硬质合金激光表面强化工艺与表面完整性研究
激光微纳加工已成为国内外研究的重要研究方向，激光冲击强化技术是利用短脉冲激光束与材料相互作用，通过诱导的冲击波压力，对金属材料进行表面改性的技术。该技术同时具备冲击变形效应和冲击强化效应，可实现对材料的表层几何、物理性能以及内部组织结构的控制。在改善刀具性能方面，具有极大的潜在应用价值。因此，本文将硬质合金刀具作为研究对象，从激光对硬金作质合用机理出发，研究激光强化加工工艺对刀具材料表面结构和性能的影响，并从微观层面分析其影响，研究内容主要包括以下几个方面： 首先，基于激光表面改性技术的作用机理，搭建激光冲击强化实验平台。使用扫描电镜、能谱检测仪器及白光干涉仪等分析不同激光工艺参数对硬质合金材料表面微观形貌及元素变化影响。在强化阈内激光功率提升可导致硬质合金表面晶粒发生细化，表面位错堆叠，这是影响其表面残余应力和显微硬度的主要原因。其中扫描速度影响着硬质合金表面Co元素质量分数，多次对硬质合金表面冲击会发生表面重熔现象而改变其表面粗糙度。在材料表面覆盖黑色吸收保护层和水约束层，可以有效提高冲击波峰压和保护表面元素。为激光工艺参数对硬质合金的表面强化作用研究提供了理论支撑。 其次，根据激光冲击强化原理与材料弹性极限变形等关系式，建立激光冲击波叠加与材料塑性不均匀变形数学模型，基于Comsol仿真软件实现激光冲击强化仿真过程。通过对残余应力场的仿真结果发现，激光功率是对硬质合金表面残余应力影响的最大因素；从显微硬度的定义角度出发进行分析，显微硬度的变化趋势是屈服应力的3倍左右，由激光冲击强化后的屈服应力场可知，激光冲击次数对其显微硬度变化影响最为明显。 最后，基于仿真数据结果进行激光工艺参数强化正交实验，使用XRD和维氏显微硬度计对其残余应力和显微硬度进行测量。激光功率对激光强化后硬质合金表面粗糙度影响最显著，激光冲击强化后表面粗糙度值最小为Ra=0.0048μm，最大值为Ra=0.0707μm；激光对硬质合金表层诱导产生的残余压应力最大可达-958.98Mpa，Co作为硬质合金材料的粘接剂蒸发后表面出现黑色孔隙，剩余的WC相在激光冲击波的作用下发生位移碰撞，导致了残余压应力的产生；硬质合金表面在强化后的显微硬度比未强化前提高了48%，WC相晶粒在冲击强化后发生细化，并且Co元素气化流失，WC硬质相较Co粘结相硬度高，因此表面显微硬度会增加；基于试验和检测结果建立逐步回归预测模型，以残余应力和显微硬度为优化指标，使用Matlab粒子群算法优化数据，得到了一组强化阈值范围内的最优激光工艺参数。
硬质合金;激光冲击强化;表面完整性;残余应力;显微硬度;粒子群算法
哈尔滨理工大学
硕士
机械工程
万泉
2022
中文
TG665
2022-09-21（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）