CN109252118B

CN109252118B - 一种Cu-Cr合金表面纳米结构的制备方法

Info

Publication number: CN109252118B
Application number: CN201811267439.5A
Authority: CN
Inventors: 虞钢; 张犁天; 郑彩云; 何秀丽; 李少霞; 宁伟健
Original assignee: Institute of Mechanics of CAS
Current assignee: Institute of Mechanics of CAS
Priority date: 2018-10-29
Filing date: 2018-10-29
Publication date: 2019-10-01
Anticipated expiration: 2038-10-29
Also published as: CN109252118A

Abstract

本发明提供一种Cu‑Cr合金表面纳米结构的制备方法，包括如下步骤：选取Cr粒子尺寸在70～150um的Cu‑Cr合金基材，对其表面进行打磨和清洁；然后放置工作台上；设置激光原位设备的表面处理工艺参数，同时将激光光斑尺寸设定为20～100μm，然后对Cu‑Cr合金基材工作面进行激光表面自动处理；打开红外测温仪，测量激光处理Cu‑Cr合金基材表面时表面的温度，并通过控温夹具将Cu‑Cr合金基材表面温度控制在300～1000K之间。本发明采用与Cr粒子同径大小的激光光斑，当施加在合金表面时，会导致照射点迅速升温，而Cu的高热导可以产生极大的冷却速度，这使得熔池内部的过冷度高达150～300K，极大地降低了Cr颗粒的临界形核半径，从而在Cu‑Cr合金基材的表面形成一层具有纳米结构的细化层。

Description

一种Cu-Cr合金表面纳米结构的制备方法

技术领域

本发明涉及激光表面处理技术，尤其涉一种用于真空灭弧室的Cu-Cr合金表面纳米化的方法。

背景技术

Cu-Cr合金中第二相Cr粒子的尺寸大小及其分布对其电性能有重要的影响，首先，电击穿总是首先发生在介电强度较低的Cr相上，随着基体中Cr相粒子平均尺寸细化，合金的截断电流减小，绝缘强度增高。其次，电弧阴极斑点的直径大约只有几个微米，只有当Cr相粒子尺寸小于阴极斑点尺寸时，阴极斑点的弧根才不会固定于某一局部位置，而在整个合金表面随机跳跃，合金表面局部过热点温度下降，材料表面蒸发减少。因此，如果将Cr相粒子尺寸细化到纳米量级，其综合性能将大幅度提高，进而全面提高合金的电性能指标，增强真空灭弧室的安全性与使用寿命。

目前，要获得超细的纳米晶Cu-Cr合金十分困难，传统工艺在初始阶段只能制备出细晶Cu-Cr合金，其中的Cr相粒子直径为50～180μm，随着电弧熔炼技术的发展，Cr相粒子直径达到20～30μm。

用于制备细晶Cu-Cr合金的方法主要有：球磨法、雾化法、低真空等离子喷涂法等。球磨法虽然在技术上和成本上均具有竞争优势，但是，制备出的细晶Cu-Cr致密度低、氧含量高。雾化法由于冷却速度极快，雾化颗粒内可以达到纳米晶组织，但是生产效率很低。等离子喷涂法仅可用来制备细晶Cu-Cr涂层，但该工艺具有容易改变涂层合金成分、工艺复杂，不易大量推广。

综上所述，制备超细的纳米晶Cu-Cr材料，其晶粒尺寸、氧含量和致密度控制等是主要问题。在实际工作环境中，电合金材料的失效大多发生在材料表面，因此将Cu-Cr合金表层的Cr相颗粒尺寸进行纳米化，而基体仍然保持原有的粗晶特性，就可以大幅度提高其综合性能

发明内容

本发明的目的是提供一种用于制作真空灭弧室中由Cu-Cr合金基材制成零件的表面层纳米化制备方法。

特别地，本发明提供一种Cu-Cr合金表面纳米结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤100，选取Cr粒子尺寸在70～150um的Cu-Cr合金基材，对其表面进行打磨和清洁；

步骤200，将处理后的Cu-Cr合金基材放置在氧含量可控的惰性气氛保护仓内并由激光原位设备的控温夹具限定在其工作台上；

步骤300，设置激光原位设备的表面处理工艺参数，同时将激光光斑尺寸设定为20～100μm，然后对Cu-Cr合金基材工作面进行激光表面自动处理；

步骤400，打开红外测温仪，测量激光处理Cu-Cr合金基材表面时表面的温度，并通过控温夹具将Cu-Cr合金基材表面温度控制在300～1000K之间。

在本发明的一个实施方式中，所述激光原位设备的表面处理工艺参数的功率密度：10⁷～10⁹W/cm²，波长：1.064μm，扫描速度：1～10m/min，搭接率：20～60％。

在本发明的一个实施方式中，所述Cu-Cr合金基材表面产生的熔池的过冷度控制在150～300K，每个熔池的存在时间低于10^-5～10^-4s；

在本发明的一个实施方式中，所述的氧含量可控惰性气氛中的氧含量在0.5～500ppm之间。

在本发明的一个实施方式中，所述Cu-Cr合金基材中Cr的质量百分数为20～40％。

在本发明的一个实施方式中，所述Cu-Cr合金基材中还含有钨、钼、铁、锆或镍中的任意一种或两种。

在本发明的一个实施方式中，所述Cu-Cr合金基材中钨、钼、铁、锆、镍的质量百分比含量≤1.5％。

在本发明的一个实施方式中，所述Cu-Cr合金基材表面利用丙酮清洗剂进行清洗处理，避免出现影响激光处理的污渍。

本发明采用与Cr粒子同径大小的激光光斑，在Cu-Cr合金基材的表面形成一层具有纳米结构的细化层，均匀性高且其中的Cr相显微组织粒径位于10～200nm，并且Cr相在Cu元素中的固溶度大幅提升。大大提高了Cu-Cr合金基材的力学和电学性能，本发明的方法获得的Cu-Cr合金的表面硬度、击穿电压和电导率均明显增加，并且最大截流值也明显降低，在电合金材料的应用上具有更良好的效果。本实施方式仅控制激光光斑的大小来达到目的，设备投资少，操作简单，易于实现工业化。

本实施方式利用激光表面纳米化Cu-Cr合金技术，通过调节激光的高功率密度及输入功率，使激光特别适用于材料表面局部的加热以及进行表面的快速熔化，加快元素的混合及随后的快速凝固。当高功率密度激光施加在合金表面时，会导致照射点迅速升温，而Cu的高热导可以产生极大的冷却速度，这使得熔池内部的过冷度高达150～300K，极大地降低了Cr颗粒的临界形核半径，达到纳米量级。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的Cu-Cr合金基材表面层纳米结构制备方法的流程示意图；

图2是本发明一个实施方式中经过处理后的Cu-Cr合金基材表面层的组织形貌。

具体实施方式

如图1所示，本发明一个实施方式公开一种Cu-Cr合金表面纳米结构的制备方法，一般性地包括如下步骤：

选择的Cu-Cr合金基材中Cr的质量百分数为20～40％。打磨是以Cu-Cr合金基材表面产生相应的粗糙度，该过程的粗糙度可达到1～2μm。清洁是为清理Cu-Cr合金基材表面，避免杂质或油污影响激光扫描时的熔覆效果，具体方式可通过丙醇或无水酒精进行清洗后烘干处理。

步骤200，将处理后的Cu-Cr合金基材放置在惰性气体保护仓内的工作台上，且工作台位于激光原位设备的工作区内；

Cu-Cr合金基材可通过常规的控温夹具夹持后放置工作台上(夹具可为工作台的一部分)；放置在惰性气体保护仓内可避免Cu-Cr合金基材表面氧化；其中氧含量可控惰性气氛中的氧含量在0.5～500ppm之间，优选惰性气体中氧和氮的含量小于50ppm。

控温夹具可通过设置在内部的水冷系统对Cu-Cr合金基材进行降温，同时由于本方案对扫描速度和温度的设定，使得每一个熔池快速产生和消失，其产生的热量不及向四周扩散，在这个状态下，本方案通过水冷和激光扫描条件的配合可使熔池的过冷度达到150～300K。

Cu-Cr合金基材可通过常规的控温夹具夹持后放置工作台上(控温夹具可为工作台的一部分)；放置在惰性气体保护仓内可避免Cu-Cr合金基材表面氧化；其中惰性气体中氧含量在0.5～500ppm之间，优选氧和氮的含量小于50ppm。

将激光光斑直径设置为20～100μm后，与基体中Cr粒子尺寸相当，即单个熔池的宽度约等于单个Cr粒子，能够使单个Cr粒子迅速均匀的熔化形成纳米量级的颗粒，同时由于升温快可迅速满足融化条件，因此可减少熔池的加热时间，进而减少了熔池的对流过程。

该状态下，Cr粒子的运动主要由布朗运动主导，布朗运动主导了Cr粒子液滴的无序运动，纳米尺度的Cr粒子悬浮在合金熔体中时，受到Cu原子核及其它纳米颗粒的不停撞击，这些撞击使Cr粒子不断改变运动方向和速度。同时，由于熔池存在时间过短，一般存在时间低于10-⁵～10-⁴s，使得熔池组元的扩散、碰撞过程不充分，导致富Cr纳米颗粒的长大速度降低，最后形成Cu-Cr合金基材表面层纳米级结构。

处理时的激光原位设备的表面处理工艺参数可以为：功率密度：10⁷～10⁹W/cm²，波长：1.064μm，扫描速度：1～10m/min，搭接率：20～60％。

通过对温度的控制，可以在满足Cr粒子融化的同时，加快熔池的冷却速度，为降低Cr粒子的长大速度提供支持。

本实施方式的方法采用与Cr粒子同径大小的激光光斑，在Cu-Cr合金基材的表面形成一层具有纳米结构的细化层，均匀性高且其中的Cr相显微组织粒径位于10～200nm，并且Cr相在Cu元素中的固溶度大幅提升。大大提高了Cu-Cr合金基材的力学和电学性能，本发明的方法获得的Cu-Cr合金的表面硬度、击穿电压和电导率均明显增加，并且最大截流值也明显降低，在电合金材料的应用上具有更良好的效果。本实施方式仅控制激光光斑的大小来达到目的，设备投资少，操作简单，易于实现工业化。

在激光熔凝过程中，熔池一直处在惰性气氛保护下,可防止熔池的吸氧和合金的氧化。因此，激光改性对于要求有细小均匀的显微组织的Cu-Cr合金基材材料具有极大潜力。

在本发明的一个实施方式中，该Cu-Cr合金基材中还可含有钨、钼、铁、锆或镍中的任意一种或两种。且Cu-Cr合金基材中钨、钼、铁、锆、镍的质量百分比含量≤1.5％。

以下以具体的数值对本发明的实施过程进行进一步说明。

实施例一

1.准备表面洁净的熔渗法制备的Cu-Cr合金基材制成的零件，其中Cr粒子尺寸范围在50～100μm之间，Cr重量含量百分比约为20％；

2.将零件放置于氧含量可控的Ar气氛(含氧量≤50ppm)内，再放置于带水冷的控温夹具内；

3.设置激光表面处理工艺参数，主要工艺参数包括：功率密度6×10⁸W/cm²，光斑直径80μm，扫描速度8000mm/min，搭接率50％。启动激光原位设备系统，对零件工作面进行激光表面自动处理；

4.打开红外测温仪，测量温度，测试出温度1076K。

5.经激光表面处理后，通过熔铸法制备的Cu-Cr合金基材零件的剖面利用显微组织可以看见，如图2所示，在零件的工作层形成了一层厚度均匀、厚度约为500um的细晶粒层，其中的Cr粒子尺寸约为50nm～90nm。

实施例二

1.准备表面洁净的混粉法制备的Cu-Cr合金基材制成的零件，此零件中Cr重量含量百分比约为40％，Cr粒子尺寸在90～120μm之间；

2.将零件放置于氧含量可控的Ar气氛(含氧量≤100ppm)内，再放置于带水冷的控温夹具内；

3.设置激光表面处理工艺参数，主要工艺参数包括：功率密度1×10⁹W/cm²，光斑直径100μm，扫描速度15000mm/min，搭接率40％；

4.打开红外测温仪，测量温度，测得温度1853K；

5.经激光表面处理后，通过混粉烧结法制备的Cu-Cr合金基材零件的剖面利用显微组织可以看见，如图2所示，在零件的工作层形成了一层厚度约为600um的细晶粒层，Cr粒子弥散分布于Cu基体内，Cr颗粒尺寸约为100nm～150nm。

通过上述实施方式可以看出，本方法通过高能量激光束对生产成本低廉的混粉烧结法、熔渗法或熔铸法等制备方法制造的Cu-Cr合金基材零件工作面进行处理，通过对激光参数的控制可获得纳米化的Cu-Cr层，该细化层使Cu-Cr合金表面的硬度、屈服强度、拉伸强度等机械性能得到改善，但是材料的导电率基本不变，从而进一步提高了Cu-Cr合金的使用性能，降低了制造成本。采用本方法的Cu-Cr合金零件用于真空灭弧室，能够大大提高真空灭弧室的综合性能。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims

1.一种Cu-Cr合金表面纳米结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

所述激光原位设备的表面处理工艺参数的功率密度：10⁷～10⁹W/cm²，波长：1.064μm，扫描速度：1～10m/min，搭接率：20～60％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

所述Cu-Cr合金基材表面产生的熔池的过冷度控制在150～300K，每个熔池的存在时间低于10^-6～10^-4s。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

所述的氧含量可控惰性气氛中的氧含量在0.5～500ppm之间。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

所述Cu-Cr合金基材中Cr的质量百分数为20～40％。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，

所述Cu-Cr合金基材中还含有钨、钼、铁、锆或镍中的任意一种或两种。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，

所述Cu-Cr合金基材中钨、钼、铁、锆、镍的质量百分比含量≤1.5％。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

所述Cu-Cr合金基材表面利用丙酮清洗剂进行清洗处理，避免出现影响激光处理的污渍。