CN101423940B - 一种利用激光表面处理制备高硬度Cu基非晶合金涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用激光表面处理制备高硬度Cu基非晶合金涂层的方法。该方法利用180W低功率Nd:YAG脉冲激光在Cu基合金表面形成约120~230μm厚度的非晶层,表面无裂纹,涂层与基体结合良好,并且非晶涂层的厚度可以通过调节激光工艺参数进行控制。在整个工艺过程中,利用CNC2000数控软件进行操作,可以实现大面积激光扫描,生产效率高,并且气氛保护以及冷却系统方便简单,成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种非晶合金的制备方法,更特别的说,是指一种利用低功率Nd:YAG脉冲激光制备高硬度Cu-Zr-Ti非晶合金涂层的方法。
背景技术
非晶合金具有不同于晶态合金的新型的合金成分和原子构成,并兼有一般金属和玻璃的特性,使得它在物理、化学及机械性能上表现出一系列优异的特性,如很高的耐腐蚀性、抗磨性、较好的强度和韧性、理想的磁学性能等,是一种理想的涂层材料。
随着非晶合金制备方法及理论研究的不断发展,非晶材料已由实验室阶段迈入了工业应用阶段(如我国冶金部钢铁研究总院已能稳定生产100mm宽的铁基非晶带材)。美日等发达国家非晶合金的生产已进入大批量、商业化的阶段,在某些领域的应用已逐步得到研究,如作为机械结构材料、光学精密材料、电极材料、体育用品材料、软磁材料等。随着科学技术和现代化工业技术的发展,人们对材料性能的要求越来越高。与晶态涂层相比,非晶涂层一般具有较高的显微硬度,优异的耐磨性能和耐蚀性能,以及很好的催化活性和优异的词学性能。正是由于其优异的物理和化学性能,研究和制备非晶涂层材料成为材料科学与工程领域的一个重要分支,引起了人们的广泛关注。
常见的非晶合金涂层的制备方法主要有物理气相沉积法(PVD)、溅射法、辉光放电、离子注入和电化学沉积法等,这些技术在一定程度上促进了非晶涂层的发展,但又存在一定的局限性。例如,物理气相沉积法仅能得到薄的沉积膜,而且沉积速度比较慢,效率低;电化学沉积的非晶薄膜成分不易精确控制,重复性差,理论研究与工业生产之间存在差距,经验依赖性强,并且电解废液环境污染严重、处理工序复杂。
发明内容
本发明的技术解决问题:克服现有技术的不足,提供一种利用激光表面处理制备高硬度Cu基非晶合金涂层的方法,该方法本发明采取的技术方案是:一种制备非晶合金涂层的方法,步骤如下:
第一步:Cu-Zr-Ti合金的制备
选择纯度为99.9%的Cu、Zr、Ti元素为原料,按原子百分比CuxZryTiz且x+y+z=100,其中,50≤x≤65,5≤y≤45,5≤z≤40,配料,将配好的原料放置于真空电弧炉内,抽真空度至1—5×10-3Pa,充入压力为0.04—0.06MPa氩气保护气体;调节电流200~250A,熔炼4—5遍后随炉冷却取出即制得均匀的Cu-Zr-Ti合金;
第二步:样品的制备
将制备好的合金切割成15mm×10mm×2mm的样品,用砂纸、丙酮对表面进行处理,以增加材料表面对激光的吸收率;
第三步:激光处理
将样品放置在激光器工作台的铜模上,调整激光器的保护气喷嘴至与样品表面成30°角,并且与激光光束同轴,从而防止在激光处理过程中样品发生氧化,激光器的工艺的参数为:激光器工作电压V为100~250V,频率f为8~14Hz,脉冲宽度为1~3ms,激光扫描速度为400~1200mm/min,光斑尺寸1mm;通过调节激光器的工艺参数,利用激光束能量密度高,加工时间短的特点,使样品表面与基体形成大的温度梯度,从而达到高达106~1011K/s的冷却速度,在样品表面在样品横断面出现明显的分层结构:Cu基非晶层、过渡区和基体,形成Cu基非晶层,Cu基非晶层的厚度为120μm~230μm。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明通过调整激光表面处理的工艺参数(激光工作电压、激光扫描速度、脉冲宽度等),从而在Cu-Zr-Ti合金表面获得了具有一定厚度、表面质量良好的非晶合金涂层,无晶化相析出,并且非晶涂层的厚度可以通过调节激光工艺参数进行控制。
(2)本发明采用低功率的Nd:YAG脉冲激光器,其额定功率为180W;工艺简单,对于气氛保护环境要求不高,本次工艺在大气环境的气氛下,利用与工作台水平方向成30°角的喷口,对样品进行Ar气保护,并且该喷口与激光束同轴,从而防止在激光处理过程中样品发生氧化。
(3)本发明工艺中的冷却系统简单,将样品放置在导热好的铜模上,利用激光束能量密度高,加工时间短的特点,使样品表面与基体形成大的温度梯度,从而达到高达106~1011K/s的冷却速度,在样品表面形成一定厚度的非晶层;激光表面处理后,样品横断面出现明显的分层结构:非晶层、过渡区和基体,Cu基非晶合金涂层的显微硬度高达800Hv,过渡层的显微硬度为945Hv,高于通过传统非晶制备方法获得的Cu基非晶的显微硬度。
(4)激光器工作台的移动可以通过电脑控制,从而实现三维自动操作,利用CNC2000数控软件进行操作,可以实现大面积激光扫描,生产效率高。
附图说明
图1为本发明的Nd:YAG脉冲激光表面处理制备高硬度Cu基非晶合金涂层工艺示意图;
图2a为本发明中120μm厚的Cu60Zr30Ti10非晶合金涂层的XRD图、
图2b为120μm厚的Cu60Zr30Ti10非晶合金涂层的截面金相照片、
图2c为120μm厚的Cu60Zr30Ti10非晶合金涂层的显微硬度图;
图3a为本发明中185μm厚的Cu60Zr30Ti10非晶合金涂层的XRD图、
图3b为185μm厚的Cu60Zr30Ti10非晶合金涂层的截面金相照片、
图3c为185μm厚的Cu60Zr30Ti10非晶合金涂层的显微硬度图;
图4a为本发明中135μm厚的Cu50Zr10Ti40非晶合金涂层的XRD图、
图4b为135μm厚的Cu50Zr10Ti40非晶合金涂层的截面金相照片、
图4c为135μm厚的Cu50Zr10Ti40非晶合金涂层的显微硬度图;
图5a为本发明中230μm厚的Cu50Zr45Ti5非晶合金涂层的XRD图、
图5b为230μm厚的Cu50Zr45Ti5非晶合金涂层的截面金相照片、
图5c为230μm厚的Cu50Zr45Ti5非晶合金涂层的显微硬度图;
图6a为本发明中130μm厚的Cu65Zr5Ti30非晶合金涂层的XRD图、
图6b为130μm厚的Cu65Zr5Ti30非晶合金涂层的截面金相照片、
图6c为130μm厚的Cu65Zr5Ti30非晶合金涂层的显微硬度图。
具体实施方式
下面通过实例对本发明作进一步的说明,但是本发明不仅限于这些实施例。
实例1:激光表面处理制备120μm厚Cu60Zr30Ti10非晶合金涂层
具体操作步骤如下:
第一步:Cu60Zr30Ti10合金的制备
选择纯度为99.9%的Cu、Zr、Ti元素为原料,按原子百分比配料,将配好的原料放置于真空电弧炉内,抽真空度至5×10-3Pa,充入压力为0.05MPa氩气保护气体;调节电流200A,熔炼4遍后随炉冷却取出即制得均匀的Cu60Zr30Ti10合金。
第二步:样品的制备
将制备好的合金切割成15mm×10mm×2mm的样品,用砂纸、丙酮对表面进行处理,以增加材料表面对激光的吸收率。
第三步:激光处理
将样品放置在工作台的铜模上,调整保护气喷嘴至与样品表面成30°角,并且与激光光束同轴,从而防止在激光处理过程中样品发生氧化。激光工作台的移动通过电脑控制实现三维自动操作,通过Auto CAD以及CNC2000数控软件来控制激光扫描区域的面积。
激光工艺参数为:激光器工作电压为150V,激光扫描速度为1000mm/min,频率为8Hz,脉冲宽度为1ms,光斑尺寸1mm。
采用X射线衍射检测对激光处理前后样品表面进行观察,参见图1(a)所示,激光处理前,Cu60Zr30Ti10合金为晶体组织,经过激光重熔,表面获得了一定厚度的非晶层,基本无晶化相析出。沿垂直于激光扫描方向将样品切开,并对截面进行磨平抛光处理获得光滑截面;然后用FeCl3+HCl腐蚀液对光滑截面进行腐蚀,以利于金相观察。
采用光学显微镜对腐蚀后的截面进行金相观察,参见图1(b)所示,可以看到横断面的组织结构可以分为三层:非晶层、过渡层和基体,表面非晶层的厚度为120μm,过渡层为激光作用的热影响区,晶粒细小。同时,测量了距离表层不同距离处的显微硬度,参见图1(c)所示,非晶表层的硬度要高于基体,平均约800Hv,过渡层处的硬度最高,高达945Hv,基体的平均硬度为706Hv。
实例2:激光表面处理制备185μm厚Cu60Zr30Ti10非晶合金涂层
具体操作步骤如下:
第一步:Cu60Zr30Ti10合金的制备
选择纯度为99.9%的Cu、Zr、Ti元素为原料,按原子百分比配料,将配好的原料放置于真空电弧炉内,抽真空度至5×10-3Pa,充入压力为0.01MPa氩气保护气体;调节电流220A,熔炼5遍后随炉冷却取出即制得均匀的Cu60Zr30Ti10合金。
第二步:样品的制备
将制备好的合金切割成15mm×10mm×2mm的样品,用砂纸、丙酮对表面进行处理,以增加材料表面对激光的吸收率。
第三步:激光处理
将样品放置在工作台的铜模上,调整保护气喷嘴至与样品表面成30°角,并且与激光光束同轴,从而防止在激光处理过程中样品发生氧化。激光工作台的移动通过电脑控制实现三维自动操作,通过Auto CAD以及CNC2000数控软件来控制激光扫描区域的面积。
激光工艺参数为:激光器工作电压为250V,激光扫描速度为1000mm/min,频率为8Hz,脉冲宽度为1ms,光斑尺寸1mm。
采用X射线衍射检测对激光处理前后样品表面进行观察,参见图2(a)所示,激光处理前,Cu60Zr30Ti10合金为晶体组织,经过激光重熔,表面获得了一定厚度的非晶层,有少量晶化相析出。沿垂直于激光扫描方向将样品切开,并对截面进行磨平抛光处理获得光滑截面;然后用FeCl3+HCl腐蚀液对光滑截面进行腐蚀,以利于金相观察。
采用光学显微镜对腐蚀后的截面进行金相观察,参见图2(b)所示,可以看到横断面的组织结构可以分为三层:非晶层、过渡层和基体,表面非晶层的厚度为185μm,过渡层为激光作用的热影响区,晶粒细小。同时,测量了距离表层不同距离处的显微硬度,参见图2(c)所示,非晶表层的硬度要高于基体,平均约734Hv,过渡层处的硬度最高,高达914Hv,基体的平均硬度为627Hv。
对于Cu60Zr30Ti10合金,当激光工作电压从150V增加到250V时,表面非晶层的厚度从120μm增加到185μm。在本次实验中,激光光斑尺寸不变,则激光工作电压与激光功率密度成正比,这表明激光熔凝处理时,表面非晶层的厚度随着激光功率密度的增大而增加。在本发明中,可以通过调节激光工作电压来控制表面非晶层的厚度。
实例3:激光表面处理制备135μm厚Cu50Zr10Ti40非晶合金涂层
具体操作步骤如下:
第一步:Cu50Zr10Ti40合金的制备
选择纯度为99.9%的Cu、Zr、Ti元素为原料,按原子百分比配料,将配好的原料放置于真空电弧炉内,在高纯氩气气氛下反复熔炼,抽真空度至4×10-3Pa,充入压力为0.06MPa氩气保护气体;调节电流250A,熔炼4遍后随炉冷却取出即制得均匀的Cu50Zr10Ti40合金。
第二步:样品的制备
将制备好的合金切割成15mm×10mm×2mm的样品,用砂纸、丙酮对表面进行处理,以增加材料表面对激光的吸收率。
第三步:激光处理
将样品放置在工作台的铜模上,调整保护气喷嘴至与样品表面成30°角,并且与激光光束同轴,从而防止在激光处理过程中样品发生氧化。激光工作台的移动通过电脑控制实现三维自动操作,通过Auto CAD以及CNC2000数控软件来控制激光扫描区域的面积。
激光工艺参数为:激光器工作电压为250V,激光扫描速度为1200mm/min,频率为8Hz,脉冲宽度为1ms,光斑尺寸1mm。
采用X射线衍射检测对激光处理前后样品表面进行观察,参见图3(a)所示,激光处理前,Cu50Zr10Ti40合金为晶体组织,经过激光重熔,表面获得了一定厚度的非晶层。沿垂直于激光扫描方向将样品切开,并对截面进行磨平抛光处理获得光滑截面;然后用FeCl3+HCl腐蚀液对光滑截面进行腐蚀,以利于金相观察。
采用光学显微镜对腐蚀后的截面进行金相观察,参见图3(b)所示,可以看到横断面的组织结构可以分为三层:非晶层、过渡层和基体,表面非晶层的厚度为135μm。同时,测量了距离表层不同距离处的显微硬度,参见图3(c)所示,非晶表层的硬度要高于基体,平均约708Hv,过渡层处的硬度最高,高达880Hv,基体的平均硬度为570Hv。
实例4:激光表面处理制备230μm厚Cu50Zr45Ti5非晶合金涂层
具体操作步骤如下:
第一步:Cu50Zr45Ti5合金的制备
选择纯度为99.9%的Cu、Zr、Ti元素为原料,按原子百分比配料,将配好的原料放置于真空电弧炉内,在高纯氩气气氛下反复熔炼,抽真空度至3×10-3Pa,充入压力为0.04MPa氩气保护气体;调节电流230A,熔炼5遍后随炉冷却取出即制得均匀的Cu50Zr45Ti5合金。
第二步:样品的制备
将制备好的合金切割成15mm×10mm×2mm的样品,用砂纸、丙酮对表面进行处理,以增加材料表面对激光的吸收率。
第三步:激光处理
将样品放置在工作台的铜模上,调整保护气喷嘴至与样品表面成30°角,并且与激光光束同轴,从而防止在激光处理过程中样品发生氧化。激光工作台的移动通过电脑控制实现三维自动操作,通过Auto CAD以及CNC2000数控软件来控制激光扫描区域的面积。
激光工艺参数为:激光器工作电压为200V,激光扫描速度为600mm/min,频率为8Hz,脉冲宽度为1ms,光斑尺寸1mm。
采用X射线衍射检测对激光处理前后样品表面进行观察,参见图4(a)所示,激光处理前,Cu50Zr45Ti5合金为晶体组织,经过激光重熔,表面获得了一定厚度的非晶层。沿垂直于激光扫描方向将样品切开,并对截面进行磨平抛光处理获得光滑截面;然后用FeCl3+HCl腐蚀液对光滑截面进行腐蚀,以利于金相观察。
采用光学显微镜对腐蚀后的截面进行金相观察,参见图4(b)所示,可以看到横断面的组织结构可以分为三层:非晶层、过渡层和基体,表面非晶层的厚度为230μm。同时,测量了距离表层不同距离处的显微硬度,参见图4(c)所示,非晶表层的硬度要高于基体,平均约735Hv,过渡层处的硬度最高,高达866Hv,基体的平均硬度为591Hv。
实例5:激光表面处理制备130μm厚Cu65Zr5Ti30非晶合金涂层
具体操作步骤如下:
第一步:Cu65Zr5Ti30合金的制备
选择纯度为99.9%的Cu、Zr、Ti元素为原料,按原子百分比配料,将配好的原料放置于真空电弧炉内,在高纯氩气气氛下反复熔炼,抽真空度至2×10-3Pa,充入压力为0.05MPa氩气保护气体;调节电流240A,熔炼4遍后随炉冷却取出即制得均匀的Cu65Zr5Ti30合金。
第二步:样品的制备
将制备好的合金切割成15mm×10mm×2mm的样品,用砂纸、丙酮对表面进行处理,以增加材料表面对激光的吸收率。
第三步:激光处理
将样品放置在工作台的铜模上,调整保护气喷嘴至与样品表面成30°角,并且与激光光束同轴,从而防止在激光处理过程中样品发生氧化。激光工作台的移动通过电脑控制实现三维自动操作,通过Auto CAD以及CNC2000数控软件来控制激光扫描区域的面积。
激光工艺参数为:激光器工作电压为200V,激光扫描速度为1000mm/min,频率为8Hz,脉冲宽度为1.5ms,光斑尺寸1mm。
采用X射线衍射检测对激光处理前后样品表面进行观察,参见图6(a)所示,激光处理前,Cu65Zr5Ti30合金为晶体组织,经过激光重熔,表面获得了一定厚度的非晶层。沿垂直于激光扫描方向将样品切开,并对截面进行磨平抛光处理获得光滑截面;然后用FeCl3+HCl腐蚀液对光滑截面进行腐蚀,以利于金相观察。
采用光学显微镜对腐蚀后的截面进行金相观察,参见图6(b)所示,可以看到横断面的组织结构可以分为三层:非晶层、过渡层和基体,表面非晶层的厚度为130μm。同时,测量了距离表层不同距离处的显微硬度,参见图6(c)所示,非晶表层的硬度要高于基体,平均约720Hv,过渡层处的硬度最高,高达864Hv,基体的平均硬度为642Hv。
采用与实施例1-5相同的制备方法,调节激光工艺参数,用下表所列Cu基合金成分以及工艺参数,也获得了不同厚度的Cu基非晶合金涂层,光学显微镜对腐蚀后的截面进行观察,截面组织结构也都分为非晶层、过渡层和基体三层,表面无裂纹产生,并且涂层与基体结合良好。
成分 | 工作电压(V) | 扫描速度(mm/min) | 脉宽(ms) | 频率(Hz) | 光 斑(mm) |
Cu55Zr25Ti20 | 225 | 1000 | 1 | 8 | 1.5 |
Cu60Zr20Ti20 | 175 | 1400 | 2.5 | 8 | 1.5 |
总之,本发明利用激光束能量密度高,加工时间短,可以达到高达106~1011K/s的冷却速度,通过激光表面处理制备性能优异的非晶合金涂层。该方法能够在常温常压下高效率、易控制的在形状复杂的制品表面大面积的形成非晶层,具有快速、可控、环保、低成本的特点。用激光技术进行非晶态研究,促进了非晶态技术的发展,扩大了非晶技术的应用范围,同时也拓宽了激光技术的应用领域。
Claims (6)
1.一种制备Cu基非晶合金涂层的方法,其特征在于步骤如下:
第一步:Cu-Zr-Ti合金的制备:
选择纯度为99. 9%的Cu、Zr、Ti元素为原料,按原子百分比CuxZryTiz且x+y+z=100,其中,50≤x≤65,5≤y≤45,5≤z≤40,配料,将配好的原料放置于真空电弧炉内,抽真空度至1—5×10-3Pa,充入压力为0.04—0.06MPa氩气保护气体;调节电流200~250A,熔炼4—5遍后随炉冷却取出即制得均匀的Cu-Zr-Ti合金;
第二步:样品的制备:
将制备好的合金切割成15mm×10mm×2mm的样品,用砂纸、丙酮对表面进行处理,以增加材料表面对激光的吸收率;
第三步:激光处理:
将样品放置在激光器工作台的铜模上,调整激光器的保护气喷嘴至与样品表面成30°角,并且与激光光束同轴,从而防止在激光处理过程中样品发生氧化,激光器的工艺的参数为:激光器工作电压V为100~250V,频率f为8~14Hz,脉冲宽度为1~3ms,激光扫描速度为400~1200mm/min,光斑尺寸1mm;通过调节激光器的工艺参数,在样品表面在样品横断面出现明显的分层结构:Cu基非晶层、过渡区和基体,从而形成Cu基非晶层。
2.根据权利要求1所述的一种制备Cu基非晶合金涂层的方法,其特征在于:所述的Cu基非晶层的厚度为120μm~230μm。
3.根据权利要求1所述的一种制备非晶合金涂层的方法,其特征在于:Cu基非晶合金涂层的显微硬度高达800Hv。
4.根据权利要求1所述的一种制备非晶合金涂层的方法,其特征在于:所述过渡层的显微硬度为945Hv。
5.根据权利要求1所述的一种制备非晶合金涂层的方法,其特征在于:所述的激光器为Nd:YAG脉冲激光器,其额定功率为180W。
6.根据权利要求1所述的一种制备非晶合金涂层的方法,其特征在于:所述的激光器工作台的移动通过电脑控制激光扫描区域的形状,从而实现三维自动操作。
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Legal Events
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---|---|---|---|
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20110406 Termination date: 20181204 |