CN109280867A - 一种Cu-Cr合金基材表面层中Cr相粒子均匀弥散化方法 - Google Patents

一种Cu-Cr合金基材表面层中Cr相粒子均匀弥散化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种Cu‑Cr合金基材表面层中Cr相粒子均匀弥散化方法，包括如下步骤：选择Cr含量在20～60wt.％的Cu‑Cr合金基材，对其表面进行打磨和清洁；放置在惰性气体保护仓内的工作台上；将激光原位设备的激光参数调整至小于常规激光原位合金化时参数的1/3，对Cu‑Cr合金基材进行一次连续激光扫描；将激光原位合金化的工作平台进行水平旋转，将激光参数调整至大于常规激光原位合金化时参数的1/3后，以偏离第一次扫描轨迹的扫描方式对Cu‑Cr合金基材进行二次连续激光扫描。本发明在Cu‑Cr合金的表面层形成球形、弥散分布的显微组织，表面区域的成分配比不发生变化，大幅提高了Cu‑Cr合金的力学性能(硬度、拉伸强度)和极大提升了材料的电学性能。

Description

一种Cu-Cr合金基材表面层中Cr相粒子均匀弥散化方法
技术领域
本发明属于材料科学与表面工程技术领域，特别涉及一种能够使Cu-Cr合金基材的表面层中Cr相粒子均匀弥散分布在Cu基体中的弥散化方法。
背景技术
Cu-Cr合金在轨道交通、高压输变电网等领域有着广泛的应用前景，起到了供电和驱动的关键作用。Cu-Cr合金的显微组织的弥散化能极大提升其力学和电学性能，因此，开发出一种弥散型Cu-Cr合金材料的制备技术，具有重大的科研和应用价值。但是，Cu-Cr合金熔体由于Cu和Cr元素的不混溶特性，在凝固期间存在着液-液相变过程，两者的比重差极易导致组织的宏观偏析，其制备与应用受到了限制。
在共晶点上，Cu和Cr中和Cr在Cu中的最大溶解度分别为0.77％和0.08％(摩尔质量分数)。常温下Cu和Cr两元素几乎不互溶，两组元既不形成固溶体，又不形成金属间化合物，而是以机械混合物的形式存在。在传统熔铸过程中，极易形成显微组织偏析、分布不均甚至形成两相分层的组织。出于提高生产效率和节约成本的考虑，商用Cu-Cr合金的制备方法主要采用粉末冶金法(烧结法、熔渗法)，但是该方法无法有效解决显微组织分布不均的问题。
现有技术，如中国专利CN102808099B通过加入新组元作为形核剂实现Cu/Cr复合材料的显微组织弥散强化，或者采用塑性形变的方式提高组织均匀性，但是该方案会降低合金的导电率。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够使Cu-Cr合金基材的表面层中Cr相粒子均匀弥散分布在Cu基体中的弥散化方法。
特别地，本发明提供一种Cu-Cr合金基材表面层中Cr相粒子均匀弥散化方法，包括如下步骤：
步骤100，选择Cr含量在20～60wt.％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；
步骤300，将激光原位设备的激光参数调整至小于常规激光原位合金化时参数的1/3，对Cu-Cr合金基材进行一次连续激光扫描，以增加Cu-Cr合金基材的表面粗糙度至2.5～4μm，此时Cu-Cr合金基材表面层中的Cr相粒子形状为半融的条状；
步骤400，将激光原位合金化的工作平台进行水平旋转，将激光参数调整至大于常规激光原位合金化时参数的1/3后，以偏离第一次扫描轨迹的扫描方式对Cu-Cr合金基材进行二次连续激光扫描，此时Cu-Cr合金基材中的Cr粒子形状为全融后的球状。
在本发明的一个实施方式中，所述步骤200中惰性气体保护仓内的氧和氮含量小于50ppm。
在本发明的一个实施方式中，所述打磨后Cu-Cr合金基材的表面粗糙度为1～2μm；第一次激光扫描后所述Cu-Cr合金基材的表面粗糙度增加至2.5～4μm。
在本发明的一个实施方式中，所述将激光原位设备的激光参数调整至小于常规激光原位合金化时参数的1/3的具体数值为：功率密度：1×102MW/m2～1×103MW/m2，扫描速度：5～7m/min，搭接率：20％～60％，波长为0.8～2μm。
在本发明的一个实施方式中，所述将激光参数调整至大于常规激光原位合金化时参数的1/3的具体数值为：功率密度：6×104MW/m2～1×105MW/m2，扫描速度为8～10m/min，搭接率：20～60％，波长：0.8～2μm。
在本发明的一个实施方式中，在第一次和第二次扫描时，通过对Cu-Cr合金基材的水冷和激光扫描条件的配合使熔池的冷却速度达到105～106K/s。
在本发明的一个实施方式中，在二次激光扫描过程中，激光束采用递进式扫描方式，使熔池由扫描方向向未扫描方向产生温度梯度，利用温度梯度引起的表面张力在熔池中形成对流以强化Cr粒子的弥散。
在本发明的一个实施方式中，第一次激光扫描时的Cu-Cr合金基材表面的熔化层厚度≤60μm；第二次激光扫描时的熔化层厚度为第一次熔化层厚度的1～1.5倍。
在本发明的一个实施方式中，第一次激光扫描时熔池中的温度>Cu的熔点且<Cr的熔点，第二次激光扫描时熔池中的温度>Cr的熔点。
在本发明的一个实施方式中，经过第二次激光扫描后的Cu-Cr合金基材表面层的合金硬度≥190～230HV0.25。
在实际应用中，Cu-Cr合金的失效大多发生在表面，因此可通过激光表面处理技术来利用高激光功率密度的激光束加热Cu-Cr合金表面，只要在低成本的粉末冶金方法制备出的基材表面形成弥散型的显微组织，而基体仍然保持原有的粗晶特性，就可以大幅度提高材料的综合性能(即高强度、高硬度表面与高热导、高电导基体的结合)。
本发明采用激光原位合金化对Cu-Cr合金表面层进行弥散化和球化处理，由低功率密度激光低速扫描合金表面使表面层局部融化后，使Cu相和Cr相进行初步熔合，为第二次激光扫描的充分融合奠定基础，同时第一次激光扫描时增加了材料的表面粗糙度，从而可提升第二次激光扫描时材料表面对激光的吸收率，使得第二次激光扫描的高功率密度和快速扫描能够使材料表面的温度迅速提升，进而为Cu和Cr两相完全熔融成均匀的单一液体提供保证，在该过程中，熔体迅速穿过液-液相变区域，并且使Cr相粒子均匀分布。
本发明可在现有Cu-Cr合金的制备工艺基础上进一步提升材料的性能，通过激光原位合金化技术在Cu-Cr合金的表面层形成球形、弥散分布的显微组织，表面区域的成分配比不发生变化。一方面通过弥散强化作用大幅提高了Cu-Cr合金的力学性能(硬度、拉伸强度)；另一方面使耐电冲击能力弱的球形Cr相粒子均匀弥散分布于Cu基体中，极大提升了材料的电学性能。
本方法使合金表面熔化，形成一定厚度的、显微组织显著改善的强化层，从而达到改善表面性能的目的。不需要添加元素，也不会改变合金的化学成分配比，是最有效和最经济的方法。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的均匀弥散化方法流程示意图；
图2是本发明一个实施方式中经过第二次激光扫描后Cr相粒子和其直径分布示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一个实施方式提供一种Cu-Cr合金基材表面层中Cr相粒子均匀弥散化方法，一般包括如下步骤：
步骤100，选择Cr含量在20～60wt.％的Cu-Cr合金基材，对其表面进行打磨和清洁；
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激光原位合金化效果，具体方式可通过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；其中惰性气体中氧和氮的含量小于50ppm。
步骤300，将激光原位设备的激光参数调整至小于常规激光原位合金化时参数的1/3，对Cu-Cr合金基材进行一次连续激光扫描，以增加Cu-Cr合金基材的表面粗糙度至2.5～4μm，此时Cu-Cr合金基材表面层中的Cr相粒子形状为半融的条状；
本步骤中的常规激光原位合金化是指本行业正常对Cu-Cr合金基材表面进行改性时，其激光所采用的参数。而该步骤中第一次激光扫描时的参数需要小于常规激光原位合金化的参数，目的是对Cu-Cr合金基材表面层中的Cr相进行一次预处理，即此时激光在Cu-Cr合金基材表面层产生的熔池温度需要大于Cu的熔点，以使Cu能够形成液相，但要小于Cr的熔点，避免Cr融化。在这种情况下，由于激光功率密度和激光吸收率较常规激光原位合金化的低，熔池内相邻的Cr相粒子吸收了凝固Cu相释放的潜热，使Cr相粒子的边缘部分溶解，形成条形的Cr相粒子。在第一次激光扫描过程中，Cu相和Cr相进行了初步熔合，并使Cu-Cr合金基材的表面粗糙度增加至2.5～4μm，粗糙度的增加可提高表面层对激光的吸收率，加快升温效果，增强Cu和Cr两相的熔融效果。
在该步骤中，激光扫描时的方式与常规的扫描方式相同，即激光束垂直于Cu-Cr合金基材表面层，并以逐渐递进的轨迹进行移动。
其中，激光小于常规激光原位合金化时参数的1/3的具体数值为：功率密度：1×102MW/m2～1×103MW/m2，扫描速度：5～7m/min，搭接率：20％～60％，波长为0.8～2μm。该参数下表面层通过激光原位合金化后产生的熔化层厚度≤60μm。
步骤400，将激光原位合金化的工作平台进行水平旋转，将激光参数调整至大于常规激光原位合金化时参数的1/3后，以偏离第一次扫描轨迹的扫描方式对Cu-Cr合金基材进行二次连续激光扫描，此时Cu-Cr合金基材中的Cr粒子形状为全融后的球状。
对工作平台进行旋转的目的是为了使第二次激光扫描的轨迹不与第一次激光扫描时的轨迹重复，从而可以对第一次扫描时可能遗漏或是融化不到位的地方进行补漏。这里工作台水平旋转的角度可以是在5～90度之间，即只要避开第一次的扫描轨迹即可。在其它的方式中，如果是激光器移动，则调整激光器的角度也可以达到目的。
该步骤中将激光参数调整至大于常规激光原位合金化时参数的1/3的具体数值为：功率密度：6×104MW/m2～1×105MW/m2，扫描速度为8～10m/min，搭接率：20～60％，波长：0.8～2μm。采用大于常规激光原位合金化的参数对Cu-Cr合金基材表面层进行激光原位合金化时，可以产生更高的温度，该温度在第一次激光扫描的温度基础上至少要大于Cr相的溶解温度，从而使第一次激光扫描后条状的Cr相粒子变成球形粒子。
由于在扫描过程中激光束是采用递进式移动轨迹，因而熔池由扫描方向向未扫描方向会产生温度梯度，该温度梯度引起的表面张力在熔池中形成对流，可强化球形Cr粒子的弥散，同时熔池内的对流影响熔体池中的热和质量流动，并导致比扩散可能更有效的Cu相和Cr相的混合；该过程可以显著抑制Cr相液滴的聚集，并且通过充分的液相分离，使Cr相球形粒子完全弥散的分布于Cu基体中，如图2所示。
由于第二次激光扫描时的温度高于第一次的激光扫描时的温度，因此第二次激光扫描在Cu-Cr合金基材表面形成的熔化层厚度为第一次熔化层厚度的1～1.5倍，这样可以提高Cu相和Cr相的混合空间。
经过第二次激光扫描后Cu-Cr合金基材表面层的合金硬度≥190～230HV0.25。
本实施方式采用激光原位合金化对Cu-Cr合金基材表面层进行弥散化和球化处理，由低功率密度激光低速扫描合金表面使表面层局部融化后，使Cu相和Cr相进行初步熔合，为第二次激光扫描的充分融合奠定基础，同时第一次激光扫描时增加了材料的表面粗糙度，从而可提升第二次激光扫描时材料表面对激光的吸收率，使得第二次激光扫描的高功率密度和快速扫描能够使材料表面的温度迅速提升，进而为Cu和Cr两相完全熔融成均匀的混合液体提供保证。在激光原位合金化的过程中，熔体迅速穿过液-液相变区域，并且使Cr粒子均匀分布。
本实施方式可在现有Cu-Cr合金基材的制备工艺基础上进一步提升材料的性能，通过激光原位合金化技术在Cu-Cr合金基材的表面区域形成球形、弥散分布的显微组织，表面区域的成分配比不发生变化。一方面通过弥散强化作用大幅提高了Cu-Cr合金基材的力学性能(硬度、拉伸强度)；另一方面使球形化的Cr相粒子弥散分布于Cu基体中，使耐电冲击能力弱的Cr相粒子均匀分布在工作面上，有利于消除关断过程中阴极斑点的运动阻碍，极大提升了材料的电学性能。
在第一次和第二次激光扫描时，可通过设置在夹具上的水冷系统对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冷却速度达到105～106K/s。
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.准备表面平整由混粉法制备的成品Cu-Cr合金基材制成的触头，触头厚度为4mm，此触头中Cr重量含量百分比约为50％，将待激光原位合金化的触头表面打磨至粗糙度(Ra)满足1μm；然后用无水酒精对触头进行清洗后烘干；
2.将烘干后的触头放置于氧含量(含氧量≤20ppm)可控的气氛箱内，再放置于激光原位设备数控工作台上的配用夹具上；激光扫描过程中启动夹具上的循环水冷进行触头的降温；
3.设置第一次激光扫描时的扫描工艺参数，使激光功率密度为5×102MW/m2，激光扫描速度为6m/min，搭接率为40％，波长为0.8μm；启动激光对触头工作面进行连续自动扫描，完成后触头的表面粗糙度增至3.2μm≤Ra≤3.5μm，同时在触头的剖面形成了一层厚度约60μm的熔化层；此时因激光功率密度和激光吸收率较低，激光照射产生的熔池内温度高于Cu的熔点且低于Cr的熔点，相邻的Cr相粒子吸收了凝固Cu相释放的潜热，使Cr相粒子的边缘部分溶解，形成条形的Cr相粒子；
4.将工作台水平旋转45°，调节激光器产生连续激光，在一次激光扫描参数基础上调整功率密度为7×104MW/m2，扫描速度为8m/min，搭接率为30％，波长为2μm；对一次扫描后的触头表面进行二次不重复轨迹的扫描，在扫描过程中，由于激光功率密度的增加和对激光吸收系数的增加，使激光照射所产生熔池的内部温度大于Cr的熔点，在实现Cr相和Cu相充分液相分离的同时，使所有Cr相粒子几乎都熔化成呈球形，其粒子直径尺寸分布集中，位于0.5～1μm之间；此时剖面形成的熔化层厚度约90μm。
在一次激光扫描前，Cu-Cr合金基材表面层的硬度为82HV0.25，经过二次激光扫描后Cu-Cr合金硬度增加至220HV0.25，导电率基本不变。
实施例二
1.准备表面平整的熔渗法制备的成品Cu-Cr合金基材制成的触头，触头厚度为4mm，此触头的Cr重量含量百分比约为40％，将待处理的表面打磨至粗糙度(Ra)为1.6～1.8μm；再用无水酒精对其进行清洗并烘干；
2.将触头合金样品放置于氧含量(含氧量≤20ppm)可控的气氛箱内，再放置于激光原位设备的数控工作台上的配用夹具上；激光扫描过程中启动夹具上的循环水冷进行触头的降温；
3.设置第一次激光扫描时的扫描工艺参数，使功率密度为8×102MW/m2，激光扫描速度为5m/min，搭接率为50％，波长为0.8μm。启动激光对触头工作面进行连续自动扫描，激光扫描完成后，触头表面粗糙度增至3.2μm≤Ra≤3.5μm，剖面形成了一层厚度约60μm的熔化层；此时因激光功率密度和激光吸收率较低，激光照射产生的熔池内温度高于Cu的熔点且低于Cr的熔点，相邻的Cr相粒子吸收了凝固Cu相释放的潜热，使Cr相粒子的边缘部分溶解，形成条形的Cr相粒子；
4.将数控工作台水平旋转60°，调节激光器产生连续激光，在一次激光扫描参数基础上调整功率密度为9×104MW/m2，扫描速度为10m/min，搭接率为40％，波长为1.8μm。对一次扫描后的触头表面进行二次不重复轨迹的扫描，在扫描过程中，由于激光功率密度的增加和对激光吸收系数的增加，使激光照射所产生熔池的内部温度大于Cr的熔点，在实现Cr相和Cu相充分液相分离的同时，使所有Cr相粒子几乎都熔化成呈球形，其粒子直径尺寸分布集中，直径大都位于0.3～0.6μm之间；此时剖面形成的熔化层厚度约90μm。
在处理前Cu-Cr合金基材的表面层硬度为74HV0.25，经过二次激光扫描后Cu-Cr合金表面层的硬度增加至198HV0.25，导电率基本不变。
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 (10)

1.一种Cu-Cr合金基材表面层中Cr相粒子均匀弥散化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100，选择Cr含量在20～60wt.％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；
步骤300，将激光原位设备的激光参数调整至小于常规激光原位合金化时参数的1/3，对Cu-Cr合金基材进行一次连续激光扫描，以增加Cu-Cr合金基材的表面粗糙度至2.5～4μm，此时Cu-Cr合金基材表面层中的Cr相粒子形状为半融的条状；
步骤400，将激光原位合金化的工作平台进行水平旋转，将激光参数调整至大于常规激光原位合金化时参数的1/3后，以偏离第一次扫描轨迹的扫描方式对Cu-Cr合金基材进行二次连续激光扫描，此时Cu-Cr合金基材中的Cr粒子形状为全融后的球状。
2.根据权利要求1所述的均匀弥散化方法，其特征在于，
所述步骤200中惰性气体保护仓内的氧和氮含量小于50ppm。
3.根据权利要求1所述的均匀弥散化方法，其特征在于，
所述打磨后Cu-Cr合金基材的表面粗糙度为1～2μm；第一次激光扫描后所述Cu-Cr合金基材的表面粗糙度增加至2.5～4μm。
4.根据权利要求1所述的均匀弥散化方法，其特征在于，
所述将激光原位设备的激光参数调整至小于常规激光原位合金化时参数的1/3的具体数值为：功率密度：1×102MW/m2～1×103MW/m2，扫描速度：5～7m/min，搭接率：20％～60％，波长为0.8～2μm。
5.根据权利要求1所述的均匀弥散化方法，其特征在于，
所述将激光参数调整至大于常规激光原位合金化时参数的1/3的具体数值为：功率密度：6×104MW/m2～1×105MW/m2，扫描速度为8～10m/min，搭接率：20～60％，波长：0.8～2μm。
6.根据权利要求1所述的均匀弥散化方法，其特征在于，
在第一次和第二次扫描时，通过对Cu-Cr合金基材的水冷和激光扫描条件的配合使熔池的冷却速度达到105～106K/s。
7.根据权利要求1所述的均匀弥散化方法，其特征在于，
在二次激光扫描过程中，激光束采用递进式扫描方式，使熔池由扫描方向向未扫描方向产生温度梯度，利用温度梯度引起的表面张力在熔池中形成对流以强化Cr粒子的弥散。
8.根据权利要求1所述的均匀弥散化方法，其特征在于，
第一次激光扫描时的Cu-Cr合金基材表面的熔化层厚度≤60μm；第二次激光扫描时的熔化层厚度为第一次熔化层厚度的1～1.5倍。
9.根据权利要求1所述的均匀弥散化方法，其特征在于，
第一次激光扫描时熔池中的温度>Cu的熔点且<Cr的熔点，第二次激光扫描时熔池中的温度>Cr的熔点。
10.根据权利要求1所述的均匀弥散化方法，其特征在于，
经过第二次激光扫描后的Cu-Cr合金基材表面层的合金硬度≥190～230HV0.25。
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