材料表面形成等离子体，靠近材料熔池的等离子体云密度远远大于近激光束的等离子体云密度，但温度较近激光束的等离子体云却更低，因此等离子体云会对熔池有一个回缩力，将熔池内相变熔化后的材料挤出而形成表面微织构。同时，激光加工的高热还会在在微织构两侧形成热影响区导致热应力的产生，热影响区内晶粒的长大，以及部分区域内材料被氧化。因此一般情况下，激光加工表面会出现微裂纹、重铸层、残渣堆积、表面氧化及热影响区高温损伤等现象，使得制备的微织构的精度和强度不易保证。

[0003] 激光加工过程中，针对不同材料进行激光加工表面微织构时需要不同的激光加工工艺。对于硬质合金而言，其WC相具有陶瓷材料本征特性，对激光具有较高的吸收率，且相较于金属材料，其具有更高的熔点和更高的熔化粘滞系数，因此更容易在微结构壁面产生重凝层；而硬质合金中的金属粘结相的熔点较低，高温下容易熔化并从基体流失，使得基体强度降低。另外，相对于金属材料，即使是超细晶硬质合金，其显微结构的均匀度较差，会严重降低材料的热抗震性，令微织构表面易形成裂纹。同时由于加工区域内产生的极高温度，热影响区WC颗粒也会进一步生长，导致该区域的硬度和断裂韧性下降。

[0004] 为了尽可能减少和消除上述激光加工过程中所造成的微裂纹、重铸层、残渣堆积、表面氧化及热影响区等不利因素的影响。在微织构的激光加工技术方面，近年来发展了间隔多次扫描方法等。在这些方法中，间隔多次扫描方法通过激光多次扫描同一轨迹而达到去除材料的目的，该方法优点在于每次扫描时单位长度输入的能量小，对激光输出功率要求低，可降低热载荷，减少热损伤，但是该方法以牺牲效率为代价，且激光每道扫描所产生的熔渣很难及时排除，往往因严重堆积造成微沟槽或微坑堵塞及残余热作用叠加，因此可靠性差。

[0005] 另外，晶须强化增韧被认为是解决材料高温韧性的有效方法，既保持了基体材料的性能，又通过晶须改善了基体的性能，而且与连续纤维强化增韧相比，晶须增韧的工艺更为简单。因此，如何引入晶须对复合材料进行增韧加工是近年来微结构加工技术的重要研究课题之一。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种表面微结构的晶须增韧加工方法，该加工方法既保持了加工材料的性能，又可保证加工材料表面微结构的维氏硬度、断裂韧性和横向断裂强度，从而大大提高加工材料加工后的可靠性和质量。

[0007] 为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种表面微结构的晶须增韧加工方法，其特征在于：包括：首先，对加工的复合材料进行成型烧结，形成带有晶须的硬质合金材料，以实现增强硬质合金材料的韧性；其次，采用激光加工和冷却方式的结合对硬质合金材料的表面微结构进行加工，并通过控制激光加工的参数使得微结构附近的组织产生晶须或使原有的晶须增长，以保证硬质合金材料表面微结构的性能。

[0008] 在上述方案中，本发明对带有晶须的硬质合金材料进行激光加工，既保持了加工材料的性能，又可保证加工材料表面微结构的维氏硬度、断裂韧性和横向断裂强度，从而大大提高加工材料加工后的可靠性和质量。

[0009] 所述对加工的复合材料进行成型烧结，形成带有晶须的硬质合金材料，以实现增强硬质合金材料的韧性是指，包括以下步骤：

[0010] 第一步，对复合材料进行致密化，压力为500MPa，压好的块状胚致密度为75％-80％；

[0011] 第二步，在1500℃时保温5min，压力为0MPa；

[0012] 第三步，对复合材料进行高温1800℃烧结，然后随炉冷却至1600℃时进行保温1h，直至冷却至室温，实现晶须的相转变，形成带有晶须的硬质合金材料，以实现增强硬质合金材料的韧性。

[0013] 所述采用激光加工和冷却方式的结合对硬质合金材料的表面微结构进行加工，并通过控制激光加工的参数使得微结构附近的组织产生晶须或使原有的晶须增长，以保证硬质合金材料表面微结构的性能是指，包括以下步骤：

[0014] 第一步，设置冷却装置，将硬质合金材料放置于冷却装置上；同时调节冷却装置的参数，使得硬质合金材料处于-20℃；

[0015] 第二步，在硬质合金材料表面喷洒纯净水，使得硬质合金材料表面产生冰层；

[0016] 第三步，设置激光的单脉冲能量和控制激光的扫描速度，并将激光的焦点定位于冰层以下的硬质合金材料表面，对硬质合金材料表面进行激光加工，以实现硬质合金材料表面微结构附近的组织产生晶须或使原有的晶须增长，以保证硬质合金材料表面微结构的性能。

[0017] 所述冷却装置由帕尔贴制冷器和冷却水循环部件组成；所述帕尔贴制冷器是由直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端形成冷端，另一端形成热冷的制冷器；所述帕尔贴制冷器的冷端与硬质合金材料的下表面接触，热端与冷却水循环部件接触。该帕尔贴制冷器为现有技术产品。

[0018] 所述冷却水循环部件包括内部注有冷却水的水冷块和带有水泵的储水器；所述储水器与水冷块连通，并通过水泵实现冷却水在储水器与水冷块之间循环；所述水冷块与帕尔贴制冷器的热端接触。

[0019] 本发明采用冷却水循环部件放在帕尔贴制冷器热端下面，可快速有效带走热端的热量，从而保障帕尔贴制冷器冷端的-20℃低温，使得硬质合金材料一直处于-20℃低温的环境进行激光加工。

[0020] 所述第一步中，调节冷却装置的参数是指：调节帕尔贴制冷器的电流值。

[0021] 所述第二步中，冰层的厚度为0.3mm。

[0022] 所述第三步中，设置激光的单脉冲能量是指：通过控制器设置脉冲激光发生器的单脉冲能量为0.68-0.75mJ。

[0023] 所述第三步中，控制激光的扫描速度是指：设置用于将脉冲激光发生器发出的激光束进行反射至硬质合金材料表面的振镜，通过控制器控制振镜移动实现激光束的移动扫描，以及通过控制器控制振镜移动设定扫描速度为250-280mm/s。

[0024] 与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：本发明一种表面微结构的晶须增韧加工方法既保持了加工材料的性能，又可保证加工材料表面微结构的维氏硬度、断裂韧性和横向断裂强度，从而大大提高加工材料加工后的可靠性和质量。附图说明

[0025] 图1是本发明一种表面微结构的晶须增韧加工方法采用的加工系统示意图；其中，1为硬质合金材料、2为帕尔贴制冷器、3为水冷块、4为储水器、5为振镜、6为凸透镜、7为冰层。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

[0027] 实施例

[0028] 本实施例的复合材料采用WC-Ni3Al-Si3N4。

[0029] 如图1所示，本发明一种表面微结构的晶须增韧加工方法包括：首先，对加工的WC-Ni3Al-Si3N4进行成型烧结，形成带有Si3N4晶须的硬质合金材料，以实现增强硬质合金材料的韧性；其次，采用激光加工和冷却方式的结合对硬质合金材料1的表面微结构进行加工，并通过控制激光加工的参数使得微结构附近的组织产生Si3N4晶须或使原有的Si3N4晶须增长，以保证硬质合金材料1表面微结构的性能。

[0030] 其中，对加工的WC-Ni3Al-Si3N4进行成型烧结，形成带有Si3N4晶须的硬质合金材料，以实现增强硬质合金材料的韧性是指，包括以下步骤：

[0031] 第一步，对WC-Ni3Al-Si3N4进行致密化，压力为500MPa，压好的块状胚致密度可达到75％-80％；

[0032] 第二步，在1500℃时保温5min，压力为0MPa；

[0033] 第三步，对WC-Ni3Al-Si3N4进行高温1800℃烧结，然后随炉冷却至1600℃时进行保温1h，直至冷却至室温，实现Si3N4晶须的相转变，形成带有Si3N4晶须的硬质合金材料，以实现增强硬质合金材料的韧性。

[0034] 上述采用激光加工和冷却方式的结合对硬质合金材料1的表面微结构进行加工，并通过控制激光加工的参数使得微结构附近的组织产生Si3N4晶须或使原有的Si3N4晶须增长，以保证硬质合金材料1表面微结构的性能是指，包括以下步骤：

[0035] 第一步，设置冷却装置，将硬质合金材料1放置于冷却装置上；同时调节冷却装置的参数，使得硬质合金材料1处于-20℃；

[0036] 第二步，在硬质合金材料表面喷洒纯净水，使得硬质合金材料表面产生厚度为0.3mm的冰层7；

[0037] 第三步，设置激光的单脉冲能量和控制激光的扫描速度，并将激光的焦点定位于冰层以下的硬质合金材料1表面，对硬质合金材料1表面进行激光加工，以实现硬质合金材料表面微结构附近的组织产生Si3N4晶须或使原有的Si3N4晶须增长，以保证硬质合金材料1表面微结构的性能。

[0038] 其中，冷却装置由帕尔贴制冷器2和冷却水循环部件组成，该帕尔贴制冷器2是由直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端形成冷端，另一端形成热冷的制冷器，其为市面上现有产品，是国内目前以帕尔贴半导体(中国)有限公司生产的以"Peltier"为品牌的帕尔贴热电半导体致冷器件。该帕尔贴制冷器2的冷端与硬质合金材料1的下表面接触，热端与冷却水循环部件接触。而冷却水循环部件包括内部注有冷却水的水冷块3和带有水泵的储水器4，储水器4与水冷块3连通，并通过水泵实现冷却水在储水器4与水冷块3之间循环，水冷块3与帕尔贴制冷器2的热端接触。本发明采用冷却水循环部件放在帕尔贴制冷器2热端下面，可快速有效带走热端的热量，从而保障帕尔贴制冷器冷端的-20℃低温，使得硬质合金材料1一直处于-20℃低温的环境进行激光加工。而上述调节冷却装置的参数是指：调节帕尔贴制冷器2的电流值。

[0039] 本发明方法采用的加工系统是这样的：包括依次连接的控制器、电源和脉冲激光发生器、用于将脉冲激光发生器发出的激光束进行反射至硬质合金材料表面的振镜5和凸透镜6。其中，脉冲激光发生器与电源电连接，其发出的激光束通过振镜5反射得到第一光束，第一光束经过凸透镜6，实现在冰层7以下的硬质合金材料1表面聚焦形成焦点。通过控制器控制振镜5移动实现第一光束在冰层7以下的硬质合金材料1表面移动扫描，以及通过控制器控制振镜5移动设定扫描速度为250-280mm/s。激光加工过程中，通过控制器设置脉冲激光发生器的单脉冲能量为0.68-0.75mJ。

[0040] 通过上述的加工方法既保持了加工材料的性能，又可保证加工材料表面微结构的维氏硬度、断裂韧性和横向断裂强度，从而大大提高加工材料加工后的可靠性和质量。WC-Ni3Al-Si3N4拥有较好的综合力学性能，通过上述方法加工后维氏硬度(HV10)、断裂韧性(KIc)和横向断裂强度(σbb)分别达到了18.01GPa、9.26MPa.m1/2和1423MPa。

[0041] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

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