CN110280765B - 一种基于激光增材制造技术的金刚石工具制备方法 - Google Patents

一种基于激光增材制造技术的金刚石工具制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于激光增材制造技术的金刚石工具制备方法，其特征在于：步骤1、提供金刚石工具的基板；步骤2、提供金刚石颗粒；步骤3、提供Cu‑Sn‑Ti合金粉末；步骤4、提供激光增材制造系统；步骤5、启动激光增材制造系统；步骤6、采用短脉冲激光烧结Cu‑Sn‑Ti合金粉末层；步骤7、重复上述步骤6若干次；步骤8、将金刚石放置于金刚石工具结合剂底层；步骤9、启动撒粉装置；步骤10、采用短脉冲激光烧结；步骤11、重复上述步骤9和步骤10若干次；步骤12、关闭激光增材制造系统；步骤13、将制备的金刚石工具放入加热炉进行后处理，完成金刚石工具制备过程。本发明制备的金刚石工具金刚石颗粒热损伤小，磨料层残余应力小，结合性能好。

Description

一种基于激光增材制造技术的金刚石工具制备方法
技术领域
本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种基于激光增材制造技术的金刚石工具制备方法。
背景技术
金刚石具有最高的硬度、刚性以及优良的抗磨损、抗腐蚀性和化学稳定性，使金刚石广泛应用于各式各样的磨削工具。目前许多学者研究钎焊工艺来制备单层超硬磨料工具。与多层烧结超硬磨料工具和单层电镀超硬磨料工具相比，钎焊超硬磨料工具在磨料、钎料和基体三者之间能实现冶金化学结合，从而提高了结合强度，工具使用寿命长。另外颗粒的露出高度增大，容屑空间增大，不易堵塞。
这项新技术的制作工艺主要依靠炉中钎焊完成，钎焊工艺过程耗时长可能会引起金刚石颗粒的损伤以及工具基体的变形。此外，钎焊炉的尺寸也限制了制作金刚石颗粒具的尺寸。采用高频感应钎焊，避免了上述工艺的局限性，但升温速度、加热范围等难以控制。
2013年08月07日公开，公告号为CN 103231064 A的发明专利“ 一种新型镍基钎料钎焊单层金刚石砂轮的制作方法”公开了一种钎焊单层金刚石砂轮的制作方法，该发明通过向Ni-Cr基钎料中加入微细 Al 粉而降低钎焊温度，解决了金刚石的热损伤和基体的变形的问题，但该方法没有解决大尺寸砂轮不能直接进行钎焊的问题。
2015年09月09日公开，公告号为CN 104889518 A的发明专利“ 单层高温钎焊金刚石砂轮工艺”公开了单层高温钎焊金刚石砂轮工艺，该发明先使用气焊在金属基体上喷涂1mm～1 .5mm厚的 Ni-Cr 合金层，解决了合金层和金属基体之间具有浸润性差的问题，但该方法仍旧存在感应钎焊中升温速度、加热范围难以控制等问题。
近些年，由于激光焊接总热输入低、焊接过程迅速、热影响区小等优势而成为国内外焊接领域的一个研究热点，使激光钎焊技术也越来越受到人们的关注。研究发现激光钎焊可以选区加热，热影响区小，便于控制，钎焊后能保证基体(尤其是薄板基体)基本不变形等优点，从而可以弥补真空炉中钎焊和高频感应钎焊工艺中存在的上述问题。然而，在进行激光钎焊金刚石实验过程中，发现金刚石会随着熔池一起移动，最后金刚石聚集成堆的现象，导致金刚石热损伤严重，且无法将金刚石钎焊到预设的位置，得不到理想的金刚石排布顺序。此外，一般传统的激光钎焊金刚石的工艺过程中，激光会直接投射到金刚石表面，从而提高了金刚石表面烧损氧化和石墨化的可能性，导致钎料层和金刚石之间的结合强度降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光增材制造技术的金刚石工具制备方法，该方法具有金刚石颗粒热损伤小，且磨料层残余应力小，结合性能好等显著优点。
本发明提供一种基于激光增材制造技术的金刚石工具制备方法，包括如下步骤：
步骤1、提供金刚石工具的基板；
步骤2、提供金刚石颗粒；
步骤3、提供Cu-Sn-Ti合金粉末；
步骤4、提供激光增材制造系统；
步骤5、启动激光增材制造系统，将Cu-Sn-Ti合金粉末铺置基板上，采用短脉冲激光金刚石工具基板上烧结一层基层；
步骤6、提供多孔结构模型和分层信息，传送到激光增材制造系统，将Cu-Sn-Ti合金粉末铺置基板上，采用短脉冲激光烧结Cu-Sn-Ti合金粉末；
步骤7、重复上述步骤6若干次，完成金刚石工具多孔结构的制备；
步骤8、将金刚石颗粒放置于金刚石工具结合剂底层在上述完成的试件表面得到Cu-Sn-Ti合金粉末层；
步骤10、采用短脉冲激光烧结Cu-Sn-Ti合金粉末层，实现熔融Cu-Sn-Ti合金粉末与金刚石颗粒紧密结合；
步骤11、重复上述步骤9和步骤10若干次，得到金刚石工具固结磨料层。
步骤12、关闭激光增材制造系统；
步骤13、将制备的金刚石工具放入加热炉进行后处理，完成金刚石工具制备过程。
在其中一实施例中，步骤1中，所述基板为45钢。
在其中一实施例中，步骤2中，所述金刚石颗粒为人造六方体金刚石，大小为15~40目。
在其中一实施例中，步骤3中，所述Cu-Sn-Ti合金粉末大小为200目。
在其中一实施例中，步骤4中，所述激光增材制造系统包括计算机、短脉冲激光器、传输光纤、短脉冲激光头、撒粉装置、辅助气体供给系统。
在其中一实施例中，步骤4中，短脉冲激光器通过传输光纤与短脉冲激光头连接。
在其中一实施例中，步骤4中，短脉冲激光器可以是纳秒激光器或皮秒激光器。
在其中一实施例中，步骤4中，短脉冲激光功率为0.1~0.5 kW。
在其中一实施例中，步骤8中，金刚石工具结合剂底层的厚度d1为0.05~0.1 mm。
在其中一实施例中，步骤9中，Cu-Sn-Ti合金粉末层厚度d2为0.01~0.05 mm。
在其中一实施例中，步骤13中，放入金刚石工具后加热炉充满氩气从室温加热到600~900℃，并保持5 min，然后随炉冷却至室温。
本发明具有以下有益效果：
在本发明中，采用短脉冲激光增材制造技术制备金刚石工具固结磨料层，即采用短脉冲激光束烧结Cu-Sn-Ti合金粉末层，并使其与金刚石颗粒结合，制备工艺热输入小，对金刚石颗粒热损伤小，且磨料层残余应力小。
在本发明中，采用短脉冲激光增材制造技术制备包含多孔结构的金刚石工具结合剂底层，可以对金刚石颗粒进行有效固定，为短脉冲激光多层制备固结磨料层提供了可行性条件。
附图说明
图1本发明方案中实施制备的多孔结构横截面示意图。
图2本发明方案中金刚石颗粒固定于多孔结构示意图。
图3本发明方案中短脉冲激光熔化Cu-Sn-Ti合金粉末过程局部示意图。
图4 本发明方案制备的金刚石工具局部示意图。
图中：1、基板，2、基层，3、金刚石工具结合剂底层，4、多孔结构，5、金刚石颗粒，6、短脉冲激光束，7、短脉冲激光头，8、熔融Cu-Sn-Ti合金粉末，9、Cu-Sn-Ti合金粉末层，10、固结磨料层。
具体实施方式
以下将结合附图1-4以及具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1-4所示，本发明实施例中，一种基于激光增材制造技术的金刚石工具制备方法包括如下步骤：
步骤1、提供金刚石工具的基板1；
可选的，基板1为45钢；
步骤2、提供金刚石颗粒5；
可选的，金刚石颗粒5为人造六方体金刚石，大小为15~40目；
步骤3、提供Cu-Sn-Ti合金粉末；
可选的，Cu-Sn-Ti合金粉末大小为200目；
步骤4、提供激光增材制造系统；
可选的，激光增材制造系统包括计算机、短脉冲激光器、传输光纤、短脉冲激光头、撒粉装置、辅助气体供给系统；
可选的，短脉冲激光器可以是纳秒激光器或皮秒激光器；
可选的，短脉冲激光功率为0.1~0.5 kW；
步骤5、启动激光增材制造系统，将Cu-Sn-Ti合金粉末铺置基板1上，采用短脉冲激光金刚石工具基板1上烧结一层基层2。
步骤6、提供多孔结构4模型和分层信息，传送到激光增材制造系统，将Cu-Sn-Ti合金粉末铺置基板1上，采用短脉冲激光烧结Cu-Sn-Ti合金粉末；
步骤7、重复上述步骤6若干次，完成金刚石工具多孔结构4的制备；
步骤8、将金刚石颗粒5放置于金刚石工具多孔结构4作为金刚石工具结合剂底层3并用压板压紧。
可选的，金刚石工具结合剂底层3的厚度d1为0.05~0.1 mm；
步骤9、启动撒粉装置，将Cu-Sn-Ti合金粉末撒在上述制备完成的试件表面，得到Cu-Sn-Ti合金粉末层9；
可选的， Cu-Sn-Ti合金粉末层9厚度d2为0.01~0.05 mm；
步骤10、采用短脉冲激光烧结Cu-Sn-Ti合金粉末层9，实现熔融Cu-Sn-Ti合金粉末8与金刚石颗5粒紧密结合；
可选的，短脉冲激光头7聚焦形成的短脉冲激光束6烧结Cu-Sn-Ti合金粉末层9；
步骤11、重复上述步骤9和步骤10若干次，得到金刚石工具固结磨料层10；
步骤12、关闭激光增材制造系统。
步骤13、将制备的金刚石工具放入加热炉进行后处理，完成金刚石工具制备过程。
可选的，放入金刚石工具后加热炉充满氩气，从室温加热600~900℃，并保持5min，然后随炉冷却至室温。

Claims (5)

1.一种基于激光增材制造技术的金刚石工具制备方法，包括如下步骤：
步骤1、提供金刚石工具的基板（1）；
步骤2、提供金刚石颗粒（5）；
步骤3、提供Cu-Sn-Ti合金粉末；
步骤4、提供激光增材制造系统；
步骤5、启动激光增材制造系统，将Cu-Sn-Ti合金粉末铺置基板（1）上，采用短脉冲激光（6）在金刚石工具基板（1）上烧结一层基层（2）；
步骤6、提供多孔结构（4）模型和分层信息，传送到激光增材制造系统，将Cu-Sn-Ti合金粉末铺置基板（1）上，采用短脉冲激光烧结Cu-Sn-Ti合金粉末；
步骤7、重复上述步骤6若干次，完成金刚石工具的多孔结构（4）的制备；
步骤8、将金刚石颗粒（5）放置于金刚石工具多孔结构（4）孔内，以金刚石工具多孔结构（4）作为金刚石工具结合剂底层（3）并用压板压紧；
步骤9、启动撒粉装置，将Cu-Sn-Ti合金粉末撒在相邻金刚石颗粒之间的结合剂底层（3）的表面，得到Cu-Sn-Ti合金粉末层（9）；
步骤10、采用短脉冲激光烧结Cu-Sn-Ti合金粉末层（9），实现熔融Cu-Sn-Ti合金粉末（8）与金刚石颗粒（5）紧密结合；
步骤11、重复上述步骤9和步骤10若干次，得到金刚石工具固结磨料层（10）；
步骤12、关闭激光增材制造系统；
步骤13、将制备的金刚石工具放入加热炉进行后处理，完成金刚石工具制备过程。
2.根据权利要求1所述的基于激光增材制造技术的金刚石工具制备方法，其特征在于，步骤4中，所述激光增材制造系统包括计算机、短脉冲激光器、传输光纤、短脉冲激光头（7）、撒粉装置、辅助气体供给系统。
3.根据权利要求1所述的基于激光增材制造技术的金刚石工具制备方法，其特征在于，步骤8中，金刚石工具结合剂底层（3）的厚度d1为0.05~0.1 mm。
4.根据权利要求1所述的基于激光增材制造技术的金刚石工具制备方法，其特征在于，步骤9中，撒粉装置铺撒的Cu-Sn-Ti合金粉末层（9）厚度d2为0.01~0.05 mm。
5.根据权利要求1所述的基于激光增材制造技术的金刚石工具制备方法，其特征在于，步骤13中，放入金刚石工具后加热炉充满氩气，从室温加热到600~900℃，并保持5 min，然后随炉冷却至室温。
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