CN113046742B - 一种钨铜复合材料的激光增材制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速激光熔覆钨铜复合材料的制备方法，采用纯铜基体以及钨粉，通过高速激光熔覆法在铜基体表面形成钨铜覆层。激光采用多束光汇聚成平顶光模式，钨粉采用熔覆头中心同步送粉形成光包粉的空间组合，经过激光加热纯钨粉，对纯铜进行激光熔覆，纯铜基体表面的铜熔化后提供的熔融铜和钨粉形成熔池，铜基体下方安置的感应线圈产生感应磁场对熔池充分电磁搅拌，冷却后得到钨铜覆层。本发明无需加铜粉，采用单送钨粉，利用铜基体中的铜直接激光熔覆后获得钨铜覆层，简化了工艺。由于钨铜覆层中的铜是在纯铜基体上原位熔覆形成，覆层与基体是一个整体的无裂纹的冶金结合，且覆层中的钨含量可通过工艺参数调整，可满足不同工况条件所需钨铜含量变化的要求。

Description

一种钨铜复合材料的激光增材制备方法

技术领域

本发明涉及金属制造领域，尤其涉及一种高速激光熔覆的合金覆层制备方法。

背景技术

钨铜合金是由钨与铜组成的既不互溶又不形成金属间化合物的假合金，正是这种组合使得钨铜合金同时具有钨和铜的多种优良性能。并且在高温电弧的作用下，铜蒸发会带走大量热量，冷却钨骨架，降低电子发射程度。钨铜合金开断性能良好，尤其适合作为高压、超高压开关电器的触头。对于钨铜触头材料，钨和铜的相对含量对材料的性能有着至关重要的影响。研究表明，钨铜触头材料的硬度随合金中钨含量的增加而增加，同时硬质钨相的增加有利于提高钨铜电触头材料的稳定性，降低触头材料的电弧烧损率；随钨铜触头材料中高导电和高导热相铜含量的增加，触头材料的电导率和热导率都呈上升趋势。

近年来，随着电器行业的不断发展，对触头材料各方面的要求也进一步提高：特殊物理性能要求触头材料的成分和微观结构控制更加严格，钨铜材料的传统制备方法无法满足电触头材料更高的要求。传统的制备方法包括高温液相烧结和熔渗法。高温液相烧结法的理论致密度为90-95%，为了提高其密度，在液相烧结之后需增加后续处理工序：复压、热压、热锻等，这使得工艺复杂化，同时增加了成本。熔渗法中的液相铜仅靠钨骨架孔隙的毛细管作用渗入，致密化速度慢，熔渗后的WCu 复合材料组织，钨颗粒产生合并长大，液相铜过分溢出使成分发生偏析，组织分布不均匀，且该方法工艺复杂且生产周期长，所得到的烧结品需要进行机加工去除多余的金属铜，增加了加工费用，降低了成品率。

激光熔覆这种新型的表面强化手段经过近些年的大功率激光器的发展已经逐渐成熟，在钨铜领域也有一定的应用，但是其在粉末处理工艺上仍然存在十分复杂的问题，这将极大阻碍激光熔覆工程化的应用。如CN103952697A发明中钨铜层的原料制备需要Cu粉和W粉经过湿法球磨20小时后烘干，过程太过复杂；如CN 110343925 A发明中需要采用超细晶或纳米晶钨粉末和铜粉末混合，粉末成本太高。

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。因此，如果能将高速激光熔覆应用于钨铜的制备，能极大推动钨铜触头产业的整体发展。

发明内容

本发明拟克服现有技术的缺陷，拟在纯铜基板上直接熔覆纯钨后得到钨铜覆层，制得兼具纯铜基体高导电性与钨铜覆层高硬度高耐烧蚀性能的合金材料，且有效降低整体材料成本。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高速激光熔覆钨铜复合材料的制备方法，原材料为纯铜基体以及钨粉，通过所述高速激光熔覆法在纯铜基体表面形成钨铜覆层。具体的，激光采用至少3束光汇聚成平顶光模式，钨粉采用熔覆头中心同步送粉的方式形成光包粉的空间组合，经过激光加热纯钨粉，利用加热的钨粉将热量带到纯铜基体表面，对纯铜进行高速激光熔覆，纯铜基体表面的铜熔化后提供的熔融铜和钨粉形成熔池，铜基体下方安置的感应线圈产生感应磁场对熔池充分电磁搅拌，熔覆结束后表面层冷却后得到钨铜覆层。

所述制备更为具体的步骤包括如下。

1）钨粉准备：钨粉烘干。更为具体的，采用粒径为5-25微米的球形纯钨粉，熔覆实验前，在烘箱内烘干，烘干温度为200-250℃，烘干时间为1-2h；

2）纯铜基体准备：使用打磨工具打磨纯铜基体表面，去除表面氧化层；再使用除污剂对纯铜基体表面进行清洁，获得表面清洁的铜基表面；

3）用纯钨粉对纯铜进行高速激光熔覆：通过高速激光熔覆光纤激光器，激光采用至少3束光汇聚成平顶光模式，钨粉采用熔覆头中心同步送粉的方式形成光包粉的空间组合；且在启动激光和送粉的同时，启动在纯铜基体下设置的感应线圈；纯钨粉经过激光加热后与铜表面熔化后提供的熔融铜形成熔池，感应线圈产生的感应磁促进熔池中的钨粉在熔融铜中充分搅拌；得到单层厚度为0.3-0.8mm的钨铜覆层；

更进一步，高速激光熔覆过程中，通过调节激光功率、扫描速度与送粉量等工艺参数，来调控钨铜覆层的钨含量。首先确定合适的激光功率，在能充分形成熔池的前提下，进一步调节扫描速度和送粉量进行钨含量的调控。优选的，送粉量8-12g/min，扫描速度80-120mm/s。

在纯铜表面直接熔覆钨粉制备钨铜覆层存在4大技术挑战。首先是纯铜对激光的散射非常严重，大部分的激光能量被散射掉无法被纯铜吸收从而加热纯铜；其次是纯铜导热性能极好，铜表面吸收激光产生的热量快速被铜本体导走；上述这2大特性使得在纯铜表面难以形成有效的能量聚集以产生熔池实现激光熔覆。这也是为何已有公开资料往往采用铺粉的工艺。预先在铜表面铺粘一层钨粉，能够克服反射率高的问题，同时激光作用在铺粘的钨粉上，通过熔化钨粉形成熔池。然而该技术存在的问题是不仅工序繁杂，且需要用粘结剂来实现铺粉，粘结剂在激光熔覆过程中汽化分解，增加了覆层的气孔等缺陷。也有少数报导尝试用双桶送粉技术，通过2个送粉器同时输送钨粉和铜粉到激光焦点形成熔滴，单独调整每个送粉器的送粉量即可调整覆层中钨铜比例，该思路虽然简便可行。但是钨铜之间还存在第3技术挑战—密度差异大和第4技术挑战—熔点差异大，使得双桶同步送粉技术难以获得高质量的钨铜覆层。钨的密度为19.35g/cm³而铜的密度仅8.9g/cm³，两者密度差异2倍以上，在熔池凝固时钨相和铜相因为密度差异导致分层。另外，钨的熔点高达3390摄氏度，而铜的熔点仅1080摄氏度，沸点仅2562摄氏度。因此当使钨熔化时环境温度已经超过铜的沸点，铜不仅熔化而且剧烈沸腾汽化，使得凝固组织中铜严重烧损并遗留大量气孔等缺陷。这也是目前文献报导激光制备钨铜覆层常见气孔和分层缺陷的深层次原因。

本发明充分意识到钨铜体系在激光熔覆过程中存在的4大技术挑战，发明了如下技术手段克服困难。

1、在激光能量吸收方面，本发明采用只同步送钨粉的方式，利用了钨粉对激光具有较好的吸收特性。同时采用至少3路光汇聚结合中心单路送粉的模式，增加了粉末与光路的空间作用路径，提高能量吸收率（如附图1所示）。并调整光的光路使所有光束聚集形成平顶光束，使70%的中心区加热钨粉，剩余约30%的周边光加热铜表面（如附图2所示）。

2、在减少热传导方面，本发明特别设置形成平顶光束的多路光的焦点位于铜表面（如附图1所示为各实施例使用的3束光路），这与其他报导的正离焦或者负离焦都不相同。其原因在于当焦点正好位于铜表面时，由于是3路光包粉的模式，70%的激光能量都用于加热钨粉，30%激光能量作用于铜表面（其中有一部分激光能量会被铜散射掉），当充分加热的钨粉在载气作用下撞击到铜表面，瞬间熔化铜表面形成熔池，钨颗粒在铜液中搅拌。

3、在克服钨铜密度差异导致分层方面，本发明在纯铜样品下方设置了一个感应线圈，对该线圈施加交流电从而产生感应磁场，利用感应磁场对铜表面的熔池形成电磁搅拌，强制阻止钨颗粒的下沉，使钨颗粒均匀分布在铜相中。感应磁场的强度通过施加的电流强度调控，并根据纯铜样品厚度相应调整磁场强度，确保电磁搅拌效果。

4、在克服钨铜熔点差异方面，本发明摒弃了常规的熔化钨粉末的思路，特意调控激光能量使其产生的环境温度在铜熔点和沸点之间，从而使得铜熔化而钨不熔化。不熔化的钨颗粒在载气作用下冲入铜熔池，凝固后形成钨铜混合的假合金。为实现该效果，本发明的激光功率(P)与送粉速度(v)和钨颗粒尺寸(d)需遵循如下关系式：(200v+10d)<P<(400v+20d)，其中激光功率单位为W；送粉速度单位为g/min；钨颗粒尺寸单位为um。

同时，发明人经过大量探索和创造性劳动，发现针对本发明通过高速激光熔覆技术获得钨铜覆层，所获得钨铜覆层中的钨含量(C)与送粉速度、扫描速度(w)存在密切关联，覆层中钨含量越高则与之匹配的送粉速度越快且扫描速度也需越小，其背后物理机制是：在形成纯铜熔池搅拌时钨粉在单位时间钨粉送入量越大、单位面积内接受激光热量越少、则覆层中钨含量越高。根据上述发现，发明人经过大量的数据，总结出的经验公式为：

C*100=140v/w+55；其中扫描速度w单位是mm/s；其中满足这个经验公式的条件为：钨含量C的有效范围是64%~97%。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）本发明不需如现有技术中，在熔覆基体表面采用预置合金粉末的方式，且无需加铜粉，采用同步送钨粉的方式，利用纯铜基体中的铜直接激光熔覆后获得钨铜覆层，大大简化了制备工艺。

（2）本发明制备得的纯铜基体-钨铜覆层结构，相较整体钨铜工件都采用钨铜材料，极大地节省了原材料成本。

（3）本发明采用的激光熔覆制备的钨铜覆层，由于钨铜覆层中的铜是在纯铜基体上原位熔覆形成，覆层与基体是一个整体的无裂纹的冶金结合，利于提高覆层材料的力学性能；且覆层中的钨含量可通过工艺参数调整，可满足绝大部分不同工况条件所需钨铜含量变化的要求。

附图说明

图1为本发明采用的3束光汇聚结合中心送粉的光包粉方式，且焦距位于工件表面。

其中，图中1为钨粉粉束，2为激光光束，3为激光熔覆头，4为纯铜基体。

图2为本发明采用的3束光汇聚为平顶光形态

图3为实施例1中获得钨铜覆层的金相图。

图4为实施例2中获得钨铜覆层的金相图。

图5为实施例3中获得钨铜覆层的金相图。

图6为对比例1中获得钨铜覆层的金相图。

图7为对比例2中获得钨铜覆层的金相图。

图8为对比例3中获得钨铜覆层的金相图。

图9为对比例4中获得钨铜覆层的金相图。

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。

如图1所示，为本发明各实施例采用的3束光汇聚结合中心送粉的光包粉方式示意图，且如图可以看到，焦距位于纯铜基体表面；如图2，其中3束光汇聚成平顶光形态的模式，且钨粉通过熔覆头中心同步送粉、形成光包粉的空间组合，这样纯钨粉经过激光加热，利用加热的钨粉将热量带到纯铜基体表面，对纯铜进行高速激光熔覆，纯铜基体表面的铜熔化后提供的熔融铜和钨粉形成熔池。同时，在铜基体下方有安置的感应线圈，感应线圈通过水冷的方式冷却，通过感应线圈产生感应磁场对熔池充分电磁搅拌，使熔池中的钨粉和铜液充分的搅拌，熔覆结束后表面层冷却后得到钨铜覆层。

实施例1：

（1）采用粒径为25微米的球形纯钨粉，激光熔覆前，在烘箱内烘干，烘干温度为200-250℃，烘干时间为1-2h。

（2）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；

（3）将纯钨粉通过高速激光熔覆设备制备钨铜覆层，激光设备采用高速熔覆光纤激光器，波长为1080nm连续输出模式，采用3束光结合中心送粉的光包粉模式，3束光汇聚形成平顶光形态，焦点位于铜表面，送粉方式为同步送粉，载气为氩气，其工艺参数如表1所示。

（4）在熔覆过程中对设置于纯铜工件底部的感应线圈通入冷却水和工频正弦波电流，线圈直径为100mm，电流最大值为10A。

表1

激光功率（W）	扫描速度（mm/s）	送粉速度（g/min）
			3200	80	8

本实例获得的钨铜覆层金相如图3所示，无裂纹且纯铜基体和覆层冶金结合良好，经过材料成分测试计算后覆层中钨含量为70.1wt%，覆层厚度0.4 mm。

实施例2：

（1）采用粒径为15微米的球形纯钨粉，熔覆前，在烘箱内烘干，烘干温度为200-250℃，烘干时间为1-2h。

（2）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。

（3）将纯钨粉通过高速激光熔覆设备制备钨铜覆层，激光设备采用高速熔覆光纤激光器，波长为1080nm连续输出模式，采用3束光结合中心送粉的光包粉模式，3束光汇聚形成平顶光形态，焦点位于铜表面，送粉方式为同步送粉，载气为氩气，其工艺参数如表2所示。

（4）在熔覆过程中对设置于纯铜工件底部的感应线圈通入冷却水和工频正弦波电流，线圈直径为100mm，电流最大值为10A。

表2

激光功率（W）	扫描速度（mm/s）	送粉速度（g/min）
			3600	120	8

本实例获得的钨铜覆层金相如图4所示，无裂纹且纯铜基体和覆层冶金结合良好，经过材料成分测试计算后覆层中钨含量为63.9wt%，覆层厚度0.8mm。

实施例3：

（1）采用粒径为5微米的球形纯钨粉，熔覆前，在烘箱内烘干，烘干温度为200-250℃，烘干时间为1-2h。

（2）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）将纯钨粉通过高速激光熔覆设备制备钨铜覆层，激光设备采用高速熔覆光纤激光器，波长为1080nm连续输出模式，采用3束光结合中心送粉的光包粉模式，3束光汇聚形成平顶光形态，焦点位于铜表面，送粉方式为同步送粉，载气为氩气，其工艺参数如表3所示。

（4）在熔覆过程中对设置于纯铜工件底部的感应线圈通入冷却水和工频正弦波电流，线圈直径为100mm，电流最大值为10A。

表3

激光功率（W）	扫描速度（mm/s）	送粉速度（g/min）
			3400	80	12

本实例获得的钨铜覆层金相如图5所示，无裂纹且纯铜基体和覆层冶金结合良好，经过材料成分测试计算后覆层中钨含量为75.9wt%，覆层厚度0.3mm。

对比例1

未对感应线圈通入冷却水和工频正弦波电流，其余步骤与实施例1相同。获得的钨铜覆层金相如图6所示，钨沉降于下方，钨与铜分层明显。

对比例2

所用激光功率为4500W，不满足(200v+10d)<P<(400v+20d)的要求，其余步骤与实施例1相同。获得的钨铜覆层金相如图7所示，覆层中存在大量气孔。这是由于未遵守本发明的规定范围，激光能量过高，铜剧烈沸腾汽化导致的后果。

对比例3

所用激光功率为1500W，不满足(200v+10d)<P<(400v+20d)的要求，其余步骤与实施例1相同。获得的钨铜覆层金相如图8所示，未能形成有效的钨铜覆层。原因是未遵守本发明的规定范围，激光能量过低，无法形成有效熔池导致的后果。

对比例4

所用3束光焦点在铜表面下方2mm，也即负离焦2mm，其余步骤与实施例1相同。获得的钨铜覆层金相如图9所示，未能形成有效的钨铜覆层。原因是太高比重的激光能量直接照射在铜表面，没有避免铜反射率高、导热强两个技术挑战。

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 (9)

1.一种高速激光熔覆钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法采用的原材料为纯铜基体以及钨粉，通过所述高速激光熔覆在纯铜基体表面形成钨铜覆层；激光采用至少3束光汇聚成平顶光模式，焦距位于纯铜基体表面，钨粉采用熔覆头中心同步送粉的方式形成光包粉的空间组合，经过激光加热纯钨粉，利用加热的钨粉将热量带到纯铜基体表面，对纯铜进行高速激光熔覆，纯铜基体表面的铜熔化后提供的熔融铜和钨粉形成熔池，铜基体下方安置感应线圈，对所述感应线圈施加交流电产生感应磁场对熔池充分电磁搅拌，感应线圈通过水冷的方式冷却，熔覆结束后表面层冷却后得到钨铜覆层；所述激光熔覆时，激光功率P与同步送粉速度v和钨粉尺寸d遵循如下关系式：200v+10d<P<400v+20d，其中激光功率单位为W；送粉速度单位为g/min；钨粉尺寸单位为μm。

2.根据权利要求1所述的一种高速激光熔覆钨铜复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括如下步骤：

1）钨粉准备：钨粉烘干；

2）纯铜基体准备：去除纯铜基体表面氧化层，并清洁纯铜基体表面；

3）用步骤1）的钨粉对纯铜进行高速激光熔覆：激光采用至少3束光汇聚成平顶光模式，钨粉采用熔覆头中心同步送粉的方式形成光包粉的空间组合；设定激光功率、激光扫描速度、钨粉的送粉速度；开启激光熔覆，且在启动激光和送粉的同时，启动在纯铜基体下设置的感应线圈；钨粉经过激光加热后将热量带到纯铜基体表面上，纯铜基体表面熔化后提供的熔融铜和钨粉形成熔池，感应线圈产生的感应磁场使熔池中的钨粉在熔融铜中充分搅拌；熔覆完成后得到钨铜覆层，即制得所述钨铜复合材料。

3.根据权利要求2所述的一种高速激光熔覆钨铜复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1）中采用为平均粒径为5-25微米的球形钨粉。

4.根据权利要求2所述的一种高速激光熔覆钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中钨粉烘干温度为200-250℃、烘干时间为1-2h。

5.根据权利要求2所述的一种高速激光熔覆钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤3）中同步送粉的钨粉送粉速度8-12g/min，激光扫描速度80-120mm/s。

6.根据权利要求5所述的一种高速激光熔覆钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：所述钨铜覆层中钨质量百分含量×100=140×送粉量/扫描速度+55；其中送粉量单位是g/min、扫描速度单位是mm/s。

7.根据权利要求6所述的一种高速激光熔覆钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：所述钨铜覆层的钨含量的范围是64%-97%。

8.根据权利要求1所述的一种高速激光熔覆钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：所述钨铜覆层的单层厚度为0.3-0.8mm。

9.根据权利要求1-8任一项所述高速激光熔覆钨铜复合材料的制备方法制得的钨铜复合材料的应用，将所述钨铜复合材料用作中压、高压、滑动电接触电气设备的电触头。

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