基于喷雾冷却—激光刻蚀的金刚石涂层硬质合金衬底复合预处理方法研究

发布时间：2024-02-25 11:01

　　在硬质合金刀具表面沉积高质量金刚石涂层可显著改善刀具的切削性能,但较差的金刚石涂层-硬质合金衬底膜基结合性能一直制约着金刚石涂层刀具在精密加工领域的推广应用,影响硬质合金衬底与金刚石涂层间结合力的关键因素是硬质合金中钴粘结相的催石墨化作用。两步法可有效的去除硬质合金表面的钴粘结相,是硬质合金衬底预处理最常用的方法之一,然而该方法也存在首环节效率不高、粗化效果不可控、产生大量化学废液等问题。近年来可见大量应用激光直写技术对涂层刀具衬底进行预处理的报导,主要原理是利用激光热源直接将衬底表面粗化或形成特定织构,从而增加涂层与衬底之间的机械咬合力,改善刀具切削性能。激光直接作用于靶材表面会由于热影响区的存在使工件表面产生熔渣、裂纹等缺陷,应采取适当的冷却手段对热影响区范围进行有效的控制。本文针对目前硬质合金刀具预处理中存在的不足,以改善硬质合金衬底上CVD金刚石涂层质量、提高膜基附着强度、探索衬底预处理方法为研究目的,提出喷雾冷却辅助的激光预处理方法,主要内容如下:(1)以金刚石在硬质合金材料表面的生长机理为基础,总结和分析了硬质合金衬底表面金刚石涂层沉积所面临的主要问题。综述了近五年有关硬质...

【文章页数】：118 页

【学位级别】：硕士

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摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 基于硬质合金衬底的金刚石涂层制备机理
        1.2.1 金刚石异质外延生长概述
        1.2.2 硬质合金材料的性质
    1.3 金刚石在硬质合金表面的生长
    1.4 金刚石涂层的硬质合金衬底预处理原理及方法
        1.4.1 影响硬质合金衬底上金刚石薄膜沉积的主要因素
        1.4.2 硬质合金衬底钴不利相的消除
    1.5 硬质合金衬底表面织构化
        1.5.1 金刚石涂层刀具衬底织构化的目的意义
        1.5.2 织构化刀具切削性能提升原理
        1.5.3 刀具表面织构的副作用
        1.5.4 刀具表面织构成形方法及形式
    1.6 涂层刀具的激光预处理研究概述
        1.6.1 激光的刻蚀及熔融
        1.6.2 激光作用对表面钴相的调控
        1.6.3 激光作用下硬质合金表面衍生物的产生
        1.6.4 LST技术的其他共性问题
    1.7 本文主要研究内容
    1.8 本章小结
第二章 喷雾冷却换热的数值模拟
    2.1 引言
    2.2 喷雾冷却换热机理
        2.2.1 临界区—膜态沸腾区
        2.2.2 两相区—核态沸腾区
        2.2.3 单相区—无沸腾区
    2.3 喷雾冷却数学模型
        2.3.1 连续相模型
        2.3.2 湍流模型
        2.3.3 离散相模型
        2.3.4 壁膜模型
        2.3.5 其他初始条件设置
    2.4 喷嘴参数对冷却换热的影响
        2.4.1 雾化压力对喷雾冷却特性的影响
        2.4.2 喷嘴孔径对喷雾冷却特性的影响
        2.4.3 喷嘴高度对喷雾冷却特性的影响
        2.4.4 喷嘴倾斜角度对喷雾冷却特性的影响
    2.5 本章小结
第三章 实验材料、设备及方法
    3.1 引言
    3.2 实验流程
        3.2.1 总体介绍
        3.2.2 实验可行性分析
    3.3 激光预处理实验材料及设备
        3.3.1 刀具材料
        3.3.2 激光加工实验设备
        3.3.3 喷雾冷却系统介绍
        3.3.4 酸洗刻蚀溶液配方
    3.4 金刚石涂层沉积实验设备及工艺
    3.5 实验方案设计与表征
        3.5.1 单因素实验
        3.5.2 响应面分析
    3.6 本章小结
第四章 喷雾条件下激光预处理实验研究
    4.1 引言
    4.2 单因素对硬质合金衬底预处理的影响
        4.2.1 激光输出功率对硬质合计衬底表面预处理的影响
        4.2.2 激光扫描速度对硬质合计衬底表面预处理的影响
        4.2.3 激光扫描间距对硬质合计衬底表面预处理的影响
        4.2.4 喷雾冷却对激光预处理结果的影响
    4.3 预处理效果响应结果的简化
        4.3.1 粗糙度及钴相含量对预处理结果影响的初步分析
        4.3.2 激光预处理效果因子Qi的定义
    4.4 激光预处理参数对硬质合金表面质量的响应曲面分析
        4.4.1 响应曲面分析中各因素水平的选择
        4.4.2 预处理参数对衬底表面粗糙度的响应面回归分析
        4.4.3 预处理参数对衬底表面钴相含量的响应面回归分析
    4.5 基于响应曲面分析的激光预处理工艺参数优化
        4.5.1 激光参数对预处理质量影响的响应面回归设计
        4.5.2 模型方差分析及改进
        4.5.3 残差及效应因子分析
        4.5.4 预处理工艺参数的优化(Q_i寻优,望大)
    4.6 模型实验验证
        4.6.1 回归模型可靠性验证
        4.6.2 金刚石涂层沉积实验验证
    4.7 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 全文总结
    5.2 工作存在的不足及展望
参考文献
致谢
作者简介及读研期间主要成果和荣誉



本文编号：3910220