CN113718247B - 一种铜合金损伤件等离子熔覆修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铜合金损伤件等离子熔覆修复方法，包括如下步骤：S1：制备修复粉末，所述修复粉末为QAl9‑4铜合金粉末和WC的混合粉末；S2：预热铜合金损伤件的基体；S3：将修复粉末通过等离子熔覆的方式对铜合金损伤件进行熔覆修复；S4：冷却，完成铜合金损伤件的修复。本发明修复层材料选择QAl9‑4铜合金与WC两种合金粉末，利用等离子弧作为热源，将粉末熔覆在铜合金损伤件表层形成修复层，多层熔覆直至恢复其原有形状尺寸。基于铜基粉末熔点低自熔性好，WC合金优异耐磨性，基体与熔覆层界面结合区相似相容原理，采用等离子熔覆技术足以制备出无裂纹、无气孔、冶金结合强度高的修复层。
Description
技术领域
本发明涉及铜合金等离子熔覆技术领域，具体而言是一种铜合金损伤件等离子熔覆修复方法。
背景技术
铜及铜合金因具有优异的导电、导热性能及高塑性，被广泛应用于电子电气、舰艇船舶、航空航天等领域。然而，当铜及铜合金作为苛刻工况下的零件材料时，直接使用很难满足耐磨的工况要求。采用表面强化技术可以使铜合金的耐磨性能有所提高或改善。或是在使用服役一段时间后，零件表面局部区域出现划伤、缺口、撕裂、折断和凹坑等缺陷，需要快速修复到原有尺寸，且与基体要求结合牢靠。热喷涂、电镀等技术是应用于铜合金表面强化的有效手段之一，但热喷涂涂层与基体为机械结合，会因结合强度低而出现剥落的问题。电镀技术也具有一定的局限性，如制备周期长、镀材有限、污染环境等。
目前，对于铜合金损伤件的修复有多种加工技术。针对不同的工作条件、元素成分、损伤形式可采用不同的修复技术，常用的有堆焊、电镀、冷喷涂、激光熔覆等技术。其中堆焊技术虽焊层厚，结合强度高，但由于发热量大，堆焊成形后表面粗糙度不好，需后续机加工，且易产生气孔；电镀技术也具有一定的局限性，如制备沉积效率低，沉积厚度较薄、镀材有限、污染环境等缺点；冷喷涂成形涂层与基体为机械结合，会因结合强度低而出现剥落等问题。
近几年，激光熔覆技术因热量集中、工件变形小，易于实现自动化等优点，广泛应用于各种异种材质的熔融熔覆。如已有专利公开“激光熔覆技术修复铜合金损伤件工艺”，中国发明专利(发明名称：一种铜合金表面强化激光熔覆方法，CN107090579 A)在铜合金基体上先焊接一层不锈钢过渡层，然后采用镍基合金对过渡层进行激光熔覆。但激光熔覆铜及铜合金，激光的反射率及铜合金固有的热导率极高，且极冷急热导致应力集中，很难制备出无裂纹、无气孔、冶金结合强度高的强化层。
而对于铜合金损伤件的修复，由于其对激光的反射率及固有的热导率极高，很难制备出无裂纹、无气孔、冶金结合界面的修复层，主要原因有，其一，在工件热影响区激光对合金中碳化物、氧化物熔覆困难些，影响金属相形成的均匀度，排气浮渣不充分，易形成气孔夹渣等问题；其二，激光加热冷却快，过渡区尺寸小，收缩应力难以释放造成应力集中，基体与熔覆层易开裂，导致难以获得大面积完美的熔覆层。
等离子熔覆相对激光讲输入热量大，基体变形量比激光大。但其有熔融充分，熔铸区和过渡区组织控制方便，硬度分布均匀，排气浮渣彻底，应力分配合理等优点，且材料选择范围广，成本低，效益好，易获较为完好的大面积整体熔覆层。因此，在大面积、大厚度、高质量铜合金损伤件现场修复中，等离子熔覆技术有着明显优势。
但是鉴于铜合金自身的物理化学性质，用于铜合金表面熔覆粉末主要包括镍基、钴基和铁基等自熔性合金粉末及金属陶瓷复合粉末。有不少研究者在铜合金表面制备了多种异质材料的熔覆层，但由于铜合金基体固有导热率高、异种材料浸润性差，表面有氧化膜等因素，在基体和熔覆层中间结合区出现局部应力集中、成分不均匀、气孔等缺陷是不可避免的。
发明内容
根据上述技术问题，而提供一种铜合金损伤件等离子熔覆修复方法。
本发明采用的技术手段如下：
一种铜合金损伤件等离子熔覆修复方法，包括如下步骤：
S1：制备修复粉末；
S2：预热铜合金损伤件的基体；
S3：将修复粉末通过等离子熔覆的方式对铜合金损伤件进行熔覆修复；
S4：冷却，完成铜合金损伤件的修复；
所述修复粉末为QAl9-4铜合金粉末和WC。
在所述步骤S2中，基体的预热温度为200-300℃，实现铜合金损伤件的基体的微熔。
所述修复粉末的粒度为30-45μm，QAl9-4铜合金粉末和WC的比例为 1:1。
所述等离子熔覆采用等离子弧焊机，其工艺设定为：
冷却水出水温度为15～20℃；
工作电流50-100A；
工作电压15-25V；
粒子气流量0.5-1.0L/min；
保护气流量1-2m3/h；
熔覆距离3-5mm；
纵移速度0.4-0.6mm/s；
熔覆头左右摆动幅度8-12mm；
送粉量25-35g/min。
修复后的铜合金的等离子熔覆层的硬度为维氏硬度78-90HV，且修复层结合强度80MPa。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明能够实现高效率、高质量地现场快速修复，达到装备修复前的性能或能延长其寿命，以满足装备维修保障的要求。
2、更适合大厚度、大面积和高质量的铜合金损伤现场修复。
3、使损伤的铜合金恢复原有形状尺寸并提高基体的耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能。
4、本发明修复层材料选择QAl9-4铜合金与WC两种合金粉末，利用等离子弧作为热源，将粉末熔覆在铜合金损伤件表层形成修复层，多层熔覆直至恢复其原有形状尺寸。基于铜基粉末熔点低自熔性好，WC合金优异耐磨性，基体与熔覆层界面结合区相似相容原理，采用等离子熔覆技术足以制备出无裂纹、无气孔、冶金结合强度高的修复层。
5、本发明依据损伤件基体材料自身的物理化学性质，特定选取界面处不存在相容性问题的同系耐磨QAl9-4铜合金和WC合金机械混合粉末，调整等离子弧、电流、熔覆速度、送粉量等参数，控制熔融深度、熔覆层高度和宽度，实现表面微熔，稀释率低。修复后的损伤件修复层内应力低、结合区界面组织均匀，结合强度高，且熔覆后无需再加工。
6、铜合金损伤件的等离子熔覆修复技术，材料适应广，通用性强，设备简单，操作灵活，易于现场快速修复，制备的修复层不仅能恢复损伤件的原始形貌，且具有更好耐磨耐蚀性能，可有效改善损伤零部件的使役性能及使用寿命。
基于上述理由本发明可在铜合金修复等领域广泛推广。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种铜合金损伤件等离子熔覆修复方法，包括如下步骤：
S1：制备修复粉末，所述修复粉末为QAl9-4铜合金粉末和WC。所述修复粉末的粒度为30-45μm，QAl9-4铜合金粉末和WC的比例为1:1，且各取 200g，然后用球磨方法混合均匀；
S2：预热铜合金损伤件的基体；在所述步骤S1中，基体的预热温度为 200-300℃。
S3：将修复粉末通过等离子熔覆的方式对铜合金损伤件进行熔覆修复；
所述等离子熔覆采用等离子弧焊机，其工艺设定为：
开启等离子弧焊机电源，打开机器和控制面板，将冷却水的出水温度设定在15-20℃的范围内；将混合好的修复粉末装入等离子弧焊机送粉器中，调整弧焊电流50-100A，电压15-25V，粒子气流量0.5-1.0L/min，保护气流量 1-2m3/h，熔覆距离3-5mm，纵移速度0.4-0.6mm/s，熔覆头左右摆动幅度8-12mm，先将基体预热温度200-300度，实现金属表面微熔；开启弧焊开关，设置送粉量25-35g/min，沿着要修复零件表面进行等离子熔覆，并控制金属表面烧结深度，熔覆层厚度及宽度，已达到良好的成形精度。
S4：冷却，完成铜合金损伤件的修复；等离子熔覆修复完成后，关闭弧焊开关和弧焊电源开关，等被修复的零部件自然冷却。
等离子熔覆是以等离子弧作为热源，产生的高温将同轴送粉的同系 QAl9-4铜合金粉末和基体表面一起熔化、混合、扩散、凝固。由于等离子弧热源，熔融状态维持时间长，有利于金相组织均匀形成，排气浮渣较好，在粉末喷出过程中就已经加热，且有氩气和离子气的保护，所以熔覆层均匀度更好，气孔夹渣等缺陷更少。再次我们使用的同系耐磨QAl9-4铜合金粉末作为铜合金修复件的熔覆材料，几乎不存在界面不相容性问题，基体与熔覆层融合界面处成分组织过度均匀，无夹渣气孔和裂纹，冶金结合强度高。
基体表面通过熔合区与熔覆层冶金结合，试样自上而下分为基体区、热影响区、熔合层和熔覆修复层，各界面之间晶界连续。
熔覆设备是在直流焊机的基础上发展而来，其电源、喷枪、送粉器、摆动器等，技术门槛低，容易制造，可靠性好，维护使用简单，耗电少，使用成本低，通用性好，便于规模化生产，效益显著，对环境要求低，材料适应广泛等优点。另外，焊机设备体积小，重量小，焊枪可以手持把握，这使它使用起来更灵活方便，辅助工装的造价也便宜，非常适合针对现场铜合金损伤件的快速修复。修复后的铜合金的等离子熔覆层的硬度为维氏硬度 78-90HV，且修复层结合强度80MPa。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (1)
1.一种铜合金损伤件等离子熔覆修复方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：制备修复粉末；
S2：预热铜合金损伤件的基体；
S3：将修复粉末通过等离子熔覆的方式对铜合金损伤件进行熔覆修复；
S4：冷却，完成铜合金损伤件的修复；
所述修复粉末为QAl9-4铜合金粉末和WC的混合粉末；
所述等离子熔覆采用等离子弧焊机，其工艺设定为：
冷却水出水温度为15~20℃；
工作电流50-100A；
工作电压15-25V；
粒子气流量0.5-1.0L/min；
保护气流量1-2m3/h；
熔覆距离3-5mm；
纵移速度 0.4-0.6mm/s；
熔覆头左右摆动幅度8-12mm；
送粉量25-35g/min；
所述修复粉末的粒度为30-45μm，且QAl9-4铜合金粉末和WC的比例为1:1。
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