CN105154877B - 铜质基体表面激光熔覆工艺 - Google Patents

Abstract

本发明铜质基体表面激光熔覆工艺涉及一种金属表面处理工艺。其目的是为了提供一种熔覆工艺，该熔覆工艺采用特定的熔覆材料和特定的激光参数，从而在铜质基体表面形成的熔覆层组织致密，无裂纹、无气孔，与铜质基体表面形成良好的冶金结合。本发明铜质基体表面激光熔覆工艺包括抛光、除污、激光熔覆和冷却四个步骤，其中激光熔覆步骤采用的耐磨耐高温合金材料成分为：Ni：20％～29％；Fe：18％～28％；C：6～10％；Co：10～23％；B：2.5～4.5％；Si：3.0～5.0％；所述脉冲Nd:YAG激光器工艺参数为：聚焦镜焦距f＝200～250mm；熔覆功率P＝800～1000W；光斑直径D＝2.5～4.0mm；熔覆扫描速率V＝20～45mm/s；搭接率50％。

Description

铜质基体表面激光熔覆工艺

技术领域

本发明涉及一种金属处理材料及处理工艺。

背景技术

激光熔覆技术是对材料表面进行改性的主要方法之一，是利用高能密度的激光束将具有不同成分和性能的合金在基材表面快速熔化，在基体表面形成与基体具有完全不同成分和性能的合金层的快速凝固过程。

铜合金激光熔覆技术具有以下难点：①铜合金的导热性能良好、比热容小、浸湿性能差、表面有坚硬的氧化膜，对光斑的反射率较大，这就使得激光产生的热量在其表面不易停留，不易形成较高的功率密度，不能形成熔池；②铜合金基体与涂层的材料体系之间的性能差别很大，熔覆过程中失效问题较严重；③熔覆层内韧性不足，存在热裂和应力等缺陷。

目前，已经有学者利用二氧化碳激光或半导体激光进行了铜质基体的激光复合熔覆；其中：

如图1所示，二氧化碳激光熔覆技术得到的熔覆层与基体稀释率较高，热影响区很大，造成熔覆层物理特性降低，基体受热变形率很高，有微型砂眼及气孔。

如图2所示，半导体激光熔覆技术得到的熔覆层与基体稀释率虽然比二氧化碳激光的熔覆层低，但热影响区依然很大，造成基体的热变形很大。

总之，目前用于对铜质基体表面进行熔覆的技术还有很多的问题，不能很好满足工业生产的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种熔覆工艺，该熔覆工艺采用特定的熔覆材料和特定的激光参数，从而在铜质基体表面形成的熔覆层组织致密，无裂纹、无气孔，与铜质基体表面形成良好的冶金结合。

本发明一种铜质基体表面激光熔覆工艺，包括如下步骤：

E.抛光；使用抛光设备对铜质基体表面进行抛光处理，使得铜质基体表面光滑有亮泽；

F.除污；使用除污剂对铜质基体表面进行清洗，去除铜质基体表面的油渍和其它污染物；

G.激光熔覆；使用激光同轴送粉器将耐磨耐高温熔覆合金材料送入铜质基体表面，同时采用脉冲Nd:YAG激光器进行逐层激光熔覆；其中，以质量百分比计，所述耐磨耐高温合金材料成分为：Ni：20％～29％；Fe：18％～28％；C：6～10％；Co：10～23％；B：2.5～4.5％；Si：3.0～5.0％；所述脉冲Nd:YAG激光器工艺参数为：聚焦镜焦距f＝200～250mm；熔覆功率P＝800～1000W；光斑直径D＝2.5～4.0mm；熔覆扫描速率V＝20～45mm/s；搭接率50％；

H.冷却；待铜质基体完全冷却，获得边界平直的熔覆层；至此对铜质基体表面进行的熔覆工艺完全结束。

本发明一种铜质基体表面激光熔覆工艺，其中所述抛光设备采用砂纸或者抛光机。

本发明一种铜质基体表面激光熔覆工艺，其中所述除污剂采用丙酮。

本发明一种铜质基体表面激光熔覆工艺，其中所述耐磨耐高温熔覆合金材料的粒度为-150～300目。

本发明一种铜质基体表面激光熔覆工艺，其中在激光熔覆环节，在铜质基体表面形成的熔覆层厚度介于0.1～2.5mm之间。

本发明一种铜质基体表面激光熔覆工艺，其中在激光熔覆环节，所述脉冲Nd:YAG激光器工艺参数为：聚焦镜焦距f＝250mm；熔覆功率P＝870W；光斑直径D＝3mm；熔覆扫描速率V＝35mm/s；搭接率50％。

本发明一种铜质基体表面激光熔覆工艺包括抛光、除污、激光熔覆、冷却四个步骤；其中抛光、除污环节对铜质基体表面进行初步处理，为激光熔覆环节提供了良好的熔覆环境。在激光熔覆环节采用了特定激光熔覆材料和特定激光参数，其中：(一)特定激光熔覆材料中的Ni能够高度磨光和抗腐蚀，可以提高机械强度；C元素可以保证熔覆层具有足够的强度，同时使合金具有良好的韧性和焊接性；B元素可以降低合金材料的熔点，增添合金材料流动性，同时B元素与氧的亲和力比金属成分与氧的亲和力大，融化时与氧生成氧化硼，融化后浮在熔覆层表面，冷却后形成无孔的熔覆层，从而达到熔覆层组织致密，无裂纹、无气孔的效果；Si元素能增强熔覆层的抗张力、弹性、耐酸性和耐热性、耐腐蚀性，可以使熔覆层的电阻系数增大；Fe元素具备良好的耐磨性和耐蚀性，且其价格较低，有利于降低熔覆成本。总而言之，使用耐磨耐高温熔覆合金材料在铜质基体表面形成的熔覆层组织致密，无裂纹、气孔，与铜质基体表面形成良好的冶金结合，且形成的熔覆层硬度大、耐磨性能较好，符合工业生产的需求。(二)特定参数下的脉冲Nd:YAG激光器进行逐层激光熔覆，该特定参数下的脉冲Nd:YAG激光器带来了如下效果：①该特定参数下的脉冲式YAG固体激光器的所产生的脉冲功率高，不仅能瞬间形成熔池，而且只产生较小的热影响区，从而使熔覆基体只产生微小的变形；②该特定参数下的脉冲式YAG固体激光器光斑功率密度高、熔池形成时间短，熔覆层稀释率极低，使得熔覆层能具有较好的表面改性性能；③该特定参数下的脉冲式YAG固体激光器熔池结晶快，熔覆层致密度极高，熔覆层耐磨度更高；④该特定参数下的脉冲YAG固体激光器波长仅为CO2激光器输出激光波长的1/10，适用于对高反射率的铜质基体材料表面熔覆，熔覆效率高。总而言之，使用本发明一种铜质基体表面激光熔覆工艺对铜质基体表面熔覆作业保证了铜质基体不受损，提高了熔覆作业的效率。

下面结合附图对本发明铜质基体表面激光熔覆工艺作进一步说明。

附图说明

图1为现有二氧化碳激光复合熔覆晶相图；

图2为现有半导体激光复合熔覆晶相图；

图3为熔覆层的横截面的金相图；

图4为熔覆层的线扫描分析；

图5为熔覆层的显微硬度曲线分布图；

图6为熔覆层和铜质基体的摩擦系数随时间变化曲线；

图7为铜质基体的磨痕截面形貌；

图8为熔覆层的磨痕截面形貌；

图9为熔覆层和铜质基体的磨痕体积柱状图；

图10为熔覆层与铜质基体为配副，随温度变化摩擦因数的曲线图。

具体实施方式

(一)铜质基体表面激光熔覆工艺

本发明一种铜质基体表面激光熔覆工艺，包括如下步骤：

A.抛光；使用砂纸或者抛光机等抛光设备对铜质基体表面进行抛光处理，使得铜质基体表面光滑有亮泽；

B.除污；使用除污剂丙酮对铜质基体表面进行清洗，去除铜质基体表面的油渍和其它污染物；

C.激光熔覆；使用激光同轴送粉器将粒度为-150～300目的熔覆合金材料送入铜质基体表面，同时采用脉冲Nd:YAG激光器进行逐层激光熔覆，形成的熔覆层厚度介于0.1～2.5mm之间；其中，以质量百分比计，所述耐磨耐高温合金材料成分为：Ni：20％～29％；Fe：18％～28％；C：6～10％；Co：10～23％；B：2.5～4.5％；Si：3.0～5.0％；所述脉冲Nd:YAG激光器工艺参数为：聚焦镜焦距f＝200～250mm；熔覆功率P＝800～1000W；光斑直径D＝2.5～4.0mm；熔覆扫描速率V＝20～45mm/s；搭接率50％；

D.冷却；待铜质基体完全冷却，获得边界平直的熔覆层；至此对铜质基体表面进行的熔覆工艺完全结束。

本发明采用的耐磨耐高温合金材料中各元素含量的确定基于如下原因：

Ni：镍是硬而有延展性并具有铁磁性的金属元素，它能够高度磨光和抗腐蚀。在合金中加入镍，可以提高机械强度。在合金中加入20％～29％的镍，抗拉强度增加了4-6倍。

Fe：铁存在很好的耐磨性和必定的耐蚀性，因其价廉而被广泛使用，其硬度范畴由含铬量与含碳量而定，含量确定为小于18％～28％。

Co：熔点1493℃、比重8.9，比较硬而脆，在硬度、抗拉强度、机械加工性能、热力学性质、的电化学行为方面与铁和镍相类似。合金中含有一定量钴可以显著地提高合金的耐高温、耐磨性和切削性能。

C：碳对合金组织及性能有重要影响，随着碳含量增加，合金初熔温度逐渐降低；初生碳化物含量逐渐增加；经大量试验，6～10％的碳含量使合金高周疲劳寿命减低，蠕变寿命降低，对拉伸性有一定的影响。同时，碳是提高合金强度的主要元素，6～10％的碳含量可以保证获得足够的强度，同时使合金具有良好的韧性和焊接性。

B：在合金粉末中加入1.5％以上的硼元素形成超合金。2.5～4.5％硼为最佳经济含量。加入硼后可下降熔点，增添流动性，同时硼与氧的亲和力比金属成分与氧的亲协力大，融化时与氧生成氧化硼，融化后浮在熔覆层表面，冷却后形成无孔的熔覆层，金属成分则与基体表面形成冶金结合层。

Si：腐蚀电位较高的情况下，依赖于铬元素保护的合金就会进入过钝化态，此时富含铬元素的钝化膜难以为继，硅元素在此情况下会提供更大的保护，此时硅元素会呗促进生产更为稳定的氧化硅拟态钝化膜。在合金中加入3.0～5.0％的硅，能增强合金的抗张力、弹性、耐酸性和耐热性、耐腐蚀性，可以使合金的电阻系数增大，同时又是合金的有效脱氧剂。

(二)效果验证

为了验证使用本发明带来的效果，本阶段首先配取了三种配比下的耐磨耐高温熔覆合金材料，其中各配比情况见下表中的实施例一、实施例二和实施例三：

然后按照本发明铜质基体表面激光熔覆工艺，分别制得熔覆有实施例一、实施例二、实施例三配比下耐磨耐高温熔覆合金材料的三种样品。

下面分别对制得的三种熔覆层做不同的性能检测。

物相分析

随机从所制得的样品中抽取多个作为试品，利用DX-2700X摄像衍射仪对各试品的激光熔覆层进行物像分析，均得到如图3所示的熔覆层横截面金相图。

由图3可知，上面部分为熔覆层，下面为铜质基体，熔覆层与铜质基体有明显的界面。在界面处，基体与熔覆层呈冶金结合，熔覆层厚度约为0.8mm，熔覆层内无气孔和裂纹，熔覆层内部质量良好。

图4为熔覆层的SEM图，显示了熔覆层与铜质基体界面的结合情况。其中竖线显示了线扫描的位置和方向。由图可以看出，各元素在整个熔覆层分布均匀。

硬度分析

采用HVS-1000型数字显微硬度计对样品的熔覆层进行维氏硬度测量，加载载荷为200g，加载时间为10s，测量5次后取平均值。从激光熔覆层表面垂直向下，每隔0.1mm的距离进行测量，同一垂直距离上沿横向测量三个点，三个点的间隔均为0.2mm，然后取三个点的平均值作为该垂直距离上的维氏硬度值，据此做出如图5所示的试品熔覆层沿厚度方向上的维氏硬度曲线。

由图5可知，从显微硬度曲线中可以看出，最高硬度出现在次表层，其最高硬度为997HV，熔覆层平均硬度为906HV，而铜质基体的硬度仅为145HV。与铜质基体相比较，熔覆层的硬度提高了4～5倍，这也就意味着本发明制得的熔覆层对外接物体入侵的局部抵抗能力较强。在实际熔覆过程中，考虑到熔覆层在铜基体表面的附着力问题，熔覆层厚度应不低于0.5mm；而考虑到成本的问题，熔覆层厚度也不应超过2.5mm。

耐磨性分析

随机从所制得的样品中抽取多个作为有熔覆层试品，另外选取多个无熔覆层的铜质基体作为对比试品。

1.摩擦系数对比

图6为熔覆层及铜质基体的摩擦系数随时间变化的曲线。从曲线中可以看出，铜质基体的最大摩擦系数为0.8027，平均摩擦系数为0.614；熔覆层的最大摩擦系数为0.496，平均摩擦系数为0.45，摩擦系数由小变大。从整个摩擦过程中来看，熔覆层的摩擦运行比较平稳，最终的摩擦系数也在0.46左右波动。

2.磨损量对比

采用MFT-R4000高速往复摩擦磨损试验机对有熔覆层的试品以及无熔覆层试品进行了表面耐磨性的测试，试验结束后，用丙酮清洗试验，干燥后进行摩擦量的测试。

摩擦磨损量是通过NanoMap500LS扫描三维表面轮廓仪测量而得，它的原理是通过扫描探针对试品的磨痕截面进行扫描后，然后用SPIP5.13软件进行分析。每个试样扫描5次，从而测定出磨痕的平均横截面积，再乘以磨痕长度即得磨痕体积；其中图7、图8分别为熔覆层和铜质基体的磨痕截面形貌；如图9所示为熔覆层和铜质基体的磨痕体积柱状图。

由图7、图8可知，铜质基体试样的磨痕深度约为65μm左右，宽度为1600μm左右；而熔覆层的磨痕深度约为52μm左右，宽度为1200μm左右。在相同的试验条件下，熔覆层的磨痕、磨宽均小于铜质基体。

由图9可知，熔覆层的磨痕体积明显小于铜质基体的磨痕体积。也就意味着，使用本发明铜质基体表面激光熔覆工艺对铜质基体表面进行激光熔覆有利于提高产品的耐磨性，延长了产品的寿命。

耐高温性能分析

随机从所制得的样品中抽取多个作为有熔覆层试品，另外选取多个无熔覆层的铜质基体作为对比试品。

图10是相同摩擦条件下，熔覆层试品与铜质基体为配副，摩擦因数在不同温度下的变化曲线。由图可知，①从数值上来讲，熔覆层的摩擦因数始终小于铜质基体的摩擦因数，且相差幅度较大；②从趋势上来讲，随着试验温度的升高，铜质基体的摩擦因数先升高后降低，且波动幅度较大；熔覆层的摩擦因数呈逐渐降低趋势，但波动幅度较小。总之，熔覆层的摩擦因数受温度变化的影响不大，其耐高温性能远远优于铜质基体。

综上所述，使用本发明对铜质基体表面熔覆所得熔覆层组织致密，无裂纹、无气孔，与铜质基体表面形成良好的冶金结合。另外使用本发明对铜质基体表面熔覆所得熔覆层提高了铜质基体的硬度及耐磨性，提高了铜质基体对外接物体入侵的局部抵抗能力，延长了铜质基体产品的使用寿命。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种铜质基体表面激光熔覆工艺，包括如下步骤：

A.抛光；使用抛光设备对铜质基体表面进行抛光处理，使得铜质基体表面光滑有亮泽；

B.除污；使用除污剂对铜质基体表面进行清洗，去除铜质基体表面的油渍和其它污染物；

C.激光熔覆；使用激光同轴送粉器将耐磨耐高温熔覆合金材料送入铜质基体表面，同时采用脉冲Nd:YAG激光器进行逐层激光熔覆；其中，以质量百分比计，所述耐磨耐高温熔覆合金材料成分为：Ni：20％～29％；Fe：18％～28％；C：6～10％；Co：10～23％；B：2.5～4.5％；Si：3.0～5.0％；所述脉冲Nd:YAG激光器工艺参数为：聚焦镜焦距f＝200～250mm；熔覆功率P＝800～1000W；光斑直径D＝2.5～4.0mm；熔覆扫描速率V＝20～45mm/s；搭接率50％；

D.冷却；待铜质基体完全冷却，获得边界平直的熔覆层；至此对铜质基体表面进行的熔覆工艺完全结束。

2.根据权利要求1所述的一种铜质基体表面激光熔覆工艺，其特征在于：所述抛光设备采用砂纸或者抛光机。

3.根据权利要求1所述的一种铜质基体表面激光熔覆工艺，其特征在于：所述除污剂采用丙酮。

4.根据权利要求1所述的一种铜质基体表面激光熔覆工艺，其特征在于：所述耐磨耐高温熔覆合金材料的粒度为-150～300目。

5.根据权利要求1所述的一种铜质基体表面激光熔覆工艺，其特征在于：在激光熔覆环节，在铜质基体表面形成的熔覆层厚度介于0.1～2.5mm之间。

6.根据权利要求1所述的一种铜质基体表面激光熔覆工艺，其特征在于：在激光熔覆环节，所述脉冲Nd:YAG激光器工艺参数为：聚焦镜焦距f＝230mm；熔覆功率P＝870W；光斑直径D＝3mm；熔覆扫描速率V＝35mm/s；搭接率50％。