CN111378965A - 超音速激光沉积制备石墨增强的减磨导热导电涂层的方法 - Google Patents

超音速激光沉积制备石墨增强的减磨导热导电涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超音速激光沉积制备石墨增强的减磨导热导电涂层的方法，该方法在冷喷涂过程中同步引入激光束，通过激光的辐照作用，软化而不熔化粉末颗粒，降低粉末的临界沉积速度，提高粉末的沉积效率，提高涂层的结合力，以解决单一冷喷涂所制备的涂层诸多不良的问题，极大提高复合涂层的综合性能，并且经济环保，十分符合绿色发展理念。

Description

超音速激光沉积制备石墨增强的减磨导热导电涂层的方法
技术领域
本发明属于金属材料表面改性领域，具体涉及一种超音速激光沉积制备石墨增强的减磨导热导电涂层的方法。
背景技术
铜及其合金拥有较强的延展性能、抗腐蚀性能以及导电导热性能等，但是在润滑耐磨等性能方面却存在不足之处。通过在铜及其合金中加入颗粒增强相，使其均匀分散于基体制备优异综合性能的铜基复合材料。其制备方法便捷，成本低廉，在保持铜自身有优良特性的同时，又赋予了其较好的润滑摩擦性能，以及导电导热性能等。而在这些颗粒增强的复合材料中，铜基石墨复合材料较为突出，由于石墨性质稳定，通常不与铜基体发生反应，也不与铜基复合材料中常见的锡和铅等元素反应，并且具有良好的导电性。
铜基石墨复合材料兼具铜基体优异的机械强度、良好的导电导热性能以及固体润滑剂的自润滑特性，是一种典型的滑动电接触材料，被广泛用于制造电刷、受电弓滑板等滑动电接触元件。而这些电接触元件长期服役，表面磨损与电蚀氧化严重，而对于这些失效部件的处理主要是新品替换旧品，容易造成资源浪费，而对旧品进行修复，减少对新品的需求量，符合绿色制造理念，具有十分重要的意义。
常用的表面修复和再制造技术包括激光熔覆、热喷涂、冷喷涂等。其中，基于材料塑性变形实现沉积的冷喷涂技术与其他技术相比，低热量的输入可以避免由于高温过程带来的氧化、相变、分解等热致不良影响。由于石墨与铜润湿角大，相互之间仅存在机械结合不存在冶金结合，目前利用现有的冷喷涂技术制备铜及石墨复合涂层整体沉积效率低，结合强度差，孔隙率高，这严重制约了复合材料在减磨、导电、导热等性能。
发明内容
针对上述现有冷喷涂所制备的产品存在沉积效率低，结合强度差，空隙率高的局限性，本发明提供了一种超音速激光沉积制备石墨增强的减磨导热导电涂层的方法，在冷喷涂过程中同步引入激光束，通过激光的辐照作用，软化而不熔化粉末颗粒，降低粉末的临界沉积速度，提高粉末的沉积效率，提高涂层的结合力，以解决单一冷喷涂所制备的涂层诸多不良的问题，极大提高复合涂层的综合性能。
本发明的技术方案如下：
一种超音速激光沉积制备石墨增强的减磨导热导电涂层的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将经过表面预处理的基材水平固定在工作台上；
所述表面预处理为对基材表面进行喷砂、清洗，具体方法例如：用0.5～1.5mm喷料(喷料可为白刚玉、石英砂、金刚砂)在0.8MPa空气压下进行喷砂处理，提高表面粗糙度，同时消除表面氧化膜对沉积涂层的不利影响；将喷砂后的基材放入超声波清洗机里清洗除去表面残留的污渍和嵌入表面的喷料，将清洗完的基材用无水乙醇擦拭并晾干；
所述基材为紫铜等铜合金材料；
(2)将经过预处理的石墨与铜粉(粒径为270～500目)混合，进行喷涂前的烘干处理(温度140℃下烘干2小时)，之后装入送粉器；
石墨与铜粉的混合物中，石墨的质量百分比为20～40wt.％；
所述石墨的预处理可以有如下三种方式：
(a)对天然石墨去棱角化修整处理，再经过高温、化学纯化得到球形石墨(粒径300～400目)；球形石墨在喷涂过程能够得到更好加速效果，降低临界速度，提高沉积效率；球形石墨也可以直接通过商购获得；
(b)将石墨与铜颗粒混合5～30min(石墨比例可以为20vol.％、30vol.％、40vol.％)，将混合粉末放入行星球磨机，以200r/min速度球磨6h，球料比为3:1；球磨后的粉末先过300目筛子，取下面的粉末，再过400目的筛子，取上面的粉末，通过此工艺可以得到球形度较好的石墨铜混合粉末颗粒；
(c)石墨表面金属化，能够增加润湿角，提高结合强度；将石墨经过除胶、粗化、敏化、活化等一系列处理后，放入镀铜溶液里进行施镀，施镀结束后，为防止镀铜石墨氧化，将其放入无水乙醇中清洗，然后在真空干燥箱中烘干；
(3)在冷喷涂设备控制面板设置好冷喷涂参数，包括载气种类、载气压强、载气预热温度、载气流量和送粉器转速；
冷喷涂载气种类为氮气，载气压强为3～4MPa、载气预热温度400～600℃、载气流量100～300Nm3/h和送粉器转速为1～5r/min；
(4)在激光器控制面板中设置好激光功率；
激光器是光纤激光器、半导体激光器中的一种，激光功率范围为400W～1600W；
(5)将冷喷涂喷枪与激光头装配在机械手臂上，调整冷喷涂喷枪与激光头，校正冷喷涂粉斑与激光光斑的相对位置，调整激光焦点位置，使得冷喷涂粉斑与激光光斑重合并照射至基材上，通过控制机械手臂调整喷涂距离和扫描速度，同时规划喷涂实施路径；
喷嘴距离基材表面30mm，喷涂粉斑为6mm，激光头与冷喷涂喷枪通过专用夹具固定在一起，保持冷喷涂喷枪垂直于工件表面，并使激光头与喷枪法线方向成30°角，并调节激光器焦距使激光光斑与粉斑区域重合；
(6)启动冷喷涂设备、激光设备、气体供应设备，对基材进行超音速激光沉积；
(7)超音速激光沉积完成后，对工件涂层表面进行后处理即可获得石墨增强的减磨导热导电涂层；
所述后处理例如车削、打磨等。
用于实施本发明所述一种超音速激光沉积制备石墨增强的减磨导热导电涂层的方法的冷喷涂装置，所述装置包括：
移动设备、冷喷涂设备、激光设备、氮气供应设备；所述移动设备的机械手臂悬于基材上方，所述冷喷涂设备包括送粉器、加热器和冷喷涂喷枪，所述送粉器的送粉口与所述冷喷涂喷枪的进粉口通过管路连通，所述激光设备包括激光器和激光头，激光器通过光纤与激光头相连，并且，激光头与冷喷涂喷枪通过专用夹具集成在移动设备的机械手臂。
本发明的原理是：在冷喷涂铜石墨混合粉末过程中同步耦合激光，利用高能量密度的激光束来瞬时加热粉末颗粒，激光束仅对沉积粉末和基体同步加热软化而不熔化，降低粉末的临界沉积速度，提高粉末的沉积效率，提高涂层的结合力，激光辐照提高了粉末的塑性变形能力，强化了铜与石墨之间的机械咬合，以此消除涂层内部的孔隙，克服了单一冷喷涂制备时由于机械咬合不良而出现的孔隙率高等问题，极大提高复合涂层的综合性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：
(1)本发明所提供的一种超音速激光沉积制备石墨增强的减磨导热导电涂层方法属于无污染的环保型表面处理技术，能够对失效滑动电接触元件进行快速修复，减少了替换新品所带来的成本和浪费，十分符合绿色发展理念。
(2)本发明所提供的一种超音速激光沉积制备石墨增强的减磨导热导电涂层方法，较单一的冷喷涂，由于激光束的引入，大幅度提高了沉积效率和结合率，消除了涂层内部孔隙率高的缺陷。
附图说明
图1为本发明实施例1所采用的球形石墨形貌图(电镜拍摄，放大倍数2千倍)。
图2为在不同激光功率下制备铜基石墨复合涂层形貌(光镜拍摄，放大倍数50倍)。
图3为本发明实施例1在不同激光功率下制备铜基石墨复合涂层的金相图(光镜拍摄，放大倍数500倍)；(a)0W，(b)1400W。
图4为本发明实施例1在1400W激光功率下制备铜基石墨复合涂层形貌(电镜拍摄，放大倍数1万倍)。
图5为本发明的一种超音速激光沉积制备石墨增强的减磨导热导电涂层方法构建的冷喷涂装置示意图；其中，1-冷喷涂设备，2-专用夹具，3-移动设备，4-激光设备，5-工件，6-氮气供应设备，7-加热器，8-送粉器。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
一种超音速激光沉积制备石墨增强的减磨导热导电涂层方法构建的冷喷涂装置，如图5所示，包括移动设备3、冷喷涂设备1、激光设备4、固定喷头和激光头的专用夹具2以及氮气供应设备6，加热器7、送粉器8，所述移动设备3的机械手臂悬于工件5上方，所述冷喷涂设备1包括送粉器8、加热器7和冷喷涂喷枪，所述送粉器8的送粉口与所述冷喷涂喷枪的进粉口管路连通，所述激光设备4包括激光器和激光头，其中激光器通过光纤与激光头相连，所述冷喷涂设备1的冷喷涂喷枪与激光设备4的激光头通过专用夹具2集成在移动设备3的机械手臂，并保持冷喷涂喷枪喷出的冷喷涂粉斑与激光头射出的激光光斑完全或部分重合后共同交汇于工件表面。
实施例1
取铜板(80mm*40mm*5mm)作为基体材料，首先对基材进行喷砂处理，用24#白刚玉在空气压力为0.8MPa下进行喷砂处理，提高表面粗糙度并除去表面氧化物，随后放入超声波清洗机中清洗除去表面杂质，之后用无水乙醇进行清洗，然后才擦拭晾干。将处理后的基材固定在工作台上。将球形石墨(粒径为25μm类球状石墨粉如图1所示)(20vol.％)与Cu粉充分混合后烘干，之后放入送粉器。在冷喷涂控制面板中设置喷涂载气(N2)压力为4MPa，送粉率1.5rpm，粉末预热温度为500℃、喷涂距离为30mm，扫描速度为10mm/s。在喷涂过程改变激光功率(分别为0W、600W、800W、1200W、1400W、1600W)。做单道喷涂，最后对喷涂后的试样进行镶嵌、磨、抛、腐蚀。
通过光学显微镜(AXIOScope.A1)在放大倍数为50倍下观察试样的涂层形貌，如图2可以看出无激光引入的冷喷涂涂层厚度为489.2μm，而引入1400W激光功率的冷喷涂涂层厚度为1107.37μm。如图3(a)无激光引入的涂层组织形貌，石墨呈现破碎松散状态，石墨脱落严重，导致大量空隙，涂层整体致密度不高。而在图3(b)引入1400W激光功率的冷喷涂涂层中石墨与铜结合紧密，涂层整体致密度高。此外，过扫描电子显微镜(SEM,IGMA HV-01-043,Carl Zeiss)在放大倍数为1万倍下观察试样(1400w)的涂层形貌如图4所示，石墨与铜形成紧密的机械结合。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.一种超音速激光沉积制备石墨增强的减磨导热导电涂层的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将经过表面预处理的基材水平固定在工作台上；
(2)将经过预处理的石墨与铜粉混合，进行喷涂前的烘干处理，之后装入送粉器；
(3)在冷喷涂设备控制面板设置好冷喷涂参数，包括：冷喷涂载气种类为氮气，载气压强为3～4MPa、载气预热温度400～600℃、载气流量100～300Nm3/h和送粉器转速为1～5r/min；
(4)在激光器控制面板中设置好激光功率，激光功率范围为400W～1600W；
(5)将冷喷涂喷枪与激光头装配在机械手臂上，调整冷喷涂喷枪与激光头，校正冷喷涂粉斑与激光光斑的相对位置，调整激光焦点位置，使得冷喷涂粉斑与激光光斑重合并照射至基材上，通过控制机械手臂调整喷涂距离和扫描速度，同时规划喷涂实施路径；
(6)启动冷喷涂设备、激光设备、气体供应设备，对基材进行超音速激光沉积；
(7)超音速激光沉积完成后，对工件涂层表面进行后处理即可获得石墨增强的减磨导热导电涂层。
2.如权利要求1所述超音速激光沉积制备石墨增强的减磨导热导电涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述基材为铜合金材料。
3.如权利要求1所述超音速激光沉积制备石墨增强的减磨导热导电涂层的方法，其特征在于，步骤(2)中，石墨与铜粉的混合物中，石墨的质量百分比为20～40wt.％。
4.如权利要求1所述超音速激光沉积制备石墨增强的减磨导热导电涂层的方法，其特征在于，步骤(4)中，激光器为光纤激光器或半导体激光器。
5.如权利要求1所述超音速激光沉积制备石墨增强的减磨导热导电涂层的方法，其特征在于，步骤(5)中，喷嘴距离基材表面30mm，喷涂粉斑为6mm，激光头与冷喷涂喷枪通过专用夹具固定在一起，保持冷喷涂喷枪垂直于工件表面，并使激光头与喷枪法线方向成30°角，并调节激光器焦距使激光光斑与粉斑区域重合。
6.用于实施权利要求1所述超音速激光沉积制备石墨增强的减磨导热导电涂层的方法的冷喷涂装置，其特征在于，所述装置包括：
移动设备、冷喷涂设备、激光设备、氮气供应设备；所述移动设备的机械手臂悬于基材上方，所述冷喷涂设备包括送粉器、加热器和冷喷涂喷枪，所述送粉器的送粉口与所述冷喷涂喷枪的进粉口通过管路连通，所述激光设备包括激光器和激光头，激光器通过光纤与激光头相连，并且，激光头与冷喷涂喷枪通过专用夹具集成在移动设备的机械手臂。
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