CN112430811A - 一种铜基体表面激光熔覆铜合金粉末的方法 - Google Patents

Abstract

一种铜基表面激光熔覆铜合金粉末的方法，包括如下步骤：(1)使用打磨工具打磨铜基工件表面，去除表面氧化层；再使用除污剂对铜基工件表面进行清洁，获得表面清洁的铜基表面；(2)将铜基工件固定在工作平台上；(3)通过高速激光熔覆光纤激光器，用激光熔覆粉末对铜基工件进行高速激光熔覆；所述激光熔覆粉末的化学成分以重量百分比表示如下：C：0.01％‑0.25％,B：0.5％‑3％，Si：1％‑4％,Cr：0‑12％,Fe：0.5％‑14％,Cu：10％‑50％，Ni：30％‑80％，粉末颗粒尺寸区间为25‑150μm，球形度≥80％。本发明的优点在于：针对特定的激光熔覆粉末，熔覆前不需要加过渡层和预涂覆层等，采用中心送粉并控制熔覆头工作夹角的方式单层熔覆直接得到想要的熔覆层，简化了工艺。

Description

一种铜基体表面激光熔覆铜合金粉末的方法

技术领域

本发明具体涉及一种铜基体表面激光熔覆铜合金粉末的方法。

背景技术

铜作为人类最早应用的一种金属材料，是世界上第二大有色金属，具有高导电性、高导热性、高抗腐蚀性、易加工性及良好的力学性能，因此，铜及铜合金被广泛应用于机械制造、运输、建筑、电气、电子等工业部门中，制作成各种电子材料及结构部件，是电力工业、电子信息产业、航空航天、航洋工程、汽车工业和军事工业的关键材料，也是国民经济和科技发展的重要基础材料。铜的最大特点是具有高导电性和高导热性，但是铜的硬度低、耐磨性较差，很大程度影响了其应用范围。

激光表面强化技术始于20世纪70年代大功率激光器的问世。随着现代科学的进步和工业技术的发展，高功率激光加工设备逐渐得到完善，激光表面强化技术的研究也取得了明显的进步，其应用领域正在不断扩展。激光技术在钢铁材料方面的研究已达到一定水平，已在工业生产中实际应用并取得了明显的经济效益，如模具或零件修复、轧辊激光熔覆。其中CN 106854761 A发明在连铸机出坯辊道(45号钢)上利用激光熔覆制备耐腐蚀涂层；CN 107760930 A发明利用激光熔覆种用于修复离心球磨管模内壁(21CrMo10模具钢)。此外，CN 108130528 A发明在Monel合金(镍基合金)表面激光熔覆。以上合金基体较铜合金而言，对激光的反射率低，国内现有的激光技术容易实现熔覆。

但是在铜合金方面，因为铜对激光的反射率高且导热好，所以在铜合金表面进行激光熔覆较为困难。常规激光熔覆大光斑、小功率密度很难实现铜的表面强化，目前普通激光熔覆只能采用预涂覆和过渡层的方式运用在铜合金上，但这些方法不适用于工业化生产。如CN 107868955 A发明中需要先在铜结晶器表面制备一层电镀层作为过渡层，过程较为复杂，不利于工业化生产。CN 110453214 A发明了一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法，其也是采用预涂覆的方式，扫描速率为8-50mm/s，相对高速激光熔覆其速度较慢，效率较低，限制了此专利的实际有用范围，难以适用于工业生产。

高速激光熔覆技术，是利用超常规、超高速的激光扫描速率，克服传统熔覆技术存在的问题。目前的发展阶段，随着光斑的变小以及光束质量的显著提高，使扫描速率达到了100m/min以上，激光熔覆效率≥1.3m²/h，工作效率显著提高，产品表面粗糙度Ra≤10μm，形成高效率、低成本、独具特色的激光熔覆综合技术。

但是高速激光熔覆在铜合金表面的应用依然具有一些难点：

(1)当铜合金基体与熔覆层的材料体系之间的性能差别很大时，高速激光熔覆过程中存在失效问题。对于铜合金的激光熔覆的合金粉末，通常采用Co基、Fe基、Ni基这三种热喷涂用粉末。其中，Ni基合金粉末是应用最广泛的一种自熔性合金粉末，它是在镍硼硅合金系列基础上加入适量的铬而制成的，但通常Ni基合金粉末的熔点和热膨胀系数都与铜合金基体相差较大。CN 110747462 A中提供了高速激光熔覆的工艺思路，其中指出激光修复所用熔覆材料需要与基体金属二者的热膨胀系数、熔点相近，对于Ni基合金粉末这种和铜合金基体熔点和热膨胀系数相差较大的两种体系明显无法很好地适用。CN 110344056 A公开了利用高速激光熔覆以“粉包光”同轴送粉的方式在铜质基体表面制备熔覆层，其专用的熔覆合金体系为：Ni：15％～20％；Cr：5％～10％；Fe：15％～28％；C：6～9％；Co：9～20％；B：2～4％；Si：3.0～5.0％；P:2％；W3％～4％；其对比例二指出该方案不适用于与铜基材成分相近的镍基自熔合金粉末，其主要成分为，C：0.018g，Si：1.2g，B：0.66g，Fe：0.3g，Cu：12g，Ni：45.822g。

(2)高速激光熔覆在铜合金表面的应用中，依然存在由铜对激光的高反射率和良好导热性而导致的不易形成熔池的问题。

因此，如果能解决上述技术难点，能极大推动铜合金激光熔覆的整体发展。

发明内容

为了综合解决上述存在的问题，本发明提供了一种铜基表面激光熔覆铜合金粉末的方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种铜基表面激光熔覆铜合金粉末的方法，包括如下步骤：

(1)使用打磨工具打磨铜基工件表面，去除表面氧化层；再使用除污剂对铜基工件表面进行清洁，获得表面清洁的铜基表面；

(2)将铜基工件固定在工作平台上；

(3)通过高速激光熔覆光纤激光器，用激光熔覆粉末对铜基工件进行高速激光熔覆，其中的送粉方式为中心送粉，熔覆头与工作平台面夹角为75-86°，直接得到单层厚度为0.3-1.0mm的熔覆层；

所述激光熔覆粉末的化学成分以重量百分比表示如下：

C：0.01％-0.25％,B：0.5％-3％，Si：1％-4％,Cr：0-12％,Fe：0.5％-14％,Cu：10％-50％，Ni：30％-80％，粉末颗粒尺寸区间为25-150μm，球形度≥80％。

本发明中，所述的铜基体为纯铜、铬锆铜、黄铜、青铜、白铜等常见铜材料。所述的激光熔覆粉末在熔覆前需要烘干，烘干温度为80-100℃，烘干时间为1-2h。

所述步骤(1)中，所述打磨工具可以是抛光机和砂纸。所述除污剂优选采用丙酮或无水乙醇。

所述步骤(2)中，针对铜基工件本身导热性好导致的不易形成熔池的问题，优选控制所述工作平台的温度在100-400℃对铜基工件进行预热保温处理。

进一步，优选所述的工作平台为一个预热保温装置，所述预热保温装置包括加热控温单元、铜基工件装夹单元和预热保温单元；所述加热控温单元包括金属电加热棒，所述预热保温单元包括槽板，所述金属电加热棒被设置在槽板的槽中，所述铜基工件装夹单元包括与槽板相配合的螺丝螺母和压板，还包括用于连接铜基工件的铁基金属板，所述螺丝螺母和压板配合可将铁基金属板和铜基工件压贴固定在槽板之上；所述预热保温单元还包括上槽体和下槽体，所述槽板被设置在上槽体内，所述上槽体被设置在下槽体之上，且上下槽体之间填充有保温材料；

所述预热保温装置的使用方法包括如下步骤：在铜基工件和槽板之间垫入铁基金属板，通过铜基工件装夹单元将铜基工件和铁基金属板压贴固定在槽板之上；通过加热控温单元将槽板加热至设定的预热温度100～400℃；对铜基工件进行激光熔覆；熔覆结束后，用盖板盖住上槽体，让铜基工件在预热保温单元中冷却至预热温度，随后关闭加热温控单元，使铜基工件自然冷却至室温。

进一步地，槽板为T型槽板，螺丝螺母为T型螺丝螺母。

更进一步地，T型槽板采用铝合金材料制成。

更进一步地，铁基金属板为低碳钢板。

更进一步的，保温材料为保温陶瓷纤维棉。

所述步骤(3)中，激光器熔覆工艺参数按照如下方式确定：

①离焦量的确定

根据高速激光熔覆的特点，实际焦点位置位于工件上所以是正离焦，离焦量影响实际光斑的大小和能量分布，根据熔覆材料成分和熔覆厚度来确定合适的离焦量。具体通过激光器自带指示红光焦点位置，测量得焦点光斑大小，经过对不同离焦量的实际光斑尺寸的测量与不同的激光熔覆粉末成分来确定不同的离焦量。作为优选，正离焦量范围为0.5-1.5mm。特别的是，发明人经过大量探索和创造性劳动，发现针对本发明特定的激光熔覆粉末，正离焦量、光斑直径与所用激光熔覆粉末中铜含量存在密切关联，激光熔覆粉末中铜含量越高则与之匹配的离焦量越小且光斑直径也需越小，其背后物理机制是铜含量越高则该激光熔覆粉末导热性越好，需要更集中的激光能量才能实现有效熔化和熔覆。根据上述发现总结出的经验公式为：

正离焦量＝(1.5-铜质量百分含量/50)mm；

光斑直径＝(3.2-铜质量百分含量/50)。

②激光功率和熔覆扫描速率的确定

光斑大小确定后，依据激光扫描速率、激光光斑尺寸和激光功率与熔覆粉末的匹配关系，选定合适的激光功率和熔覆扫描速率。具体是采用单道熔覆的不同激光功率与不同扫描速率的反复迭代实验来最终确定与激光熔覆粉末成分相匹配的工艺参数。作为优选，所述高速激光熔覆光纤激光器的激光功率2400-2800W，扫描速率为75-95mm/s。

③中心送粉参数的确定

中心送粉参数一方面需要与激光器功率参数相匹配，另一方面与熔覆头的整体运动相关联。由于受到激光功率、光斑尺寸和扫描速率的限制，单道熔覆的宽度十分有限，限制了其工业应用的范围。对于大面积激光熔覆，应采用多道搭接技术，使熔覆的每道之间按一定的比例交叠，以实现熔覆层宽度的增加。在已经确定了对应单道熔覆的激光功率与扫描速率的情况下，对比不同搭接率下的熔覆效果，选择对应的较为合适的搭接率、粉盘转速与保护气(氩气)流量。作为优选，扫描方式为搭接扫描，搭接率为55-65％，粉盘转速为0.6-0.9r/min，氩气流量为1～10L/min。特别的是，发明人发现中心送粉的半熔融粉末和上一道次搭接时存在一定的入射角度，半熔融粉末之间的碰撞会使得功率密度的分布不均，影响熔池，最终影响熔覆层的质量。本发明为保证合适的搭接率与良好的熔覆质量，更好地匹配相对成分的粉末，提出尝试调整熔覆头与工作面夹角，角度从常规的90°垂直调整为75-86°。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明针对特定的激光熔覆粉末，熔覆前不需要加过渡层和预涂覆层等，采用中心送粉并控制熔覆头工作夹角的方式单层熔覆直接得到想要的熔覆层，简化了工艺；采用高速激光熔覆手段，得到熔覆层与铜基体为可靠的冶金结合，熔覆层质量良好，无裂纹和气孔，提高了铜基体表面的硬度。

(2)本发明针对铜基上特定激光熔覆粉末的激光熔覆，总结出了正离焦量和光斑直径的经验公式，在保证熔覆层质量的基础上大大减少了工作量。

(3)本发明通过对铜基工件进行预热保温促进熔覆层与基体牢固结合并充分释放冷却过程产生的热应力，显著降低了显著降低了残余内应力，为大面积无裂纹熔覆层的实现提供保障。

第二方面，为解决铜基工件本身导热性好导致的不易形成熔池的问题，本发明提供一种用于铜基激光增材制造时，对增材物料进行预热，从而能够稳定形成熔池的预热保温装置。

用于激光增材制造的预热保温装置，该预热保温装置设置于激光增材的熔覆工作台上，该预热保温装置具有保温腔，保温腔内设置有加热控温单元和工件装夹单元，保温腔顶部开口以允许激光作用于增材物料上，开口处设有盖子。

进一步的，包括加热控温单元，铜基工件装夹单元，预热保温单元；所述铜基工件装夹单元包括与所述槽板相配合的螺丝螺母和压板，还包括用于连接铜基工件的铁基金属板，所述螺丝螺母和压板配合可将所述铁基金属板和铜基工件压贴固定在所述的槽板之上。

更进一步的，所述的加热控温单元包括金属电加热棒，所述预热保温单元包括槽板，所述的金属电加热棒被设置在所述的槽板的槽中；所述预热保温单元还包括上槽体和下槽体，所述T型槽板被设置在所述的上槽体内，所述的上槽体被设置在所述的下槽体之上，且上下槽体之间填充有保温材料。

进一步的，所述的加热温控单元包括温控调节控制基座和加热平板，所述的温控调节控制基座通过支撑柱与加热平板相连，所述的支撑柱上设有隔热片；所述预热保温单元包括上槽体和下槽体，所述的T型槽板被设置在所述的上槽体内，所述的上槽体被设置在所述的下槽体之上，且下槽体内填充有冷却液。

更进一步的，所述的槽板为T型槽板，所述的螺丝螺母为T型螺丝螺母。

更进一步的，所述的T型槽板采用铝合金材料制成。

更进一步的，所述的铁基金属板为低碳钢板。

进一步的，所述的保温材料为保温陶瓷纤维棉。

本发明还提供了一种用于激光增材制造的预热保温装置的激光增材制造方法，包括如下步骤：在铜基工件和所述的槽板之间垫入所述的铁基金属板，通过所述的铜基工件装夹单元将所述的铜基工件和铁基金属板压贴固定在所述的槽板之上；通过所述的加热控温单元将所述槽板加热至设定的预热温度；对所述铜基工件进行激光熔覆；熔覆结束后，用盖板盖住所述的上槽体，让所述的铜基工件在所述的预热保温单元中冷却至预热温度，随后关闭所述的加热温控单元，使所述铜基工件自然冷却至室温。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明填补了激光增材制造研究领域的实验用预热-保温一体化设备的空白，对激光增材制造技术中工作温度这一关键性工艺的控制提出了一种设备解决方案，对促进研究进展打下基础。

(2)本发明通过显著高于样品表面的槽壁设计，从而对激光增材制造实验过程中常见的烟尘、飞溅、激光散热等安全风险提供了基础性的防护措施，保障了实验人员的人身安全。

(3)本发明结合模块化与分体式设计思路，依靠成熟的加热温控、装夹等模块设计，有效降低了本发明设备的制备难度，并有效提高设备的稳定性和可靠性；分体式设计不仅大幅降低了设备的维护难度与成本，更为设备的拓展与迭代提供了充足空间，进一步提高了本发明设备的泛用性和兼容性。

第三方面，为解决铜基工件本身导热性好导致的不易形成熔池的问题，本发明提供一种用于铜基激光增材制造时，提供必须的预热和保温环境，实现对不同尺寸轴向工件的良好兼容性，从而能够稳定形成熔池的预热保温装置。

用于激光增材制造的预热保温装置，包括与激光熔覆头相配合的基座和预热保温单元，该预热保温单元包括分别设于基座两侧的至少一组感应预热元件和连接件，相邻的感应预热元件之间通过连接件相连，感应预热元件与基座共同形成工件加热保温区。

进一步地，所述的感应预热元件包括保温材料和设于保温材料上的感应线圈，所述的感应线圈为盘绕式固连在保温材料的外表面上，所述的基座外表面上设有监控设备，所述的监控设备通过高频电源与感应线圈相配合。

进一步地，所述连接件为轴承滚轮，所述保温材料上具有供轴承滚轮的轴插入的通孔。

进一步地，所述基座上部具有供激光熔覆头插入的第一开口，该第一开口上设有卡扣；基座下部设有保温陶瓷，该保温陶瓷上设有供激光作用于增材物料上的第二开口；所述的基座上还设有风扇和温控探头。

进一步地，所述的保温材料为耐热保温陶瓷。

进一步地，所述的基座的外壳为铝合金板材。

本发明还提供了一种激光增材制造用预热保温装置的激光增材制造方法，其特征在于：包括如下步骤：根据工件直径和预热要求，在基座上左右交替地逐个安装适合数量的感应预热元件；将工件加持固定在四爪卡盘上，将感应预热元件安装完毕的基座套入熔覆头，通过卡扣将整个装置固定在激光熔覆头上；控制激光熔覆头移动带动装置移动至工件加工位置，启动卡盘，工件开始旋转，稳定后启动感应线圈冷却风扇，随后启动感应线圈的高频电源，预热工件待集成在基座内的温控探头提示工件预热温度达到预定值后，启动熔覆程序，进行熔覆操作。

进一步的，制备结束后，先关闭感应线圈的高频电源，5min后关闭冷却风扇，工件缓慢降至室温后，抬升激光熔覆头，使之离开装置，随后取出整个装置。

更进一步的，对预热保温要求高的，应保证元件数能够包裹柱形工件完整一周

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用了模块化设计思路，将感应线圈与保温材料以模块化单元的形式组合，可以根据不同的制备需求快速调整模块化单元的数目、角度等，从根本上解决了传统固定式感应加热装置无法兼容不同尺寸轴向样品的普遍问题，具备优秀的工件适用性和操作灵活性；

(2)本发明通过分布式组合，可有效调整工件不同区域预热温度，三组独立感应线圈能充分满足激光增材制备的前、中、后三个阶段不同的保温需求，有针对性地解决不同工件对应的加工制备要求，从而进一步提高材料性能。

(3)本发明通过固定基座的全封闭式设计，对激光增材制备过程中常见的烟尘、飞溅、激光散热等安全风险提供了有效的防护措施，保障了研究与生产制备过程中的人身安全。结合近距离监控摄像机，可以有效加强制备过程中的监控力度，进一步提高安全性。

(4)本发明使用耐热陶瓷作为保温材料，完全隔离了感应线圈与工件，不仅避免了潜在的短路风险，更摆脱了激光增材制备过程中激光散射、高温金属液滴飞溅等极端恶劣环境对传统感应加热装置中感应线圈的巨大破坏，结合线圈冷却风扇对设备的冷却降温，显著提高装置的使用寿命和稳定性。

第四方面，为解决铜基工件本身导热性好导致的不易形成熔池的问题，本发明提供一种用于铜基激光增材制造时，通过保温装置实现增材物料上的熔覆材料在激光熔覆加工过程中持续处于保温状态，从而能够稳定形成熔池的预热保温方法。

用于激光增材制造的预热保温方式，包括以下步骤：通过保温装置实现增材物料上的熔覆材料在激光熔覆加工过程中持续处于保温状态；增材物料的加工位置在激光熔覆加工过程中持续处于被加热状态。

进一步地，所述保温装置采用电加热的方式进行加热保温。

进一步地，所述保温装置采用电加热棒或电加热板的方式进行加热保温。

进一步地，所述保温装置采用感应线圈的方式进行加热保温。

进一步地，所述保温装置还配合有冷却液和散热鳍片进行加热保温。

进一步地，所述保温装置包括加热控温单元、铜基工件装夹单元和预热保温单元；所述加热控温单元包括金属电加热棒，所述预热保温单元包括槽板，所述金属电加热棒被设置在槽板的槽中；所述预热保温单元还包括上槽体和下槽体，所述槽板被设置在上槽体内，所述上槽体被设置在下槽体之上，且上下槽体之间填充有保温材料；加热保温方式为通过加热控温单元将槽板加热至设定的预热温度100～400℃，对铜基工件进行激光熔覆后，用盖板盖住上槽体。

进一步地，所述的保温装置包括加热控温单元、铜基工件装夹单元和预热保温单元；所述的加热温控单元包括温控调节控制基座和加热平板，所述的温控调节控制基座通过支撑柱与加热平板相连，所述的支撑柱上设有隔热片；所述预热保温单元包括上槽体和下槽体，所述的T型槽板被设置在所述的上槽体内，所述的上槽体被设置在所述的下槽体之上，且下槽体内填充有冷却液；加热保温方式为通过启动控制加热温控单元将加热平板加热，设定温度为冷却液沸点，对铜基工件进行激光熔覆后，改变低碳钢板厚度。

进一步地，所述的感应预热元件包括保温材料和设于保温材料上的感应线圈，所述的感应线圈为盘绕式固连在保温材料的外表面上，所述的表面上设有监控设备，所述的监控设备通过高频电源与感应线圈相配合；加热保温方式为通过启动高频电源对感应线圈进行加热至设定的预热温度，对铜基工件进行激光熔覆后，关闭高频电源。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例中的激光熔覆制造预热保温装置示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例中的激光熔覆制造预热保温装置示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例中的激光熔覆制造预热保温装置分体图；

图4是本发明的一个较佳实施例中的激光熔覆制造预热保温装置分体图；

图5是本发明的一个较佳实施例中的激光熔覆制造预热保温装置分体图；

图6为激光熔覆头实际工作图。

图7为实施例4、1、5、6用不同工作角度的熔覆层金相图。

图8为实施例1所得激光熔覆层放大50倍金相图。

图9为实施例1所得激光熔覆层放大100倍金相图。

图10为实施例1熔覆层到铜基体的显微硬度分布曲线图。

图11为实施例2所得激光熔覆层放大100倍金相图。

图12为实施例3所得激光熔覆层放大100倍金相图。

图13为实施例1(a)和实施例7(b)的熔覆层残余内应力的X射线测试结果

图14为实施例7的激光熔覆层的金相图。

图15为实施例8中激光熔覆制造预热保温装置分体图；

图16为实施例8中基座结构示意图。

图17为实施例8中感应预热元件构示意图。

图18为实施例7中第二种实施例激光熔覆制造预热保温装置分体图；

图19为实施例7中第二种实施例上槽体结构示意图。

图20为实施例7中第二种实施例下槽体结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

实施例1-3

1、实施例1-3中使用的激光熔覆装置为西安中科中美有限公司生产的ZKZM-4000激光熔覆产品，包括光线耦合半导体激光器、冷水机、熔覆头、送粉器等部件。所用激光熔覆粉末的配方如下表1所示(质量百分数)：

表1

合金材料粉末颗粒尺寸区间为25-150μm，球形度≥80％。

2、铜基工件的预处理

用打磨机和砂纸打磨纯铜工件表面，去除表面氧化层；并用无水酒精或丙酮对纯铜工件表面进行清洁，获得表面清洁的纯铜工件表面；

3、熔覆合金粉末的预处理

激光熔覆粉末在熔覆前需要烘干，烘干温度为80-100℃，烘干时间为1-2h。

4、激光器熔覆工艺参数的确定

4.1离焦量的确定

根据高速激光熔覆的特点，实际焦点位置位于工件上所以是正离焦，离焦量影响实际光斑的大小和能量分布，根据熔覆材料成分和熔覆厚度来确定合适的离焦量。

具体通过激光器自带指示红光焦点位置，测量得焦点光斑大小为2mm，利用经验公式确定正离焦量和光斑直径：

正离焦量＝(1.5-铜质量百分含量/50)mm；

光斑直径＝(3.2-铜质量百分含量/50)mm

得到的具体参数如下表2所示：

表2

	实施例1	实施例2	实施例3
				正离焦量	1.3mm	0.765mm	1.1mm
对应光斑直径	3mm	2.465mm	2.8mm

4.2激光功率和熔覆扫描速率的确定

光斑大小确定后，依据激光扫描速率、激光光斑尺寸和激光功率与熔覆粉末的匹配关系，选定合适的激光功率和熔覆扫描速率。实施例中具体采用单道熔覆的不同激光功率与不同扫描速率的反复迭代实验来最终确定与合金成分相匹配的工艺参数，具体参数如下表3所示：

表3

	实施例1	实施例2	实施例3
				激光功率	2400W	2600W	2800W
扫描速率	95mm/s	85mm/s	75mm/s

5、中心送粉参数

在4.2中已经确定了对应单道熔覆的激光功率与扫描速率，对比不同搭接率下的熔覆效果，选择对应的较为合适的搭接率、粉盘转速与氩气流量，具体参数如下表4所示：

表4

为保证合适的搭接率与良好的熔覆质量，更好地匹配相对成分的粉末，熔覆头与工作面夹角从常规的90°垂直调整为一定角度，实际工作图如图6所示，工作夹角如表5所示：

表5

	实施例1	实施例2	实施例3
				工作角度	75±0.5°	79±0.5°	86±0.5°

基于上述工艺步骤和参数设置，实施例1、2和3的熔覆层的金相如图8、9、11和12所示，通过金相实验证明得到无裂纹和气孔的冶金质量良好的熔覆层，实施例1显微硬度分布曲线如图10所示，熔覆层的硬度明显高于铜基体的硬度，说明本激光熔覆技术能提高铜材料表面的硬度。实施例1的熔覆层残余内应力的X射线测试结果如图13(a)所示，最大残余内应力为326MPa。

实施例4-6

为验证熔覆头工作角度对于中心送粉后熔覆效果的影响，改变熔覆头工作角度，其他条件同实施例1，对比不同的工作角度得到的熔覆结果，其结果如下表6所示，对应金相结果如图7所示。

表6

	实施例4	实施例1	实施例5	实施例6
					工作角度	90	75	60	45
熔覆质量	有少量气孔	无气孔无裂纹	有少量裂纹	有裂纹

实施例7

本实施例采用一种激光熔覆制造预热保温装置，其由如图3、4所示的各部件组合形成如图1、2所示的样式。

该预热保温装置设置于激光增材的熔覆工作台上，该预热保温装置具有保温腔，保温腔内设置有加热控温单元和工件装夹单元，保温腔顶部开口以允许激光作用于增材物料上，开口处设有盖子。进行激光作业时，盖子打开。激光作业完成，需要保温时，盖子盖上。

该预热保温装置包括加热温控单元、铜基工件装夹平台、上槽体、下槽体与保温陶瓷纤维棉。加热温控单元由金属电加热棒1、连接电线2、商用模块化控制盒3组成；铜基工件装夹平台由T型槽板4、标准T型螺丝螺母和压板组合5、低碳钢板6组成，对铜基工件7进行有效固定；上槽体8与下槽体10之间填充有保温陶瓷纤维棉9。加热温控单元能提供20-500℃热源，集成温感探头用于对铜基工件装夹平台进行预热加热；铜基工件装夹平台采用模块化设计，由标准的T型槽板、螺丝螺母、压板、低碳钢板组成，可以装夹不同尺寸的铜基工件；上下槽体组合起到对铜基工件装夹平台的支撑作用，同时内衬陶瓷纤维棉，兼顾隔热保温功能，实现对包括铜基工件在内的整个铜基工件装夹平台的保温。加热温控单元使用金属电加热棒作为加热单元，集成温感元件，保证温度安全可控；控制台使用模块化温控单元，具有温度显示功能，可以接获得设定温度与实际温度信息，与之配套的有温度设定按键和指示灯，用于提示工作情况，以及电源总开关。下槽体顶端与上槽体连接处以及上槽体电线连接处均使用耐高温胶圈密合，提高保温性能。

激光熔覆制造前，金属电加热棒1受商用模块化控制盒3控制，将T型槽板4加热至设定的预热温度，在热传递作用下，同时加热低碳钢板6和铜基工件7，由于T型槽板4采用铝合金材料，具有良好的导热性，可以使铜基工件7表面温度与T型槽板4相接近。实现对铜基工件7增材制造前的预热温度的精确控制。

激光熔覆制造开始后，低碳钢板6用于保护T型槽板4免受激光烧蚀破坏，由于激光输入的热量会被铜及铜合金极好的热导率扩散，因此上槽体8与下槽体10之间的耐高温保温陶瓷纤维棉9开始发挥作用，依靠陶瓷纤维棉9的保温性能以及上槽体8与下槽体10组合形成的封闭空间，将铜基工件7传导的热量集中在铜基工件装夹平台内，实现对铜基工件的有效保温。

与其他实施例中，如图18-20所示，所述的加热温控单元温控调节控制基座1a和加热平板2a，述的温控调节控制基座通过支撑柱3a与加热平板2a相连，所述的支撑柱上设有隔热片30a；所述的预热保温单元包括上槽体8a和下槽体10a，所述的上槽体8a为铝合金槽体设置，具体的该上槽体8a底部设有铝合金散热鳍片80；所述的下槽体10为铝合金槽体设置，下槽体10a侧壁上设有泄压口110和补液口111组成，下槽体10a放置在加热平板的顶部，上槽体8a放置在下槽体10a内部，下槽体10a内部装有冷却液；当工作结束后，轻轻抬起下槽体10a，进行废粉清理回收以及槽内清洗等收尾工作，对长时间使用后的冷却液进行更换。

激光熔覆制造前，将下槽体10a中储存的冷却液加热至沸点，在热传递作用下，同时加热上槽体8a和样品装夹平台，将实验样品预热至冷却液沸点附近，实现对铜基工件增材制造前的预热温度的精确控制。

激光熔覆制造开始后，由于激光热量的迅速输入，实验样品迅速升温，低碳钢板11、T型槽板4、上槽体8a迅速将实验样品集聚的热量通过散热鳍片80快速传导至接近沸腾的冷却液中，冷却液快速汽化并吸收大量热量，蒸汽携带热量从泄压口110排除，实现强力制冷，实现对铜基工件的有效保温。

一种激光熔覆制造预热保温装置的使用方法，该方法采用以上所述的装置，并按照以下步骤进行：

(1)开始前，检查控制盒3显示屏、按钮、电源等是否运转正常，检查金属加热棒1是否与T型槽板4固定紧密，与供电线2是否连接正常。

(2)将铜基工件7使用压板装夹在铜基工件装夹平台上，铜基工件与T型槽板4之间垫入低碳钢板6，用压板将铜基工件7、低碳钢板6与T型槽板4紧密压实固定，打开加热温控单元控制盒3，调节所需要的预热温度250℃，待温感示数达到预热温度。

(3)采用实施例1的激光熔覆装置和工艺参数对铜基工件7进行激光熔覆制造。

(4)熔覆结束后，盖上盖板，让铜基工件7在保温设备中缓慢冷却至预热温度，关闭加热温控单元控制盒3的电源，让铜基工件7随预热装置一同冷却至室温。

(5)待铜基工件7冷却至室温后，打开盖板，取出铜基工件7，提起上槽8，进行废渣等清理工作。

在另一优选实施例中，步骤2)中，将铜基工件焊接在低碳钢板上，以防止铜基工件受热发生变形，从而无法和低碳钢板紧密贴合从而使保温导热条件弱化。其他步骤与上述激光熔覆制造预热保温装置的使用方法相同。

本方法可以作为实施例1～6的预热方法，与实施例1～6的铜合金激光熔覆方案相结合。

实施例7的激光熔覆层的金相如图14所示，通过金相实验证明得到无裂纹和气孔的冶金质量良好的熔覆层。实施例7的熔覆层残余内应力的X射线测试结果如图13(b)所示，最大残余内应力为187MPa。与实施例1相比，显著降低了残余内应力，其原因主要是通过预热保温促进覆层与基体牢固结合并充分释放冷却过程产生的热应力，为大面积无裂纹熔覆层的实现提供保障。

实施例8

本实施例采用一种激光增材分布式感应预热保温装置，其由图16、17所述的各部分组合成如图15所示的样式。

用于激光增材制造的预热保温装置，包括基座100，基座100用于将本发明装置与激光熔覆头固定，使之能始终随着熔覆头1移动，具体的，基座100外壳为铝合金板材焊接设置；该基座100的两侧均设置至少一组感应预热元件200，感应预热元件200包裹于工件外表面，与其他实施例中，感应预热元件200为一组或一组以上设置均可，感应预热元件与基座共同形成工件加热保温区，感应预热元件200是对工件进行预热保温的主要部分，该单元能互相连接，针对工件的大小形状的不同，进行安排感应预热元件200的数量；所述相邻的感应预热元件之间通过连接件101相配合，连接件101的设计实现了感应预热元件与工件距离的恒定，确保了感应加热性能的稳定，具体的，所述连接件101为轴承滚轮。

进一步地，所述基座上部具有供激光熔覆头1插入的第一开口110，该第一开口上设有卡扣107；基座100下部设有保温陶瓷，该保温陶瓷上设有供激光作用于增材物料上的第二开口。

进一步地，所述的感应预热元件200包括保温材料201和设于保温材料201上的感应线圈202，每组感应线圈202额定保守设定150W，即每个单元最高加热功率限制在450W以内，所述的保温材料201为耐热保温陶瓷设置，所述保温材料上具有供轴承滚轮的轴插入的通孔203，高温陶瓷的引入解决了传统感应加热装置缺乏大面积保温的问题，兼具工件保温、线圈隔热与支撑功能，同时使整个装置密封性能有效提高，所述的感应线圈202为盘绕式固连在保温材料201的外表面上。

进一步地，所述的基座100外表面上设有监控设备，该监控设备通过高频电源与感应线圈202相配合，具体的，基座100通过钢制模块连接件101将多组感应预热元件200连接；通过钢制模块连接件101可以固定每组与感应预热元件200的位置，使之不再依托于工件表面，从而实现对复杂异形件制备的支持。

进一步地，所述的基座100上还设有风扇105和温控探头106，风扇105为2个设置在基座100的左右两侧；所述的温控探头106用于感应温度的数值。

一种激光熔覆制造预热保温装置的使用方法，该方法采用以上所述的装置，并按照以下步骤进行：

(1)开始前，确定工件的直径和预热要求，根据确定的好的直径和预热要求进行安装感应预热元件200的数量，将一定数量的感应预热元件200左右交替式的安装在基座100上，对于预热要求高的工件，应保证感应预热元件200能够包裹柱形工件完整一周；

(2)然后，运用四爪卡盘将工件进行夹持，将安装好的感应预热元件200套入熔覆头上，旋转基座顶端的卡扣107，整个装置固定在激光熔覆头上；

(3)紧接着，启动激光熔覆头缓慢的移动到制备的起始位置，对工件完成固定后，使得感应预热元件200贴近工件外表面。

(4)四爪卡盘启动，工件进行旋转，随后启动风扇105和高频电源，先设定三组线圈对应区域的预热温度进行开始预热，当温控探头106提示工件预热温度达到预设值后，启动熔覆程序，进行激光熔覆；

(5)当激光熔覆完成后，先关闭高频电源，5min后关闭风扇105，当工件缓慢将至到室温后，激光熔覆头进行抬起，与装置进行离开，随后再把整个装置去除；

(6)清除装置残留的废粉等杂质，将工件置于干燥环境保存。

本方法可以作为实施例1～6的预热方法，与实施例1～6的铜合金激光熔覆方案相结合。

用于激光增材制造的预热保温装置，当对圆柱形工件进行加工时，上述(3)中具体详细操作为：将激光熔覆头缓慢的移动到制备的起始位置，松开对基座100顶部的卡扣107，使得基座100和感应预热元件200靠借滚轮支撑在工件的外表面；如果对于感应预热元件200能够包裹柱形工件完整一周的，在此时再将最低的两个感应预热元件200连接固定，从而实现对工件的完整包裹；

上述(4)中具体详细操作为：四爪卡盘启动，工件进行旋转，随后启动风扇105和高频电源，先设定三组线圈对应区域的预热温度进行开始预热，当温控探头106提示工件预热温度达到预设值后，启动熔覆程序，感应预热元件200将随熔覆头在XY方向上运动，实现感应预热元件200区域与加工区域的始终同步。

用于激光增材制造的预热保温装置，当对加工异形件的使用方法时，上述(3)中具体详细操作为：紧接着，启动激光熔覆头缓慢的移动到制备的起始位置，工件完成固定后，微调每组感应预热元件200之间的夹角，保证每组感应预热元件200尽可能的贴近工件外表面，然后将每组感应预热元件200通过钢制连接件101进行固定；

上述(4)中具体详细操作为：四爪卡盘启动，工件进行旋转，随后启动风扇105和高频电源，先设定三组线圈对应区域的预热温度进行开始预热，当温控探头106提示工件预热温度达到预设值后，启动熔覆程序，感应预热元件200将随熔覆头1在XYZ方向上运动。

实施例9

用于激光增材制造的预热保温方式，包括以下步骤：通过保温装置实现增材物料上的熔覆材料在激光熔覆加工过程中持续处于保温状态；增材物料的加工位置在激光熔覆加工过程中持续处于被加热状态。

具体的，所述保温装置采用电加热的方式进行加热保温。

所述保温装置所述保温装置包括加热控温单元、铜基工件装夹单元和预热保温单元；所述加热控温单元包括金属电加热棒，所述预热保温单元包括槽板，所述金属电加热棒被设置在槽板的槽中；所述预热保温单元还包括上槽体和下槽体，所述槽板被设置在上槽体内，所述上槽体被设置在下槽体之上，且上下槽体之间填充有保温材料；保温装置的具体结构与实施例7中的结构相同；加热保温方式为通过加热控温单元将槽板加热至设定的预热温度100～400℃，对铜基工件进行激光熔覆后，用盖板盖住上槽体；具体方式为：将铜基工件7使用压板装夹在铜基工件装夹平台上，铜基工件与T型槽板4之间垫入低碳钢板6，用压板将铜基工件7、低碳钢板6与T型槽板4紧密压实固定，打开加热温控单元控制盒3，调节所需要的预热温度250℃，待温感示数达到预热温度后，采用实施例1的激光熔覆装置和工艺参数对铜基工件7进行激光熔覆制造。

于其他实施例中，所述保温装置采用感应线圈的方式进行加热保温；所述的感应预热元件包括保温材料和设于保温材料上的感应线圈，所述的感应线圈为盘绕式固连在保温材料的外表面上，所述的表面上设有监控设备，所述的监控设备通过高频电源与感应线圈相配合；保温装置的具体结构与实施例8的结构相同；加热保温方式为通过启动高频电源对感应线圈进行加热至设定的预热温度，对铜基工件进行激光熔覆后，关闭高频电源：具体为：启动风扇105和高频电源，先设定三组线圈对应区域的预热温度进行开始预热，当温控探头106提示工件预热温度达到预设值后，启动熔覆程序，进行激光熔覆。

于其他实施例中，所述保温装置还配合有冷却液和散热鳍片进行加热保温；所述的保温装置包括加热控温单元、铜基工件装夹单元和预热保温单元；所述的加热温控单元包括温控调节控制基座和加热平板，所述的温控调节控制基座通过支撑柱与加热平板相连，所述的支撑柱上设有隔热片；所述预热保温单元包括上槽体和下槽体，所述的T型槽板被设置在所述的上槽体内，所述的上槽体被设置在所述的下槽体之上，且下槽体内填充有冷却液；保温装置的具体结构与实施例7中另一种实施例的结构相同；加热保温方式为通过启动控制加热温控单元将加热平板加热，设定温度为冷却液沸点，对铜基工件进行激光熔覆后，改变低碳钢板厚度：具体为：具体为：激光熔覆制造前，将下槽体10a中储存的冷却液加热至沸点，在热传递作用下，同时加热上槽体8a和样品装夹平台，将实验样品预热至冷却液沸点附近，实现对铜基工件增材制造前的预热温度的精确控制；激光熔覆制造开始后，由于激光热量的迅速输入，实验样品迅速升温，低碳钢板11、T型槽板4、上槽体8a迅速将实验样品集聚的热量通过散热鳍片80快速传导至接近沸腾的冷却液中，冷却液快速汽化并吸收大量热量，蒸汽携带热量从泄压口110排除，实现强力制冷，实现对铜基工件的有效保温。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种铜基表面激光熔覆铜合金粉末的方法，包括如下步骤：

(1)使用打磨工具打磨铜基工件表面，去除表面氧化层；再使用除污剂对铜基工件表面进行清洁，获得表面清洁的铜基表面；

(2)将铜基工件固定在工作平台上；

(3)通过高速激光熔覆光纤激光器，用激光熔覆粉末对铜基工件进行高速激光熔覆，其中的送粉方式为中心送粉，熔覆头与工作平台面夹角为75-86°，直接得到单层厚度为0.3-1.0mm的熔覆层；

所述激光熔覆粉末的化学成分以重量百分比表示如下：

C：0.01％-0.25％,B：0.5％-3％，Si：1％-4％,Cr：0-12％,Fe：0.5％-14％,Cu：10％-50％，Ni：30％-80％，粉末颗粒尺寸区间为25-150μm，球形度≥80％。

2.如权利要求1所述的铜基表面激光熔覆铜合金粉末的方法，其特征在于：正离焦量范围为0.5-1.5mm。

3.如权利要求2所述的铜基表面激光熔覆铜合金粉末的方法，其特征在于通过下列经验公式确定正离焦量和光斑直径：

正离焦量＝(1.5-铜质量百分含量/50)mm；

光斑直径＝(3.2-铜质量百分含量/50)mm。

4.如权利要求1-3之一所述的铜基表面激光熔覆铜合金粉末的方法，其特征在于：所述高速激光熔覆光纤激光器的激光功率2400-2800W，扫描速率为75-95mm/s。

5.如权利要求4所述的铜基表面激光熔覆铜合金粉末的方法，其特征在于：扫描方式为搭接扫描，搭接率为55-65％，粉盘转速为0.6-0.9r/min，氩气流量为1～10L/min。

6.如权利要求1-5之一所述的铜基表面激光熔覆铜合金粉末的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，控制所述的工作平台温度在100～400℃，以对铜基工件进行预热保温。

7.如权利要求6所述的铜基表面激光熔覆铜合金粉末的方法，其特征在于：所述的工作平台为一个预热保温装置，所述预热保温装置包括加热控温单元、铜基工件装夹单元和预热保温单元；所述加热控温单元包括金属电加热棒，所述预热保温单元包括槽板，所述金属电加热棒被设置在槽板的槽中，所述铜基工件装夹单元包括与槽板相配合的螺丝螺母和压板，还包括用于连接铜基工件的铁基金属板，所述螺丝螺母和压板配合可将铁基金属板和铜基工件压贴固定在槽板之上；所述预热保温单元还包括上槽体和下槽体，所述槽板被设置在上槽体内，所述上槽体被设置在下槽体之上，且上下槽体之间填充有保温材料；

所述预热保温装置的使用方法包括如下步骤：在铜基工件和槽板之间垫入铁基金属板，通过铜基工件装夹单元将铜基工件和铁基金属板压贴固定在槽板之上；通过加热控温单元将槽板加热至设定的预热温度100～400℃；对铜基工件进行激光熔覆后，用盖板盖住上槽体，让铜基工件在预热保温单元中冷却至预热温度，随后关闭加热温控单元，使铜基工件自然冷却至室温。

8.如权利要求7所述的铜基表面激光熔覆铜合金粉末的方法，其特征在于：槽板为T型槽板，螺丝螺母为T型螺丝螺母。

9.如权利要求8所述的铜基表面激光熔覆铜合金粉末的方法，其特征在于：T型槽板采用铝合金材料制成。

10.如权利要求1-3之一所述的铜基表面激光熔覆铜合金粉末的方法，其特征在于：铁基金属板为低碳钢板；保温材料为保温陶瓷纤维棉。

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