CN106498386A - 一种激光熔覆铜表面复合涂层及其制备方法 - Google Patents

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庄乔乔
张培磊
聂云鹏
李雷
刘晓鹏
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides

Abstract

本发明属于材料表面工程领域，特别涉及一种激光熔覆铜表面复合涂层及其制备方法，该纯铜基体表面复合有熔覆层，该熔覆层材料的复合相为三元金属硅化物MoNiSi、二元金属硅化物Ni2Si及铜基固溶体组成，该熔覆层材料的化学成分Si为20‑40at％，Mo为20‑40at％，余量为Ni。通过本制备方法得到的基体表面的复合涂层组织细小均匀，无明显的气孔和裂纹，与基体材料之间完全冶金结合，熔覆层厚度达到0.8‑1.6mm，其与金属基体表面的粘结力强，不易脱落。所述复合涂层材料具有较高的硬度，其硬度达到1284HV，耐磨性比不锈钢提高了2倍。

Description

一种激光熔覆铜表面复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于材料表面工程领域，特别涉及一种激光熔覆铜表面复合涂层及其制备方法。
背景技术
激光熔覆技术是通过在基材的表面添加熔覆材料，利用高能密度激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，与基体形成冶金结合的熔覆涂层的一种新型表面改性技术。它通过采用“涂层+基体”模式，在低成本基体上制备耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、隔热、绝缘、热辐射、抗辐射、导电和生物功能等多种特性的表面强化层，既可形成几微米至几毫米厚且比较均匀的强化涂层，又可使强化涂层与被强化材料之间实现冶金结合，可以有针对性地提高材料的相关表面性能，是一种应用前景广阔的有效强化手段。与常规热处理相比，激光熔覆能够进行局部处理，而且具有工件变形小、冷却速度快、工作效率高、合金元素消耗少、不需要淬火介质、清洁无污染、易于实现自动化等优点，具有很好的发展前景。
目前电力行业使用的导电材料或是散热材料为纯铜，但是纯铜比较软，在使用时会在其表面涂覆一层耐磨的涂覆层，但是现有技术中的纯铜材料在高温条件下涂覆层的硬度不高，耐磨性差，影响其使用寿命。
纯铜表面热喷涂制备的涂层与基体结合强度不高，存在较多孔隙，工艺较难控制，工艺成本较高，而且污染较严重；采用冷喷涂制备的涂层与基体为机械结合，结合强度较低，工艺较复杂等；而采用热化学反应法制备的涂层与基体结合强度不高，涂层不够致密等。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光熔覆铜表面复合涂层，是在纯铜的表面制备三元金属硅化物MoNiSi、二元金属硅化物Ni2Si涂层，显著提高了零件的高温耐磨性，延长了其使用寿命。
本发明的另一个目的是提供上述激光熔覆铜表面复合涂层的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种激光熔覆铜表面复合涂层，其特征在于：在纯铜基体表面复合有熔覆层，该熔覆层材料的复合相为三元金属硅化物MoNiSi和二元金属硅化物Ni2Si组成，该熔覆层材料的化学成分Si为20-40at％，Mo为20-40at％，余量为Ni。
所述熔覆层厚度为0.8-1.6mm。
上述激光熔覆铜表面复合涂层的制备方法，其步骤包括，
(1)将粒径为100-300目的Si、Mo及Ni三种单元素粉末球磨混合1-3小时，形成复合粉末；然后用二丙酮醇将粉末调至粘糊状；
(2)将步骤(1)中的粘糊状粉磨均匀预置在基体表面，自然风干，然后在150-200℃条件下干燥2-3小时，形成厚度为0.8-1.6mm的涂覆层；
(3)采用激光熔覆技术，激光束垂直于步骤(2)中的基体表面扫描，扫描过程中侧向吹送惰性气体保护，气流量为15-25L/min，激光功率为2500-3500W，扫描速度为600-1000mm/min，离焦量为25-65mm。
优选的，该惰性气体为氩气。
所述步骤(1)中，Si、Mo及Ni三种单元素粉末的配比为，Mo为20-26at％，Si为34-40at％，Ni为33-40at％。
进一步优选的，步骤(1)中，Si、Mo及Ni三种单元素粉末的配比为，Mo为20at％，Si为40at％，Ni为40at％。Mo、Si元素的添加使得涂层具有较高的硬度，添加一定的Ni元素可以使之与Mo、Si形成韧性相，改善涂层的组织。
所述步骤(2)中，干燥后的纯铜基体表面的涂覆层的厚度为0.8-1.6mm。涂覆层的厚度决定了形成涂层质量。二丙酮醇为有机粘结剂，在激光加工过程中要燃烧，汽化。若涂覆层太厚容易引起熔覆层气孔、裂纹等缺陷；涂覆层太薄制备的熔覆层可能因为太薄而无实际应用价值。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)通过本制备方法得到的基体表面的复合涂层组织细小均匀，无明显的气孔和裂纹，与基体材料之间完全冶金结合，熔覆层厚度达到0.8-1.6mm，其与金属基体表面的粘结力强，不易脱落。
(2)本发明制备的复合涂层材料具有较高的硬度，其硬度达到1284HV，耐磨性比不锈钢基体提高了2倍，熔覆层组织主要由三元金属硅化物MoNiSi和二元金属硅化物Ni2Si及Cu基固溶体组成，实现零件的表面改性或修复。
(3)本制备方法简单、工艺可控度高。
附图说明
图1为实施例1中的制得的复合涂层的形貌图。
图2为实施例1中的制得的复合涂层的SEM图。
图3为实施例1中的制得的复合涂层组织的SEM图。
图4为实施例1和实施例2中的复合涂层及不锈钢的摩擦系数曲线对比图。
图5为实施例1的复合涂层的XRD图。
图6为实施例2中的制得的复合涂层组织的SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步说明：
实施例1
(1)、将Si、Mo和Ni三种粒径为200目的单元素粉末，三种粉末的纯度均大于或等于99.5％。按照原子个数百分比计为：40％Si、20％Mo、40％Ni的比例称取，然后在球磨机中进行粉末混合1.5小时，得到均匀的混合粉体；
(2)、将纯铜基体，尺寸为：50mm×50mm×8mm，表面进行清理、打磨，并擦净，吹干、备用；
(3)、称取步骤(1)中的混合粉体15g，加入适量的二丙酮醇溶液，将粉末调至粘稠状，预置在步骤(2)中的基体表面形成涂覆层并自然风干，在干燥箱内烘干2小时，干燥温度为190℃，其涂覆层的厚度为1.5mm。
(4)、采用激光熔覆技术，将激光束对步骤(3)中的基体表面进行处理，制备得到复合涂层材料，工艺参数为：激光束垂直于工件表面扫描，过程中侧向吹送氩气保护，气流量为20L/min，激光功率为3500W，扫描速度为600mm/min，离焦量为40mm。
熔覆层组织细小均匀，无明显的气孔和裂纹，与基体结合良好，如图1所示。
图2和图3为复合涂层的SEM图，结合图5中XRD分析结果可以发现涂层主要由枝晶状的三元金属硅化物MoNiSi和二元金属硅化物Ni2Si及铜基固溶体组成。
本实施例的复合涂层的EDS分析图下表所示，其结果如下表所示：
表1：图2组织的EDS分析结果表
Element Wt％ At％
SiK 22.17 38.26
MoL 3.27 1.65
NiK 51.48 42.49
CuK 23.08 17.6
Matrix Correction ZAF
表2：图3组织的EDS分析结果表
Element Wt％ At％
SiK 16.13 34.4
MoL 50.07 31.26
NiK 31.86 32.51
CuK 1.94 1.83
Matrix Correction ZAF
对所制备的复合涂层材料进行摩擦磨损测试，试验的条件和参数为：电机频率为15Hz，载荷为30N，摩擦半径4mm，摩擦时间为60min。摩擦系数曲线如图4所示。
本实施案例熔覆层组织细小均匀，无明显的气孔和裂纹，与基体形成良好的冶金结合。三元金属硅化物MoNiSi在保持单相二元金属硅化物固有的高强度、高硬度和很强的原子间结合力的同时,具有更好的韧性。涂层具有较高的硬度，摩擦系数是不锈钢的2倍，具有很好的耐摩擦磨损性能。
实施例2
(1)、将Si、W和Ni三种粒径为150目的单元素粉末，三种粉末的纯度均大于或等于99.5％。按照原子个数百分比计为：30％Si、30％Mo、40％Ni的比例称取，然后在球磨机中进行粉末混合1小时，得到均匀的混合粉体；
(2)、将纯铜基体表面进行清理、打磨，并擦净，吹干、备用；
(3)、称取步骤(1)中的混合粉体15g，加入适量的二丙酮醇溶液，将粉末调至粘稠状，预置在步骤(2)中的基体表面形成涂覆层并自然风干，在干燥箱内烘干1.5小时，干燥温度为150℃，其涂覆层的厚度为1.2mm。
(4)、采用激光熔覆技术，将激光束对步骤(3)中的基体表面进行处理，制备得到耐磨激光熔覆层材料，工艺参数为：激光束垂直于工件表面扫描，过程中侧向吹送氩气保护，气流量为20L/min，激光功率为3500W，扫描速度为800mm/min，离焦量为35mm。
图2为本实施例的复合涂层的SEM图，表3为复合涂层的EDS分析结果如下表所示：
表3：EDS分析结果表
Element Wt％ At％
SiK 12.53 27.95
MoL 50.84 33.2
NiK 33.73 35.99
CuK 2.9 2.86
Matrix Correction ZAF
对所制备的耐磨激光熔覆层材料进行摩擦磨损测试，试验的条件和参数为：电机频率为15Hz，载荷为30N，摩擦半径4mm，摩擦时间为60min。摩擦系数曲线如图4所示。
综上所述，本实施例制备的复合涂层材料具有非常高硬度、优异的高温耐磨性，对于纯铜材料的表面改性效果极为显著。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种激光熔覆铜表面复合涂层，其特征在于：在纯铜基体表面复合有熔覆层，该熔覆层材料的复合相为三元金属硅化物MoNiSi、二元金属硅化物Ni2Si及铜基固溶体组成，该熔覆层材料的化学成分Si为20-40at％，Mo为20-40at％，余量为Ni。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆铜表面复合涂层，其特征在于：所述熔覆层厚度为0.8-1.6mm。
3.权利要求1或2所述的激光熔覆铜表面复合涂层的制备方法，其步骤包括，
(1)将粒径为100-300目的Si、Mo及Ni三种单元素粉末球磨混合1-3小时，形成复合粉末；然后用二丙酮醇将粉末调至粘糊状；
(2)将步骤(1)中的粘糊状粉磨均匀预置在基体表面，自然风干，然后在150-200℃条件下干燥2-3小时，形成厚度为0.8-1.6mm的涂覆层；
(3)采用激光熔覆技术，激光束垂直于步骤(2)中的基体表面扫描，扫描过程中侧向吹送惰性气体保护，气流量为15-25L/min，激光功率为2500-3500W，扫描速度为600-1000mm/min，离焦量为25-65mm。
4.根据权利要求3所述的激光熔覆铜表面复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，Si、Mo及Ni三种单元素粉末的配比为，Mo为20-26at％，Si为34-40at％，Ni为33-40at％。
5.根据权利要求4所述的激光熔覆铜表面复合涂层的制备方法，其特征在于，Si、Mo及Ni三种单元素粉末的配比为，Mo为20at％，Si为40at％，Ni为40at％。
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