專利名稱：銅及銅合金表面激光熔覆復(fù)合耐磨層及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種銅及銅合金表面激光熔覆復(fù)合耐磨 層及制備方法。
背景技術(shù)：
銅具有很好的傳導(dǎo)性以及較好的機(jī)械性能，因而銅合金是工業(yè)中不可缺少的金屬 材料，在電力電器、機(jī)械制造、航空航天等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年來(lái)，銅價(jià)的大幅度 攀升進(jìn)一步提高了銅合金零部件的成本，隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，迫切需要改進(jìn)銅 合金材料的性能，要求在保證高導(dǎo)熱性能或者高導(dǎo)電性的條件下，提高其硬度、耐磨性和抗 電弧燒蝕性等。因此表面改性是延長(zhǎng)銅合金零部件使用壽命、降低其使用成本的有效途徑。銅合金具有許多優(yōu)良的性能，廣泛采用于各領(lǐng)域中，隨著生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，機(jī)械 設(shè)備的效率、運(yùn)轉(zhuǎn)速度、載荷等都在增加，這些都需要高性能零件來(lái)支撐。基于這些現(xiàn)狀，傳 統(tǒng)的銅合金已不能滿足很多條件下的使用要求，且銅合金也存在著成本高、壽命短的缺點(diǎn)， 尤其是作為一些耐磨零件時(shí)，因磨損失效帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失是相當(dāng)嚴(yán)重。因此，如何提高銅合 金的耐磨性，使其在冶金、電力、信息、交通、能源、輕工及航天航空等高科技領(lǐng)域中發(fā)揮更 重要的作用是研究人員的目標(biāo)之一。銅合金表面改性技術(shù)既可以保持銅基體本身保持良好 的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性，又可以通過(guò)表面改性的方法來(lái)增強(qiáng)其表面硬度、耐磨性、耐腐蝕性以及抗 電弧燒蝕性。目前對(duì)銅合金表面改性的研究很多，概括起來(lái)主要有電鍍、氣相沉積(PVD、 CVD、PCVD等)、鑄滲、熱噴涂技術(shù)、表面高能束表面改性技術(shù)等。高能束表面改性是指采用 粒子束、電子束、激光束這三類高能束流對(duì)材料表面進(jìn)行改性處理的一種新技術(shù)。激光熔覆 技術(shù)就是高能束表面改性的一種。激光熔覆就是以大功率密度激光束做熱源，將預(yù)制在金 屬表面的粉末材料加熱，使之全部熔化，金屬表面同時(shí)也在微量熔融，當(dāng)激光束離開后，表 面迅速凝固，形成與基體金屬結(jié)合得很牢的涂覆層，基本原理與焊接相似，確保金屬間為冶 金結(jié)合，結(jié)合的優(yōu)劣主要取決于兩種金屬的物理性能，化學(xué)性能，化學(xué)成分。目前，已有多種表面強(qiáng)化方法(電鍍、化學(xué)鍍、陶瓷強(qiáng)化、復(fù)合強(qiáng)化等)，但是其又 存在著各自的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)，如鍍層較厚、容易脫落、對(duì)環(huán)境有污染等，所以表面強(qiáng)化的技術(shù) 需要進(jìn)一步的改善和提高。激光表面技術(shù)為克服這些技術(shù)的難點(diǎn)提供了新的能量源和解決 思路。但是銅合金表面激光熔覆技術(shù)仍然存在著自身的問(wèn)題1)銅合金的導(dǎo)熱性能良好、比熱容小、浸濕性能差、表面有堅(jiān)硬的氧化膜，對(duì)光 斑的反射率較大，這就使得激光產(chǎn)生的熱量在其表面不易停留，直接熔覆功能涂層難以實(shí) 現(xiàn)；2)銅合金基體與涂層的材料體系之間的性能差別很大，使用過(guò)程中的界面失效問(wèn) 題要得到一定的重視，在中間要有相應(yīng)的過(guò)渡層連接；3)涂層內(nèi)韌性不足，熱裂和應(yīng)力等缺陷存在于涂層內(nèi)部。銅基表面功能涂層的性能與制備工藝、涂層成分、組織形貌、界面結(jié)構(gòu)等因素緊密相關(guān)，一方面要優(yōu)化合金粉末的成分，提高粉末與銅基材的相容性，另一方面要優(yōu)化工藝參 數(shù)，降低殘余應(yīng)力，避免熔覆過(guò)程的不利因素。目前已有銅合金表面超音速火焰噴涂的專利 (專利公開號(hào)1013(^619)，但超音速噴涂存在涂層和基材不是完全冶金結(jié)合，涂層和基材 結(jié)合強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，再者，該專利中噴涂后仍需800 900°C融熔真空擴(kuò)散熱處理，然后惰 性氣體保護(hù)冷卻再進(jìn)行1 3時(shí)效處理，能耗高，工藝復(fù)雜。沈陽(yáng)大陸激光成套設(shè)備有限公 司發(fā)明了一種專利(專利公開號(hào)1932982)，先進(jìn)行等離子噴涂打底，再采用5kW CO2激光器 進(jìn)行重熔，然后進(jìn)行激光熔覆。但是該工藝略顯復(fù)雜，且等離子噴涂和高功率CO2激光器設(shè) 備體積龐大，價(jià)格昂貴。另外，專利《連鑄結(jié)晶器銅金屬表面涂層的一種新方法》(專利公開 號(hào)10129似82)發(fā)明了一種在結(jié)晶器銅金屬表面涂層的方法，其采用薄片或細(xì)絲，利用高峰 值脈沖激光束照射金屬表面，但金屬薄片和細(xì)絲難于加工且對(duì)于大面積熔覆存在操作困難 的特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述背景技術(shù)及存在問(wèn)題，提出一種銅及銅合金表面激光熔 覆復(fù)合耐磨層，使該復(fù)合耐磨層與銅及銅合金成冶金結(jié)合，能顯著提高銅及銅合金表面的 耐磨、耐蝕、抗氧化特性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案銅及銅合金表面激光熔覆復(fù)合耐磨 層，其特征在于該復(fù)合耐磨層為至少兩層或兩層以上的多層激光熔覆層構(gòu)成，連接基材 的涂層為第一層，也稱過(guò)渡層，是一種鎳基合金，按重量百分比計(jì)算其成分為Cu 20.0 30. 0%，A16. 0 8. 0%，Si 0. 3 0. 6%，Zr 1. 7 2. 4%，余量為Ni ；其余層為鈷基合金， 按重量百分比計(jì)算其成分為C 1. 0 1. 5%, Cr 25 30%，F(xiàn)e 2 4%，W 10 15%，Si 0.8 1·2%，Β 3 4%，Ti 8 12%，Ni 10 12%，余量為 Co。在上述方案中，所述復(fù)合耐磨層總厚度可以為0. 5 2. 0mm，其中，第一層過(guò)渡層 的熔覆厚度最好在0. 2-0. 5mm ；其余層每層的熔覆厚度最好在0. 3-0. 5mm。本發(fā)明的另一目的是提出一種制備上述復(fù)合耐磨層的制備方法，使其具有能耗 低，無(wú)污染，效率高，成本低的特點(diǎn)。本發(fā)明的這一目的是由下述方案實(shí)現(xiàn)的一種制備上述復(fù)合耐磨層的制備方法， 其特征在于按上述的第一層鎳基合金和其余層鈷基合金的成分分別進(jìn)行配料，第一層各 原料粒度為200 400目，其余層各原料粒度為325 500目，將配好的各層原料均勻混合， 然后按以下步驟進(jìn)行(1)對(duì)銅及銅合金表面進(jìn)行活化處理；(2)采用脈沖Nd:YAG激光器熔覆第一層過(guò)渡層，在熔覆熔覆第一層過(guò)程中采用粘 結(jié)劑預(yù)置粉末或送粉器同步送粉將配好的第一層鎳基合金原料置于銅及銅合金表面進(jìn)行 熔覆，熔覆厚度在0. 2-0. 5mm；(3)采用脈沖Nd:YAG激光器分別熔覆各其余層，在熔覆熔覆各其余層過(guò)程中采用 粘結(jié)劑預(yù)置粉末或送粉器同步送粉將配好的各其余層鈷基合金原料置于熔覆好的前一層 表面進(jìn)行熔覆，每層熔覆厚度在0. 3-0. 5mm，直至符合要求的厚度；在以上第一層和各其余層掃描熔覆處理中，脈沖Nd:YAG激光器的掃描速度為 5-16mm/s，光斑直徑 1. 2_2mm。
在上述方法中，所述脈沖Nd: YAG激光器的平均功率為觀0_6001在本發(fā)明所述第一層過(guò)渡層中，適量銅能提高過(guò)渡層與基材的相容性，增強(qiáng)銅基 材與熔覆層的結(jié)合強(qiáng)度，而且M和Cu能夠無(wú)限互溶，不會(huì)在界面產(chǎn)生化合物而影響結(jié)合強(qiáng) 度。Ni-Al合金在熔覆過(guò)程中能夠發(fā)生鋁熱反應(yīng)，從而提高熔覆過(guò)程中的能量，這也有助于 過(guò)渡層與基材良好的結(jié)合。Si的加入能降低合金的熔點(diǎn)，^ 具有凈化冶金界面的作用，因 此能提高過(guò)渡層與基材的結(jié)合強(qiáng)度。本發(fā)明利用體積小和價(jià)格低的400W NdiYAG固體激光器，在銅合金基板上以含銅 的M基合金作為過(guò)渡層，然后多層激光熔覆Co基耐磨合金，制備出耐磨性能優(yōu)異的復(fù)合耐 磨層。該復(fù)合耐磨層組織致密，無(wú)裂紋、氣孔，與銅及銅合金表面形成良好的冶金結(jié)合，可形 成0. 5-2mm的熔覆層。本發(fā)明所述的制備方法能夠精確控制復(fù)合耐磨層的厚度及整個(gè)過(guò)程 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，具有能耗低，無(wú)污染，效率高，成本低的優(yōu)點(diǎn)。


圖1紫銅板表面激光熔覆表面形貌；圖2紫銅板表面復(fù)合耐磨層組織圖，其中，圖加是圖1中頂部組織圖，圖2b是圖1中中部組織圖，圖2c是圖1中底部組織圖；圖3紫銅板表面激光熔覆Co基合金硬度分布圖，其中縱坐標(biāo)為硬度，橫坐標(biāo)為深 度,單位mm ；圖4紫銅板表面激光熔覆Co基合金與電鍍Ni-Co磨損量比較圖，其中，縱坐標(biāo)為 磨損失重量，單位g，橫坐標(biāo)為深度單位mm。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 本實(shí)施例是在500 X 200 X IOmm的紫銅板表面采用脈沖Nd YAG激光器進(jìn)行激光熔 覆復(fù)合耐磨層，其制備方法按以下步驟進(jìn)行1.紫銅板表面活化處理對(duì)厚度為IOmm紫銅板表面進(jìn)行噴砂處理或者用60#粗砂紙對(duì)銅板進(jìn)行粗化處理， 去除表面銹跡，以增強(qiáng)銅合金表面與熔覆層的結(jié)合強(qiáng)度，然后用丙酮清洗除油污，進(jìn)行低溫 (<100°C)烘干或者自然風(fēng)干。2.配制鎳基合金原料，預(yù)置過(guò)渡層按下述成分(重量百分比)配制過(guò)度層鎳基合金原料Cu 20.0%, Al 6.0%, Si 0.3%,Zr 1.7%，余量為Ni。上述各原料粒度為200 400目，并均勻混合，將上述過(guò)度層 鎳基合金粉末與粘接劑混合成糊狀或者膏狀，混合比例為3 1(質(zhì)量比)，混合攪拌均勻 后，均勻涂覆在表面活化處理后的紫銅板表面上，進(jìn)行壓實(shí)和表面物理平整，預(yù)涂覆粉末厚 度0. 5-0. 8mm，然后置入干燥箱中80°C以下烘干或者自然風(fēng)干。3.激光熔覆制備鎳基合金過(guò)渡層將預(yù)置好鎳基合金的紫銅板放置到激光器的CNC機(jī)床上，進(jìn)行激光熔覆處理，激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率^OW,掃描速率5mm/s，脈寬0. 5ms，光斑大小1. 2mm，搭接率 30-40%。激光掃描完成后紫銅板形成表面無(wú)裂紋、無(wú)氣孔的大面積搭接過(guò)渡層，熔覆后過(guò) 渡層厚度0. 2-0. 5mm。該過(guò)渡層用于提高銅及銅合金與耐磨涂層的結(jié)合強(qiáng)度。4、配制鈷基合金原料，預(yù)置第二層按下述成分(重量百分比)配制第二層鈷基合金原料C 1.0%，Cr 25%，F(xiàn)e 2%， W 10%, Si 0.8%，B 3%, Ti 8%, Ni 10%，余量為Co。上述各原料粒度為325 500 目，并均勻混合。將上述第二層鎳基合金粉末與粘接劑混合成糊狀或者膏狀，混合比例為 3 1(質(zhì)量比)，混合攪拌均勻后，均勻涂覆在紫銅板表面過(guò)渡層上，進(jìn)行壓實(shí)和表面物理 平整，預(yù)涂覆粉末厚度0. 6-1. 0mm，然后置入干燥箱中80°C以下烘干或者自然風(fēng)干。5、激光熔覆制備第二層熔覆層將預(yù)置好鈷基合金的紫銅板放置到激光器的CNC機(jī)床上，進(jìn)行激光熔覆處理，激 光熔覆工藝參數(shù)為激光功率350W，掃描速率5mm/s，脈寬1. 5ms,光斑大小1. 5mm,搭接率 30-40%。熔覆后第二層厚度為0. 3-0. 5_。6、采用相同的方法制備第三層及更多層熔覆層，直至符合要求的厚度。7、對(duì)達(dá)到加工余量后的熔覆層進(jìn)行磨光處理，形成光滑平整的表面。本實(shí)施例多層熔覆后表面形貌及組織如圖1、圖2所示。紫銅板表面激光熔覆Co 基合金硬度分布如圖3所示，激光熔覆Co基合金顯微硬度約HVa ^98,紫銅硬度約HV1.工141， 激光熔覆Co基合金顯微硬度是紫銅的3. 5倍以上。其耐磨性是紫銅的5倍以上。實(shí)施例2 本實(shí)施例是在連鑄板坯結(jié)晶器銅板表面采用脈沖Nd: YAG激光器進(jìn)行激光熔覆復(fù) 合耐磨層，銅板為Cr-Zr-Cu合金，一端要求涂層厚度0. 8mm, 一端要求厚度2. 0mm。制備方 法按以下步驟進(jìn)行1.銅板表面預(yù)處理采用60#粗砂紙手動(dòng)打磨結(jié)晶器銅板表面，去除氧化物和銹跡，再用丙酮清洗表 面，除油污。2.配制鎳基合金原料按下述成分(重量百分比)配制過(guò)度層鎳基合金原料Cu 30.0%, Al 8.0%, Si 0.6%, Zr 2.4%，余量為Ni。上述各原料粒度為200 400目，并均勻混合。3.預(yù)置、激光熔覆制備過(guò)渡層采用滾輪式負(fù)壓送粉器將上述鎳基合金粉末以8g/s的流量送入激光熔池(結(jié)晶 器銅板表面)，在激光器的CNC機(jī)床上進(jìn)行激光熔覆處理，激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率 280W,掃描速率5mm/s，脈寬0. 5ms,光斑大小1. 2mm,搭接率30-40 %。熔覆后過(guò)渡層厚度 0. 3-0. 5mm。4.配制鈷基合金原料，預(yù)置、激光熔覆制備第二層熔覆層按下述成分(重量百分比)配制第二層鈷基合金原料C 1. 5%，Cr 30%，F(xiàn)e 4%， W 15%,Si 1. 2%,B 4%,Ti 12%,Ni 12%，余量為Co。上述各原料粒度為325 500目， 并均勻混合。采用滾輪式負(fù)壓送粉器將上述鎳基合金粉末以8g/s的流量送入激光熔池(結(jié) 晶器銅板過(guò)渡層表面)，進(jìn)行激光熔覆處理，激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率350W，掃描速 率10mm/s，脈寬1.5ms，光斑大小1. 6_，搭接率30-40%。
5、采用相同的方法制備第三層及更多層熔覆層，直至符合要求的厚度。本實(shí)施例 一端激光熔覆2層，涂層厚度1. Omm ；一端激光熔覆4層，涂層厚度2. 4mm。本實(shí)施例所述連鑄板坯結(jié)晶器銅板激光熔覆使用壽命與電鍍M-Co使用壽命性 比較如表1所示，提高了近1倍。表1連鑄板坯結(jié)晶器銅板激光熔覆使用壽命與電鍍Ni-Co使用壽命性結(jié)晶器銅板電鍍Ni-Co拉鋼 噸位40000 噸結(jié)晶器銅板激光熔覆Co基合 金拉鋼噸位82000 噸實(shí)施例3 本發(fā)明在磷脫氧銅(TPl)表面進(jìn)行激光激光熔覆復(fù)合耐磨層，制備方法按以下步 驟進(jìn)行1.銅板表面預(yù)處理表面噴砂處理，去除氧化物和銹跡，再用丙酮清洗表面，除油污。2.配制鎳基合金原料，預(yù)置、激光熔覆制備過(guò)渡層按下述成分(重量百分比)配制過(guò)度層鎳基合金原料Cu 25%, Al 7%, Si 0.5%, Zr 2.0%，余量為Ni。上述各原料粒度為200 400目，并均勻混合。3.預(yù)置、激光熔覆制備過(guò)渡層采用滾輪式負(fù)壓送粉器將上述鎳基合金粉末送入激光熔池，粉末流量為lOg/s，在 激光器的CNC機(jī)床上進(jìn)行激光熔覆處理。激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率^OW,掃描速率 5mm/s，脈寬0. 5ms，光斑大小1. 2mm，搭接率30-40 %。熔覆后過(guò)渡層厚度0. 3-0. 5mm。4.配制鈷基合金原料，預(yù)置、激光熔覆制備多層熔覆層按下述成分(重量百分比)配制第二層鈷基合金原料C 1. 2%，Cr ^%，F(xiàn)e 3%， W 13%, Si 1. 0%, B 3. 5%, Ti 10%, Ni 11%，余量為 Co。上述各原料粒度為 325 500 目，并均勻混合。采用滾輪式負(fù)壓送粉器將上述鎳基合金粉末以lOg/s的流量送入激光熔 池，進(jìn)行激光第二層熔覆處理，激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率400W，掃描速率16mm/s，脈 寬1.5ms，光斑大小1.2mm，搭接率30-40%。以此類推共激光熔覆4層，涂層厚度2. 5mm。實(shí)施例4本實(shí)施例與實(shí)施例2基本相同，不同之處在于過(guò)度層鎳基合金原料重量百分 比為Cu 28%, Al 7.5%, Si 0.4%, Zr 2. 2%，余量為Ni ；第二層及其余層鈷基合金原 料重量百分比為C 1. 4%, Cr 26%, Fe 2. 5%, W 11%, Si 1. 1%, B 3. 8%, Ti 11%, Ni 10. 1%，余量為Co。綜上所述，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)1)針對(duì)銅合金的特點(diǎn)，采用專用M基合金作為過(guò)渡層，然后在表面復(fù)合多層專用 Co基合金，有效實(shí)現(xiàn)了 Cu合金到Co基合金的冶金過(guò)渡，避免了因?yàn)镃u-Co兩種合金體系固 態(tài)不互溶帶來(lái)的相容性的問(wèn)題。2)由于銅合金的導(dǎo)熱能力極強(qiáng)，過(guò)渡層和熔覆層枝晶組織細(xì)小致密，熔覆層硬度顯者提高。 3)同原始基材相比，激光熔覆層的磨損性能極大提高。
權(quán)利要求
1.銅及銅合金表面激光熔覆復(fù)合耐磨層，其特征在于該復(fù)合耐磨層為至少兩層或兩 層以上的多層激光熔覆層構(gòu)成，連接基材的涂層為第一層，也稱過(guò)渡層，是一種鎳基合金， 按重量百分比計(jì)算其成分為Cu 20. 0 30. 0%，Al 6.0 8.0%，Si 0.3 0.6%，Zr 1.7 2.4%，余量為Ni ；其余層為鈷基合金，按重量百分比計(jì)算其成分為C 1.0 1.5%， Cr 25 30%，F(xiàn)e 2 ~ 4%, W 10 15%，Si 0. 8 1. 2%，B 3 ~ 4%, Ti 8 12%，Ni 10 12%，余量為Co。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅及銅合金表面激光熔覆復(fù)合耐磨層，其特征在于所述復(fù)合 耐磨層總厚度為0. 5 2. 0mm，其中，第一層過(guò)渡層的熔覆厚度在0. 2-0. 5mm ；其余層每層的 熔覆厚度在0. 3-0. 5mm。
3.一種制備權(quán)利要求1所述復(fù)合耐磨層的制備方法，其特征在于按權(quán)利要求1所述 的第一層鎳基合金和其余層鈷基合金的成分分別進(jìn)行配料，第一層各原料粒度為200 400目，其余層各原料粒度為325 500目，將配好的各層原料均勻混合，然后按以下步驟進(jìn) 行(1)對(duì)銅及銅合金表面進(jìn)行活化處理；(2)采用脈沖Nd:YAG激光器熔覆第一層過(guò)渡層，在熔覆熔覆第一層過(guò)程中采用粘結(jié)劑 預(yù)置粉末或送粉器同步送粉將配好的第一層鎳基合金原料置于銅及銅合金表面進(jìn)行熔覆， 熔覆厚度在0. 2-0. 5mm ；(3)采用脈沖Nd:YAG激光器分別熔覆各其余層，在熔覆熔覆各其余層過(guò)程中采用粘結(jié) 劑預(yù)置粉末或送粉器同步送粉將配好的各其余層鈷基合金原料置于熔覆好的前一層表面 進(jìn)行熔覆，每層熔覆厚度在0. 3-0. 5mm，直至符合要求的厚度；在以上第一層和各其余層掃描熔覆處理中，脈沖Nd:YAG激光器的掃描速度為5-16mm/ s，光斑直徑1. 2-1. 6mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述復(fù)合耐磨層的制備方法，其特征在于所述脈沖Nd:YAG激光器 的平均功率為280-400W。
全文摘要
本發(fā)明涉及銅及銅合金表面激光熔覆復(fù)合耐磨層及制備方法，該復(fù)合耐磨層為至少兩層或兩層以上的多層激光熔覆層構(gòu)成，連接基材的涂層為第一層，也稱過(guò)渡層，是一種鎳基合金，按重量百分比計(jì)算其成分為Cu 20.0～30.0％，Al 6.0～8.0％，Si 0.3～0.6％，Zr 1.7～2.4％，余量為Ni；其余層為鈷基合金，按重量百分比計(jì)算其成分為C 1.0～1.5％，Cr 25～30％，F(xiàn)e 2～4％，W 10～15％，Si 0.8～1.2％，B 3～4％，Ti 8～12％，Ni 10～12％，余量為Co。本發(fā)明所述的復(fù)合耐磨層組織致密，無(wú)裂紋、氣孔，與銅及銅合金表面形成良好的冶金結(jié)合。本發(fā)明所述的制備方法能夠精確控制復(fù)合耐磨層的厚度及整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，具有能耗低，無(wú)污染，效率高，成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C23C24/10GK102041503SQ20091027344
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者王愛華, 閆華 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)