金剛石微粉與金屬粉末激光燒結工藝研究

楊衛紅

摘要：采用高功率CO2激光燒結金剛石微粉與金屬粉末壓坯，研究了激光參數對金剛石微粉與金屬粉末結合性能的影響，分析了燒結體的燒結性能及耐磨性，結果表明：光斑直徑為8.5mm時，在激光功率550W、掃描速度1100mm/min燒結條件下可獲得金剛石顆粒、金屬粉末二者具有最佳結合性能的燒結體。

關鍵詞：激光燒結；金剛石微粉壓坯；工藝參數；工藝與機理

1. 激光燒結參數

1.1激光功率

在功率低于550W時，由于掃描速度相對較快而激光功率較低，粉末壓坯中低熔點金屬元素被加熱溫度較低，來不及達到熔點溫度，各種金屬元素還處于原始接觸階段，因此抗拉強度較低。隨著激光功率P的增大，單位時間內粉末被加熱的溫度更高，低熔點金屬元素部分微熔，將其周圍的金屬粉末包裹在一起，使得燒結件的抗拉強度得到了提高。在激光功率達到550W時，得到較好的燒結效果，燒結件具有最大的抗拉強度。而當激光功率P超過550W時，燒結件表面部分呈綠色，為錫青銅的氧化產物，說明由于功率過高，出現了燒損現象[1-3]。

1.2 光束掃描速度

同樣，保持激光功率P=550W，光束掃描速度v按照880 mm/min、1100 mm/min、1320 mm/min、1540 mm/min、1760 mm/min變化，來考察掃描速度v對燒結件抗拉強度的影響。

光束掃描速度v超過1100mm/min時，燒結件的抗拉強度將隨掃描速度v的增大而降低；而當掃描速度v小于1100 mm/min時，燒結件的抗拉強度又急劇降低。

掃描速度小于1100 mm/min時，由于激光功率相對較高，導致單位時間內粉末材料吸收的激光能量較高、粉末溫度升高過快，從而使得低熔點金屬元素部分燒損，部分表面呈綠色。掃描速度為1100 mm/min時，得到較好的燒結效果，燒結件具有最大的抗拉強度。而當掃描速度高于1100 mm/min時，低熔點金屬元素在單位時間內又得不到充分加熱，不能充分熔化以結合四周的金屬粉末顆粒，燒結件抗拉強度降低。

2.燒結體性能分析

由第二節分析可知，金剛石微粉壓坯在P=550W，v=1100mm/min的激光工藝參數下，具有最優的抗拉強度和致密度。為此，選擇該工藝參數下的燒結體進行微觀組織分析。

在上圖中，燒結體橫斷面基本上已看不到以原始狀態存在的金屬粉末，高熔點金屬粉末被完全包覆在低熔點金屬粉末內，燒結效果良好。當然，由于燒結所固有的特點，燒結體無法達到純金屬的致密度，不可避免地存在較多孔隙。另外還在橫斷面上發現了較多坑洼——“韌窩”[4-5]，表明了燒結件的斷裂為塑性層狀撕裂，燒結體具有良好的抗拉性能。

低熔點Cu-Sn液相流動方向也清晰可辨；未熔化高熔點金屬粉末顆粒分布較均勻，粉末顆粒間的孔隙基本已全部被填滿，顆粒間通過凝固的低熔點Cu-Sn粘結在一起，致密性較好。在顆粒間小孔隙消失的同時，在周邊出現了較大的孔洞。

這是因為：低熔點Cu-Sn合金元素熔化后，形成液相，在激光繼續作用下，液相流動性和滲透能力大大加強，液相金屬很容易填充入高熔點顆粒間的孔隙；同時，液相原子自身的擴散速度和高熔點固相顆粒在液相中的擴散都加快，傳質也加快，通過顆粒邊界溶解圓潤化和固溶沉淀等作用進一步優化顆粒的形狀和重排位置[6-8]。此外，由于壓坯局部區域成分非均勻性和液相的凝固收縮，使某些區域液相金屬流失，形成孔洞。

3.結論

1、采用不同粉末配方、不同激光工藝參數對金剛石微粉壓坯進行燒結試驗研究表明：光斑直徑為8.5mm時，在激光功率550W、掃描速度1100mm/min燒結條件下，微粉工具具有最佳的燒結性能。

2、借助掃描電鏡（SEM）對燒結件進行了微觀分析知：高熔點金屬顆粒通過凝固的低熔點Cu-Sn粘結在一起，粉末顆粒間的孔隙基本已全部被填滿，燒結體具有良好的致密性和抗拉性能。從而提高燒結體耐磨性能。

參考文獻

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