Numerical simulation and test research on residual stress of diamond coated by vacuum brazing

LI Aiguo; ZHU Hongtao; ZHAO He

doi:DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.09.012

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Numerical simulation and test research on residual stress of diamond coated by vacuum brazing

更新时间：2025-09-22

- Numerical simulation and test research on residual stress of diamond coated by vacuum brazing
- Journal of Mechanical Strength Vol. 47, Issue 9, Pages: 130-137(2025)
- 作者机构：
  
  1.中国机械科学研究总院集团有限公司，北京 100044
  2.中国机械总院集团郑州机械研究所有限公司，郑州 450001
- 作者简介：
  
  ZHU Hongtao, E-mail:731954717@qq.com
- 基金信息：
- DOI：DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.09.012
  CLC：
- Received：30 May 2025，
  
  Revised：2025-06-24，
  
  Published：15 September 2025
- 稿件说明：
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李爱国，朱宏涛，赵赫. 真空钎涂金刚石残余应力的数值模拟及试验研究［J］. 机械强度，2025，47（9）：130-137.

LI Aiguo，ZHU Hongtao，ZHAO He. Numerical simulation and test research on residual stress of diamond coated by vacuum brazing［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（9）：130-137.
李爱国，朱宏涛，赵赫. 真空钎涂金刚石残余应力的数值模拟及试验研究［J］. 机械强度，2025，47（9）：130-137. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.09.012.

LI Aiguo，ZHU Hongtao，ZHAO He. Numerical simulation and test research on residual stress of diamond coated by vacuum brazing［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（9）：130-137. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.09.012.

摘要

残余应力是影响钎涂金刚石工具加工性能和使用寿命的主要因素。目前模型中的金刚石常被简化为球形，这导致了接头处结构约束度的改变，计算结果与实际存在较大差异。针对真空钎涂金刚石残余应力的演化规律及分布特征、残余应力对耐磨性能的影响开展研究。首先，基于宏观形貌优化了金刚石涂层的几何模型，基于热弹塑性力学方法建立了真空钎涂金刚石应力场的有限元模型，得到了金刚石涂层的应力场分布规律。其次，开展了金刚石与Ni-Cr合金钎料涂层的残余应力测量试验以验证模型的可靠性。最后，结合耐磨失重试验探究了残余应力对金刚石涂层耐磨性能的影响。结果表明，金刚石工具耐磨失效的主要形式是因为涂层对金刚石磨粒把持力不足导致的金刚石脱落。被钎料层包裹的金刚石主要受到残余压应力的影响，残余压应力提高了涂层对金刚石的把持力，Ni-Cr合金钎料涂层内部较高的残余应力也可以有效抑制涂层剥落的耐磨失效形式。

Abstract

Residual stress is the main factor affecting the machining performance and service life of brazed diamond tools. At present

in simulations

diamond is often simplified as a spherical shape

which leads to changes in the degree of structural constraint at the joint

resulting in significant differences between the calculated results and the actual situation. The evolution law and distribution characteristics of residual stress in vacuum-brazed diamonds

as well as the influence of residual stress on wear resistance

were investigated. Firstly

the geometric model of the diamond coating was optimized based on macroscopic morphology. Then

a finite element model of the stress field of vacuum brazed diamond coating was established using thermal elastoplastic mechanics

and the stress field distribution law of the diamond coating was obtained. Subsequently

residual stress measurement experiments were conducted on diamond and nickel based coatings to verify the reliability of the model. Finally

the influence of residual stress on the wear resistance of diamond coatings was explored through wear-resistant weight loss experiments. The main form of wear failure of diamond tools is diamond detachment caused by insufficient grip of the coating on diamond abrasive particles. The diamond wrapped by the brazing material layer is mainly affected by residual compressive stress

which increases the coating’s grip on the diamond. The higher residual stress inside the nickel based coating can also effectively suppress the wear-resistant failure mode of coating peeling.

关键词

Keywords

references

崔冰，姜雪，杜全斌，等 . 钎涂工艺对钎涂金刚石界面组织和性能的影响［J］. 金刚石与磨料磨具工程， 2025 ， 45 （ 1 ）： 56 - 66 .

CUI Bing ， JIANG Xue ， DU Quanbin ， et al . Effect of brazing process on microstructure and properties of brazed diamond interface ［J］. Diamond & Abrasives Engineering ， 2025 ， 45 （ 1 ）： 56 - 66 . （In Chinese）

龙伟民，刘大双，吴爱萍，等 . 金刚石粒度及添加量对大气环境感应钎涂层耐磨性的影响［J］. 机械工程学报， 2023 ， 59 （ 12 ）： 225 - 235 .

LONG Weimin ， LIU Dashuang ， WU Aiping ， et al . Influence of size and content on the wear resistance of induction brazing diamond coating in air ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2023 ， 59 （ 12 ）： 225 - 235 . （In Chinese）

丁天然，杨骄，张雷，等 . 超声辅助工艺对金刚石/AlSi复合涂层组织影响机理研究［J］. 稀有金属材料与工程， 2025 ， 54 （ 2 ）： 463 - 473 .

DING Tianran ， YANG Jiao ， ZHANG Lei ， et al . Influence mechanism of ultrasound-assisted process on microstructure of diamond/AlSi composite coating ［J］. Rare Metal Materials and Engineering ， 2025 ， 54 （ 2 ）： 463 - 473 . （In Chinese）

龙伟民，刘大双，张冠星，等 . 感应钎涂粉末熔融及传热机制［J］. 焊接学报， 2021 ， 42 （ 11 ）： 29 - 34 .

LONG Weimin ， LIU Dashuang ， ZHANG Guanxing ， et al . Melting and heat transfer mechanism of powder by induction brazing coating ［J］. Transactions of the China Welding Institution ， 2021 ， 42 （ 11 ）： 29 - 34 . （In Chinese）

PAHMEYER R ， STRIBICK S . Experimental study on manufacturing of vacuum-brazed grinding tools with diamond grains ［J］. Production Engineering ， 2025 ， 19 （ 1 ）： 141 - 156 .

龙伟民，乔瑞林，秦建，等 . 异质材料钎涂技术与应用研究进展［J］. 焊接学报， 2025 ， 46 （ 4 ）： 1 - 21 .

LONG Weimin ， QIAO Ruilin ， QIN Jian ， et al . Research progress in dissimilar material brazing technology and applications ［J］. Transactions of the China Welding Institution ， 2025 ， 46 （ 4 ）： 1 - 21 . （In Chinese）

CUI B ， LIU Z W ， ZUO R Z ， et al . Microstructure and mechanical properties of vacuum brazed diamond abrasive segments with zirconium carbide reinforced Cu-based active filler metals ［J］. Diamond and Related Materials ， 2022 ， 126 ： 109091 .

秦建，龙伟民，路全彬，等 . 金刚石/NiCrBSi钎涂接头组织与耐磨性能分析［J］. 材料导报， 2020 ， 34 （增刊2 ）： 457 - 461 .

QIN Jian ， LONG Weimin ， LU Quanbin ， et al . Microstructure and wear properties of diamond/NiCrBSi composite brazing coating ［J］. Materials Reports ， 2020 ， 34 （ Suppl.2 ）： 457 - 461 . （In Chinese）

龙伟民 . 钎涂材料成分设计准则及典型组织演变机制［J］. 稀有金属材料与工程， 2025 ， 54 （ 4 ）： 837 - 853 .

LONG Weimin . Design guidelines for composition of brazing filler metals and evolution mechanisms of typical microstructures ［J］. Rare Metal Materials and Engineering ， 2025 ， 54 （ 4 ）： 837 - 853 . （In Chinese）

PAN Y F ， LIANG J B ， NIE J L ， et al . Interfacial structure and mechanical properties of diamond/copper joint brazed by Ag-Cu-In-Ti low-temperature brazing filler ［J］. Rare Metal Materials and Engineering ， 2025 ， 54 （ 2 ）： 301 - 310 .

龙飞，宋克兴，张召琦，等 . 铜与异种材料钎涂的研究进展［J］. 稀有金属材料与工程， 2025 ， 54 （ 3 ）： 818 - 836 .

LONG Fei ， SONG Kexing ， ZHANG Zhaoqi ， et al . Research progress on brazing copper with dissimilar materials ［J］. Rare Metal Materials and Engineering ， 2025 ， 54 （ 3 ）： 818 - 836 . （In Chinese）

龙伟民，乔培新，王海滨，等 . 粉末合成钎料的探讨［J］. 机械工程学报， 2001 ， 37 （ 10 ）： 107 - 108 .

LONG Weimin ， QIAO Peixin ， WANG Haibin ， et al . Discussion of powder synthetic filler materials ［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering ， 2001 ， 37 （ 10 ）： 107 - 108 . （In Chinese）

姜伟，于康，李心怡，等 . 高熵合金钎涂C/C-GH4169接头的微观组织及力学性能［J］. 稀有金属材料与工程， 2025 ， 54 （ 2 ）： 429 - 436 .

JIANG Wei ， YU Kang ， LI Xinyi ， et al . Microstructure and mechanical properties of C/C-GH4169 joint brazed with high entropy alloy ［J］. Rare Metal Materials and Engineering ， 2025 ， 54 （ 2 ）： 429 - 436 . （In Chinese）

LI Z Q ， CUI C C ， ARTEAGA O ， et al . Full-field measurement of residual stress in single-crystal diamond substrates based on Mueller matrix microscopy ［J］. Measurement ， 2024 ， 234 ： 114790 .

刘俊杰，关春龙，杨国永，等 . 拼接法制备单晶金刚石的拼接缝形貌与残余应力［J］. 中国表面工程， 2024 ， 37 （ 6 ）： 247 - 256 .

LIU Junjie ， GUAN Chunlong ， YANG Guoyong ， et al . Stitched seam morphology and residual stress of single-crystal diamond prepared by splicing method ［J］. China Surface Engineering ， 2024 ， 37 （ 6 ）： 247 - 256 . （In Chinese）

何奇 . 脉冲激光逐层钎涂金刚石砂轮应力场仿真及裂纹规律研究［D］. 湘潭：湖南科技大学， 2023 .

HE Qi . Simulation of stress field and study on crack law of diamond grinding wheel brazed by pulsed laser layer by layer ［D］. Xiangtan ： Hunan University of Science and Technology ， 2023 . （In Chinese）

LIU X M ， YUE C Y ， GAO Y ， et al . Effect of interlayers on thermal residual stresses in diamond/MPEA composites predicted by finite element method ［J］. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials ， 2025 ， 129 ： 107080 .

PRAKASHRAJ E ， GHOSH A . Finite element based 3-D modelling of residual stress in high vacuum actively brazed diamond/Ni-Cr filler/C45 steel joint ［J］. Diamond and Related Materials ， 2023 ， 139 ： 110359 .

LIU J Y ， ZHANG J ， ZHANG M J ， et al . Finite element analysis and experimental verification of residual stress in brazed diamond with Ni-Cr filler alloy ［J］. Diamond and Related Materials ， 2023 ， 139 ： 110350 .

YANG J W ， XIE C H ， ZHANG J ， et al . Design strategies for enhancing strength and toughness in ultrasonic welding of dissimilar metals：a review ［J］. Materials Today Communications ， 2025 ， 42 ： 111502 .

HOSSEINI S M ， VAGHEFI E ， MIRKOOHI E . The role of defect structure and residual stress on fatigue failure mechanisms of Ti-6Al-4V manufactured via laser powder bed fusion：effect of process parameters and geometrical factors ［J］. Journal of Manufacturing Processes ， 2023 ， 102 ： 549 - 563 .

YOU M Z ， LONG W M ， ZHANG G X ， et al . Relieving residual stress and enhanced mechanical properties by novel sandwich composites filler metal ［J］. Intermetallics ， 2025 ， 181 ： 108751 .

TSUJI T ， SHINEI C ， IWASAKI T ， et al . Evaluation of stress in （111） homoepitaxial CVD diamond films by Raman spectrum and nitrogen-vacancy centers ［J］. Applied Physics Express ， 2024 ， 17 （ 11 ）： 115502 .

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