CN111979539A - 一种铜基非晶复合涂层及其制备方法 - Google Patents

一种铜基非晶复合涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铜基非晶复合涂层及其制备方法，铜基合金粉末制备；铜基体预处理；将铜基合金粉末预置在预处理后的铜基体表面得到预置铜基合金粉末层；对预置铜基合金粉末层的进行激光预热至700℃后，采用激光熔覆加工。本发明提供的制备工艺接近实际工业化水平，工艺条件可控、制备简单，获得的涂层组织均匀，结构致密、无裂纹和无孔洞缺陷。铜基非晶复合涂层具有高强度高硬度以及耐摩擦磨损的优异性能，在国防工业中具有非常大的应用潜力。

Description

一种铜基非晶复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及表面工程领域，具体属于铜基非晶复合涂层及其制备方法。
背景技术
非晶态合金又称金属玻璃，具有长程无序、短程有序的亚稳态结构特征。相比于传统的晶态合金，非晶态合金具有如高强度、高硬度、耐磨耐腐蚀等突出的性能。其中铜基非晶合金兼具超过2000MPa高强度和高玻璃形成能力，但其在非晶尺寸上和制备工艺上的不足限制了其在工程领域的广泛应用。制备非晶涂层可以在保证非晶优异性能的同时突破块体非晶合金在尺寸上的短板，极大促进非晶合金材料的工业应用。金属铜具备优秀的导电性和导热性，因而被广泛应用于电子电气、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，但是铜的硬度低、耐摩擦磨损性能差，无法满足高强耐磨的应用环境。激光熔覆技术可制备出非晶复合涂层，涂层组织致密、无裂纹、孔洞缺陷。并且非晶相具有优异的高强度、高硬度和耐摩擦磨损性能，可以大幅提升涂层的耐磨损性能。
然而由于制备工艺决定涂层的组织结构，如何制备出具备高强度、高硬度和耐摩擦磨损等优异性能的非晶复合涂层依然是一大难题。因此，开发一种高强度、高硬度、耐摩擦磨损的非晶复合涂层对金属铜在耐摩擦磨损工况下的应用有重大的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜基非晶复合涂层及其制备方法，以解决上述背景技术中的至少一个技术问题。
一方面，提供一种铜基非晶复合涂层的制备方法，具体步骤如下：
铜基合金粉末制备；
铜基体预处理；
将铜基合金粉末预置在预处理后的铜基体表面得到预置铜基合金粉末层；
对预置铜基合金粉末层的进行激光预热至700℃后，采用激光熔覆加工。
优选的，所述铜基合金的成分为(Cu0.6Hf0.25Ti0.15)100-xNbx(x＝2-10)，金属粉末粒度范围为38-75μm。
优选的，所述铜基合金粉末制备的方法为：采用真空电弧熔炼和机械破碎法综合制备铜基合金粉末。
优选的，所述铜基体预处理为对铜基体表面进行清洁处理。
优选的，所述清洁处理依次使用300目和600目水砂纸进行打磨，使用酒精对经水砂纸打磨后的铜基体进行清洗，烘干。
优选的，采用粘结剂将铜基合金粉末预置在铜基体表面。优选的，所述粘结剂为水玻璃粘结剂，按照每1ml水玻璃粘结剂混合6g铜基合金。
优选的，采用水玻璃粘结剂将铜基合金粉末预置在铜基体部分表面，预置涂层厚度为1mm，将完成预置放入烘干箱中，100℃下烘干1h。
优选的，使用连续光纤激光器进行激光预热，激光预热的工艺参数为：输出功率为2400W，扫描速度为2mm/s，光斑直径为3mm，搭接率为50％，保护氩气流量为5L/min。
优选的，所述熔覆工艺参数为：激光的输出功率为1800-2000W，扫描速度为8-10mm/s，光斑直径为3mm，搭接率为30％，保护氩气流量为5L/min。
另一方面，还提供一种铜基非晶复合涂层，所述铜基非晶复合涂层采用上述任一所述铜基非晶复合涂层的制备方法制备。
本发明所制备的铜基非晶复合涂层组织均匀，没有裂纹和孔洞缺陷，并且具有高硬度、高强度和耐摩擦磨损性能。采用激光熔覆可以满足非晶涂层制备所需的高冷却速度，利用高能量激光束将非晶粉末与基体表面迅速加热并熔化，形成液态熔池，熔池内部的流体流动使得熔覆层组织成分更加均匀。待光束移开后，熔融部分快速冷却形成与基体冶金结合的表面涂层。由于熔覆层与基体两者的化学成分接近，热错配效应很小，不会出现错配应力导致裂纹开裂。熔覆层是从液态熔池快速冷却至固态，本实验条件下不会使粉末气化形成气孔，因此熔覆层没有裂纹和孔洞，涂层具备高强度、高硬度、耐摩擦磨损等优异性能。铜基非晶复合涂层组织致密，无裂纹，无孔洞缺陷，基体和熔覆层之间为良好的冶金结合。
附图说明
图1为实施例1的铜基合金粉末X射线衍射图；
图2为实施例1的熔覆层的X射线衍射图；
图3为实施例1的熔覆层横截面金相图；
图4为实施例1和实施例2的熔覆层横截面显微硬度分布图；
图5为实施例2的铜基合金粉末X射线衍射图；
图6为实施例2的熔覆层的X射线衍射图；
图7为实施例2的熔覆层横截面金相图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
实施例1：所述铜基合金各成分的原子百分比为：(Cu0.6Hf0.25Ti0.15)90Nb10。
(1)铜基合金粉末制备
将铜基合金各成分的原子百分比换算成相应的质量百分比，然后按质量百分比称取对应质量的金属Cu、Hf、Ti和Nb，配置后放入水冷铜坩埚中，真空度小于1×10-3Pa，进行真空电弧熔炼。为保证元素分布均匀，将合金熔炼3次。冷却后，将合金锭放入振动磨中进行机械破碎，使用200目筛和400目筛筛分，取粒度范围为38-75μm粉末进行激光熔覆。铜基合金粉末的X射线衍射图如图1所示，由图1可见在44°(2θ)角附近出现漫散射包(宽化现象)，说明铜基合金粉末呈非晶态。铜基合金粉末经过真空电弧熔炼的合金粉末，可避免单质粉末在激光熔覆过程中的成分不均匀造成的元素偏析。
(2)铜基体预处理
为减小对预置层合金粉末的污染，对铜基体表面进行清洁处理，将50mm×50mm×15mm的纯铜板基体表面依次使用300目和600目水砂纸进行打磨。使用酒精对经水砂纸打磨后的纯铜基板进行清洗，烘干。
(3)将铜基合金粉末预置在预处理后的铜基体表面得到预置铜基合金粉末层。
采用水玻璃粘结剂将铜基合金粉末预置在部分纯铜板基体表面，预置面积为35mm×35mm，预置厚度为1mm，将完成预置的试样放入烘干箱中，100℃下烘干1h，备用。
(4)对预置铜基合金粉末层的进行激光预热至700℃后，采用激光熔覆加工。
对预置的铜基合金粉末层的试样先进行激光预热至700℃，然后进行激光熔覆加工。激光预热的工艺参数为：输出功率为2400W，扫描速度为2mm/s，光斑直径3mm，搭接率为50％，保护氩气流量为5L/min。激光熔覆的工艺参数为：输出功率为2000W，扫描速度为10mm/s，光斑直径为3mm，搭接率为30％，保护氩气流量为5L/min。
熔覆后将试样空冷至室温后，使用电火花切割机将样品切割为所需尺寸进行测试，结果如下。
铜基非晶复合涂层的X射线衍射图如图2所示。由图2可见涂层在44°(2θ)角附近出现漫散射包(宽化现象)，说明涂层内生成了非晶组织。同时在图2中出现了Cu相的尖锐峰。
涂层横截面金相图如图3所示。由图3可见涂层组织均匀，结构致密、无裂纹和孔洞缺陷。
涂层横截面显微硬度分布图如图4所示。由图4可知涂层横截面的平均显微硬度约为495HV0.2，大约是基体显微硬度(55HV0.2)的9倍。
实施例2：所述铜基合金各成分的原子百分比为：(Cu0.6Hf0.25Ti0.15)98Nb2。
(1)铜基合金粉末制备
采用真空电弧熔炼和机械破碎法综合制备铜基合金粉末。将铜基合金各成分的原子百分比换算成相应的质量百分比，然后按质量百分比称取对应质量的金属Cu、Hf、Ti和Nb，配置后放入水冷铜坩埚中，真空度小于1×10-3Pa，进行真空电弧熔炼。为保证元素分布均匀，将合金熔炼3次。冷却后，将合金锭放入振动磨中进行机械破碎，使用200目筛和400目筛筛分，取粒度范围为38-75μm粉末进行激光熔覆。铜基合金粉末的X射线衍射图如图5所示，由图5可见在44°(2θ)角附近出现漫散射包(宽化现象)，说明铜基合金粉末呈非晶态。
(2)铜基体预处理
为减小对预置层合金粉末的污染，对铜基体表面进行清洁处理，将50mm×50mm×15mm的纯铜板基体表面依次使用300目和600目水砂纸进行打磨。使用酒精对经水砂纸打磨后的纯铜基板进行清洗，烘干。
(3)将铜基合金粉末预置在预处理后的铜基体表面得到预置铜基合金粉末层。
采用水玻璃粘结剂将铜基合金粉末预置在部分纯铜板基体表面，预置面积为35mm×35mm，预置厚度为1mm，将完成预置的试样放入烘干箱中，100℃下烘干1h，备用。
(4)对预置铜基合金粉末层的进行激光预热至700℃后，采用激光熔覆加工。
对预置的铜基合金粉末层的试样先进行激光预热至700℃，然后进行激光熔覆加工。激光预热的工艺参数为：输出功率为2400W，扫描速度为2mm/s，光斑直径为3mm，搭接率为50％，保护氩气流量为5L/min。激光熔覆的工艺参数为：输出功率为1800W，扫描速度为8mm/s，光斑直径为3mm，搭接率为30％，保护氩气流量为5L/min。
熔覆后将试样空冷至室温后，使用电火花切割机将样品切割为所需尺寸进行测试，结果如下。
铜基非晶复合涂层的X射线衍射图如图6所示。由图6可见涂层在44°(2θ)角附近出现漫散射包(宽化现象)，说明涂层内生成了非晶组织。同时在图6中出现了Cu相的尖锐峰。
涂层横截面金相图如图7所示。由图7可见涂层组织均匀，结构致密、无裂纹和孔洞缺陷。
涂层横截面显微硬度分布图如图4所示。由图4可知涂层横截面的平均显微硬度约为495HV0.2，大约是基体显微硬度(55HV0.2)的9倍。
本实施例2与实施例1相比无明显不同，也可获得铜基非晶复合涂层，涂层结构致密，组织均匀，无裂纹和无孔洞缺陷，基体与涂层之间是良好的冶金结合，平均显微硬度无显著变化。

Claims (10)

1.一种铜基非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
铜基合金粉末制备；
铜基体预处理；
将铜基合金粉末预置在预处理后的铜基体表面得到预置铜基合金粉末层；
对预置铜基合金粉末层的进行激光预热至700℃后，采用激光熔覆加工。
2.如权利要求1中所述的一种铜基非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，所述铜基合金的成分为(Cu0.6Hf0.25Ti0.15)100-xNbx(x＝2-10)，金属粉末粒度范围为38-75μm。
3.如权利要求1中所述的一种铜基非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，所述铜基合金粉末制备的方法为：采用真空电弧熔炼和机械破碎法综合制备铜基合金粉末。
4.如权利要求2中所述的一种铜基非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，所述铜基体预处理为对铜基体表面进行清洁处理。
5.如权利要求4中所述的一种铜基非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，所述清洁处理依次使用300目和600目水砂纸进行打磨，使用酒精对经水砂纸打磨后的铜基体进行清洗，烘干。
6.如权利要求1中所述的一种铜基非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，采用粘结剂将铜基合金粉末预置在铜基体表面。
7.如权利要求6中所述的一种铜基非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，采用水玻璃粘结剂将铜基合金粉末预置在铜基体部分表面，预置涂层厚度为1mm，将完成预置放入烘干箱中，100℃下烘干1h。
8.如权利要求1中所述的一种铜基非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，使用连续光纤激光器进行激光预热，激光预热的工艺参数为：输出功率为2400W，扫描速度为2mm/s，光斑直径为3mm，搭接率为50％，保护氩气流量为5L/min。
9.如权利要求1中所述的一种铜基非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，所述熔覆工艺参数为：激光的输出功率为1800-2000W，扫描速度为8-10mm/s，光斑直径为3mm，搭接率为30％，保护氩气流量为5L/min。
10.一种铜基非晶复合涂层，其特征在于，所述铜基非晶复合涂层采用上述权利要求1-9任一所述铜基非晶复合涂层的制备方法制备。
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