硬质合金表面毛化织构成形规律分析

摩擦学理论表明，并非两接触面越光滑，其摩擦磨损性能越优越[1]。带有毛化织构形貌的表面是一种特殊的非光滑表面，其尺寸大小及分布方式影响着接触界面的摩擦磨损特性[2]。利用激光表面毛化技术能在两接触面上或一对摩擦副间加工出具备一定功能性的毛化织构形貌，调控接触面间的摩擦润滑特性，从而减小摩擦阻力，降低磨损，延长界面寿命[3-5]。因此，对毛化织构的成形规律和成形质量的研究具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验采用的材料为硬质合金铣刀片，牌号为YG6X。其是一种合成材料，由94%的碳化钨WC 与6%的钴Co 作为黏结剂，经过高温高压冶炼而成，其密度为14.6 ～15.0g/cm3，抗弯强度为1400MPa，硬度可达91HRA，通常应用于对耐磨性有特殊需求的领域。

1.2 试验装置

本试验采用SP-100C-A-S6-A-A 型SPI 光纤激光器，并配备自主设计的控制系统和工作平台，以实现毛化织构形貌的加工。SPI 激光器由英国南安普顿大学光学研究中心研制，特性参数见表1。

表1 SPI 光纤激光器特性参数?

1.3 试验方案

试验加工前，需对硬质合金铣刀片表面进行光整化处 理。 依 次 使 用400#、600#、1000#、1200#、1500# 和2000#的砂纸研磨试样表面，再使用W10 的金相砂纸精磨至表面光洁，之后使用抛光机进行抛光处理，使其表面粗糙度达0.05μm 左右，最后用无水乙醇擦拭表面，吹干后待用。

针对SPI 光纤激光加工系统的特殊性，采用单因素分析法，固定离焦量为0，依次取激光功率为50、60、70、80、90W 和100W，脉 冲 宽 度 为300、500、700、900、1100μs 和1300μs，扫描次数为1、2、3、4、5 和6，辅助气体为空气，垂直吹气，气体压力为0.5MPa。以上每组参数在指定区域加工3 次，测量尺寸参数后取其方均根值作为最终值，采用NanoFocus 共聚焦显微镜观测与表征毛化织构形貌，揭示其成形规律。

2 结果与分析

利用脉冲激光加工毛化织构时，激光与硬质合金之间发生的物质变化主要是激光熔凝。激光束向材料表面注射高能激光，形成局部熔池，熔池内的熔质在温度梯度和表面张力的作用下发生流动，凝固后形成毛化织构。通常，影响毛化织构凸起高度和外径（下文统称“直径”）的激光工艺参数主要有激光功率、脉冲宽度和扫描次数。图1为典型毛化织构形貌图。

图1 典型毛化织构形貌图

2.1 激光功率

从图2 可以看出，毛化织构的凸起高度和直径在不断增加的输出功率的作用下，整体依次增大。固定激光脉宽1100μs 后，激光能量大小取决于输出功率的值。在达到材料表面气化阈值后，激光辐照区发生气化留下孔洞，并伴随有反冲压力的产生，将熔池内融化的溶质挤压推向熔池边缘。随着输出功率递增，单脉冲能量变大，能量密度上升，反冲压力加剧，溶质流动中的剪切力迅速做出反应，导致其凸起高度和直径增大。

图2 激光功率与毛化织构凸起高度、直径的关系

2.2 脉冲宽度

从图3 可以看出，毛化织构的直径随激光脉冲宽度的增加呈现逐步递增的趋势，脉宽达1100μs 之后，开始出现缓慢下降的趋势；其凸起高度随脉宽的增加呈现先增加后减小的趋势，于900μs 时登顶最大值3μm，且在700 ～900μs 内的增速要大于300 ～700μs 内的增速。

2.3 扫描次数

从图4 可以看出，4 次以后凸起高度下降，这是由于激光束在已成形的毛化点上再次冲击时，毛化点内部硬度过高发生裂纹，直接导致熔池溶质的塌陷，因此凸起高度有所下降。对于毛化点直径，5 次扫描之前的变化符合激光微细加工理论，即随着扫描次数增多，作用时间增加，熔池扩大，溶质增加，直径上升，直至等离子体屏蔽效应产生，直径下降。

图3 脉冲宽度与毛化织构凸起高度、直径的关系

图4 扫描次数与毛化织构凸起高度、直径之间的关系

3 结论

本文使用了SPI 光纤激光加工系统制备出毛化织构，探究了激光器的加工参数对织构尺寸变化的影响规律，找到了二者之间的对应关系，揭示了毛化织构成形机理。研究发现，激光功率和脉冲宽度对毛化织构形貌的成形影响显著。激光功率过低，小于50W，几乎不能形成毛化织构，当功率和脉宽加大，能量密度上升，其尺寸相应变大。另外，合理增加扫描次数可以优化毛化织构的成形质量。

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