Цагаан тугалга хүрэл нь элэгдлийн эд ангиудын үндсэн материал бөгөөд үйлдвэрлэлийн салбарт өргөн хэрэглэгддэг. CuSn12Ni2 цагаан тугалга хүрэл металлографийн бүтэц, энергийн спектрийг шинжилж, CuSn12Ni2 цагаан тугалга хүрэл нунтагыг 42CrMo хайлшин ган дэвсгэр дээр бүрсэн. өндөр хурдны лазер бүрээс холболтын бат бэхийн туршилт хийх процесс. Судалгааны үр дүнгээс харахад CuSn12Ni2 цагаан тугалга хүрэл ба 42CrMo хайлштай ган субстрат хооронд металлургийн холболтыг бий болгодог.

1. Судалгааны үндэслэл

Цагаан тугалга хүрэл нь үрэлтийн болон элэгдлийн эд ангиудын үндсэн материалын нэг болох аж үйлдвэрийн салбарт өргөн хэрэглэгддэг. Энэ материал нь ялангуяа бага хурдтай, хүнд ачаалалтай нөхцөлд тохиромжтой. Гулсах холхивчийн үндсэн хэлбэрт нэг металл ханцуй ба тулгуур холхивч, нунтаг синтерсэн биметал ханцуй ба холхивч, төвөөс зугтах аргаар цутгамал хоёр металлын ханцуйвч ба тулгуур холхивч, ээрэх дан металл ханцуй, нунтаг металлургийн үр ашигтай гадаргуутай металл ханцуйвч гэх мэт. бэхжүүлэх, дахин үйлдвэрлэх засварын технологи нь субстраттай сайн наалддаг, шингэлэх хурд бага, халуунд өртсөн жижиг бүс зэрэг давуу талтай. Лазер бүрэх нь олон параметрийн холболтын нарийн төвөгтэй процесс юм. Лазерын хүч, лазер скан хийх хурд, нунтаг тэжээлийн хурд, толбоны диаметр зэрэг параметрүүд нь бүрхүүлийн давхаргын чанарт маш чухал юм. Лазер бүрээсний нэмэлт үйлдвэрлэлийг дотоод болон гадаадад олон талаар судалсан. Гэсэн хэдий ч уламжлалт лазер бүрээсийн хувьд нунтаг нь эрчим хүчний 20% -ийг шингээж, эрчим хүчний ашиглалтын түвшин бага, шингэлэх хурд нь 5% ~ 15%, бүрээс дууссаны дараа дараагийн боловсруулалтын хэмжээ их, боловсруулалтын зардал өндөр байна. Өндөр хурдны лазер бүрээсийн хувьд нунтаг нь эрчим хүчний 80% -ийг шингээх чадвартай, эрчим хүчний ашиглалтын түвшин өндөр, шингэлэх хурд нь 3% -иас бага байж болно, бүрээс дууссаны дараа дараагийн боловсруулалтын хэмжээ бага, боловсруулалт зардал бага. Өндөр хурдтай эсвэл бүр хэт өндөр хурдтай лазер бүрэх технологи нь нунтаг хайлах хэлбэр, эрчим хүчний шингээлтийн харьцааг оновчтой болгож, материалын хуримтлалын хурдыг нэмэгдүүлж, өндөр үр ашигтай, гэмтэлгүй, өндөр наалдацтай, бага бат бөх чанарыг олж авдаг. шингэлэх хурдны бүрээсийн давхарга нь уламжлалт лазер бүрээсээс илүү давуу талтай. Өндөр хурдтай лазер бүрээсийг бэлтгэх процесс нь ган босоо амны дэвсгэр дээр цагаан тугалга-хүрэл хайлш бэлтгэхэд ашиглагддаг бөгөөд энэ нь босоо амны ханцуй ба гангийн хооронд урт хугацааны хөндлөнгийн оролцооноос үүссэн мөлхөгчөөс үүссэн дугуй гүйлтийн асуудлыг шийдэж чадна. субстрат. Мөн цагаан тугалга хүрэл хайлшны давхарга бүтэлгүйтсэний дараа түүнийг боловсруулж, арилгаж, дахин үйлдвэрлэх боломжтой. Одоогийн байдлаар ган босоо амны дэвсгэр дээр цагаан тугалга хүрэл нунтагыг өндөр хурдтай лазераар бүрэх судалгаа харьцангуй бага байна. Зохиогч нь 12CrMo хайлшин ган субстрат дээр CuSn2Ni42 цагаан тугалга хүрэл нунтагаар бүрсэн өндөр хурдтай лазер бүрэх технологийг ашиглан материалын бичил найрлага, зохион байгуулалт, давхар металл материалын макро холболтын бат бөх чанарыг судалжээ. Судалгааны үр дүнгээс харахад CuSn12Ni2 цагаан тугалга хүрэл ба 42CrMo хайлштай ган субстрат нь металлургийн холболтыг олж авсан.

2 Дээж бэлтгэх

Материалын бэхэлгээний бат бөх чанарыг бүрэн судлахын тулд эхлээд материалын согог, химийн найрлагыг шалгахад ашигладаг хавтгай дээж, материалын бэхэлгээний бат бэхийг шалгахад ашигладаг дугуй дээж зэрэг судалгааны дээжийг бэлтгэдэг.

2.1 Нунтаг бэлтгэх

Бөөмийн хэмжээ их байх тусам бөмбөрцөг хэлбэр сайтай, өндөр хурдтай лазераар бүрэх зориулалттай нунтаг найрлагын хуваарилалт жигд байх тусам нунтаг шингэний чанар сайжирч, бүрээсний дараа, ялангуяа бэхэлгээний гэмтэл бага байх болно. гадаргуу, гажиг бага байх болно. Зохиогчийн ашигласан CuSn12Ni2 цагаан тугалга хүрэл нунтагыг хийн атомжуулах аргаар гаргаж авсан. Уг зарчим нь өндөр хурдтай агаарын урсгалыг ашиглан зэс хайлшийн шингэнийг жижиг дусал болгон хувааж, дараа нь бөмбөрцөг хэлбэртэй металл хэсгүүдийг үүсгэхийн тулд хурдан хөргөх явдал юм. Бөөмийн хэмжээ нь голчлон 50~150μm-д төвлөрч, бөмбөрцөг чанар нь сайн, үүнийг Зураг 1-д үзүүлэв. Цагаан тугалга хүрэл нунтаг доторх металлографийн ширхэгүүд нь нарийн ширхэгтэй. Зураг 2 (а)-д ихэнх талст тэнцүү тэнхлэгүүдийг, Зураг 2 (б)-д дендритүүдийн багахан хэсгийг үзүүлэв. Түүнчлэн цагаан тугалга хүрэл нунтагыг хөндлөн огтлолын энергийн спектрийн шинжилгээнээс харахад зэс, цагаан тугалга, никель элементүүдийн тархалт харьцангуй жигд, ялгарал үүсэхгүй.

2.2 Дээж бэлтгэх

Дээж бэлтгэх нь лазер бүрэх төхөөрөмжийн гэрлийн эх үүсвэр нь 1.06μm орчим лазер долгионы урттай, хамгийн ихдээ 6кВт чадалтай шилэн лазер болох өндөр хурдны лазер бүрэх процессыг ашигладаг. Шилэн холбогчоос лазер ялгарсны дараа коллиматор линзээр дамжуулан параллель гэрэл болгон хувиргаж, дараа нь фокуслах линзээр дамжуулан энергийг нэг цэгт төвлөрүүлж, лазер бүрэх боловсруулалтыг хийхийн тулд металыг фокус дээр хайлуулдаг. Коаксиаль цагираг хэлбэрийн хий зөөгчийг нунтаг жигд хүргэхэд ашигладаг. Нунтаг дамжуулах хий нь аргон юм. Үүний зэрэгцээ аргоныг лазераар бүрэх явцад материалын исэлдэлтийг багасгах хамгаалалтын хий болгон ашигладаг. Цахилгаан энергийг гэрлийн энерги болгон хувиргах явцад лазераас үүссэн илүүдэл дулааныг арилгах, лазер туяаг тусгаж буй линзний шингэсэн дулааны хэсгийг гадаад оптик замд зайлуулах зорилгоор усан хөргөлтийн системийг суурилуулсан. лазер.

Зохиогчийн судалгаанд бүрэх давхаргын зузаан нь 1.2мм, өнгөлгөөний хурд 60~100мм/с, толбоны диаметр 2мм, нунтаг тэжээлийн хэмжээ 40~50г/мин, лазерын хүч 4500кВт~4800кВт байна.

Өндөр хурдтай лазер бүрэх процессоор бэлтгэсэн хавтгай дээжийг CuSn3Ni12 цагаан тугалга хүрэл ба 2CrMo хайлшин ган субстратын наалдсан гадаргуугийн ойролцоох материалын шинж чанар, дүн шинжилгээ хийхэд ашигладаг Зураг 42-т үзүүлэв. Тодорхой үйл ажиллагааны хувьд хавтгай дээжээс дээж авч, дараа нь металлографийн бүтцийн шинжилгээ, энергийн спектрийн шинжилгээнд дээжийг бэлтгэх шаардлагатай. Өндөр хурдтай лазераар бүрэх процессоор бэлтгэсэн ердийн холболтын бат бэхийн туршилтын дээжийг CuSn4Ni12 цагаан тугалга хүрэл ба 2CrMo хайлштай ган субстрат хоорондын холболтын бат бөх чанарыг тодорхойлоход ашигладаг Зураг 42-т үзүүлэв.

3 Өндөр хурдны лазер бүрэх материалын шинж чанар, дүн шинжилгээ

3.1 Металлографийн бүтэц

Дээжийг металлографийн шинжилгээнд хамруулсан. Шинжилгээний төхөөрөмжид хэт гүний талбайн микроскоп ашигласан. Зэврэлтээс өмнөх дээжийн микро бүтцийн морфологийг 5-р зурагт, зэврэлтээс хойшхи металлографийн бүтцийг Зураг 6-д үзүүлэв. Зэврэлтийн дээжинд ашигласан уусмал нь 10гFeCl, 6H, 0, 2мл давсны хүчлийн 1.16г/мл нягттай уусмал, 98%-ийн эзэлхүүнтэй 95мл этилийн спиртийн уусмал гэсэн гурван бодисын холимогоос бүрдэнэ. Өндөр хурдтай лазер бүрэх аргаар бэлтгэсэн CuSn5Ni12 цагаан тугалга хүрэл нь тодорхой нүх сүвтэй хэвээр байгаа бөгөөд хамгийн том нүхний диаметр нь 2μm байгааг Зураг 97.14-аас харж болно. Зэврэлтээс хойшхи дээжийн металлографийн бүтэц нь голчлон барьцалдсан гадаргуугийн ойролцоох дендрит, харин CuSn6Ni12 цагаан тугалга хүрэл гадаргуутай ойролцоо тэнхлэгтэй мөхлөгүүд голчлон үүсдэг болохыг Зураг 2-аас харж болно. Үүний гол шалтгаан нь гадаргууд ойртох тусам хэт хөргөлтийн түвшин ихсэх тусам тэнцүү тэнхлэгт мөхлөгүүд үүсэхэд хялбар байдаг ба наалдсан гадаргууд ойртох тусам хэт хөргөлтийн зэрэг багасдаг бөгөөд энэ нь гадарга үүсэхэд илүү таатай байдаг. дендрит үр тариа.

3.2 Эрчим хүчний спектрийн шинжилгээ

Лазер бүрэх явцад CuSn12Ni2 цагаан тугалга хүрэл дэх тодорхой хэмжээний элементүүд 42CrMo хайлштай ган матриц руу нэвтэрч, холбох гадаргуугийн ойролцоо металлургийн холбоо үүсгэнэ. Холболтын гадаргуу дээр эрчим хүчний спектрийн шинжилгээний зорилго нь CuSn12Ni2 цагаан тугалга хүрэл шингэлэх хурд өндөр биш тул үйл явц нь цагаан тугалга хүрэл найрлага, механик шинж чанарт бага нөлөө үзүүлдэг. Хэдийгээр шингэрүүлэлтийн хурд өндөр биш боловч хайлш гангийн матриц руу бага хэмжээний элементүүд ордог бөгөөд энэ нь металлургийн холболт нь холбох гадаргуугийн ойролцоо явагддаг болохыг харуулж байна.

4 Холболтын бат бэхийн туршилт

CuSn12Ni2 цагаан тугалга хүрэл материалыг 42CrMo хайлшин ган матриц дээр өндөр хурдтай лазер бүрэх аргаар бүрсэний дараа гулсалтын үрэлтийг бууруулж, элэгдэлд тэсвэртэй давхарга болгон ашиглах үед матрицтай өндөр наалддаг байх шаардлагатай. даац. Үүнийг өндөр хурдны лазер бүрэх процессын параметрүүдийг тохируулах замаар олж авч болно. Зохиогч нь үндэсний стандарт GB/T12948-1991 "Гулсах холхивчийн хоёр металлын бат бэхийг эвдэх туршилтын арга"-ын дагуу холбох бат бэхийн туршилтын дээжийг бэлтгэж, бэхэлгээний бат бэхийн туршилт хийсэн. CuSn12Ni2 цагаан тугалгатай хүрэл материалын уналтын бат бэх нь 140МПа~150МПа, суналтын бат бэх нь 260МПа~300МПа байна. Холболтын бат бэх нь урсацын бат бэхээс бага байвал наалдсан гадаргуу дээр хугарал үүснэ. Холболтын бат бэх нь уналтын бат бэх ба суналтын бат бэхийн хооронд байх үед бэхэлгээний гадаргуу дээр хугарал үүссээр байх боловч CuSn12 цагаан тугалгатай хүрэл бие нь аль хэдийн унтарсан байна. Холболтын бат бэх нь суналтын бат бэхээс их байвал CuSn12Ni2 цагаан тугалгатай хүрэл материалын биед хугарал үүснэ. Хэвийн холболтын бат бэхийн туршилтыг Зураг 8-д, туршилтын үр дүнг Зураг 9-д үзүүлэв. Зураг 9-ээс харахад туршилтын дараах хоёр дээжийн хэвийн холболтын бат бэх нь тус тус 429.5МПа ба 326.6МПа байна. нь материалын суналтын бат бэхээс их байгаа нь бэхэлгээний гадаргуугийн бэхэлгээ нь CuSn12Ni2 цагаан тугалганы хүрэл суналтын бат бэхээс давж байгааг харуулж байна. Дээжний хугарлын гадаргуу нь туршилтаас харахад CuSn12Ni2 цагаан тугалгатай хүрэл биетэй болох нь Зураг 10-д үзүүлсэн бөгөөд энэ нь бэхэлгээний гадаргуугийн бэхэлгээ нь CuSn12Ni2 цагаан тугалга хүрэл суналтын бат бэхээс давж байгааг баталж байна. Мөн CuSn12Ni2 цагаан тугалга хүрэл ба 42CrMo хайлштай ган матриц нь металлургийн холболттой болохыг холбох бат бэхийн туршилтын үр дүн харуулж байна.

5 дүгнэлт

Зохиогч CuSn12Ni2 цагаан тугалга хүрэл ба хайлш ган матрицын өндөр хурдтай лазер бүрэх процессоор бэлтгэсэн холболтын гүйцэтгэлийг судалж, CuSn12Ni2 цагаан тугалга хүрэл ба 42CrMo хайлшин ган матриц нь металлургийн холболт үүсгэдэг болохыг олж мэдэв.

Холболтын гадаргуугийн ойролцоо CuSn12Ni2 цагаан тугалга хүрэл нь ихэвчлэн дендрит юм. CuSn12Ni2 цагаан тугалга хүрэл гадаргуугийн ойролцоо гол төлөв тэнцүү талстууд байдаг. Энэ нь холбох гадаргуугийн ойролцоох дутуу хөргөлт бага, гадаргуу дээрх дутуу хөргөлт их байгааг харуулж байна.

CuSn12Ni2 цагаан тугалга хүрэлийг өндөр хурдтай лазер бүрэх процессоор шингэлэх хурд нь тийм ч өндөр биш тул үйл явц нь цагаан тугалга хүрэлийн найрлага, механик шинж чанарт бага нөлөө үзүүлдэг.

Өндөр хурдны лазер бүрэх үйл явцын параметрүүдийг тохирох параметрт тохируулсан тохиолдолд наалдсан гадаргуугийн бэхэлгээ нь CuSn12Ni2 цагаан тугалга хүрэл суналтын бат бэхээс давж болно.