CN117286484A - 基于高能激光/超音速颗粒复合制备高结合强度锡青铜涂层的方法 - Google Patents
基于高能激光/超音速颗粒复合制备高结合强度锡青铜涂层的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于高能激光/超音速颗粒复合制备高结合强度锡青铜涂层的方法，该方法是在超音速颗粒高速飞行沉积过程中同步引入高能激光束，并调整高能激光光斑与高速沉积粉斑的重合比例和位置，改变激光的作用位置及其在颗粒沉积过程中对涂层内部的热量分配；此工艺制备的涂层具有良好的界面结合状态，且在不同部位表现出不同的特性，以颗粒塑性变形为主的涂层外侧具有较高的位错和密度，有加工硬化的效果，使沉积涂层具有良好的耐摩擦磨损性能，而以颗粒再结晶为主的涂层内侧，内部晶粒缺陷少以及延展性好，有利于力学性能的提升；这种涂层内外功能的梯度化延长了涂层的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于激光复合制造领域，具体涉及一种基于高能激光/超音速颗粒复合制备高结合强度锡青铜涂层的方法。
背景技术
铜及铜合金具有导电导热性能优良、延展性好等优点，在生活生产中应用十分广泛，其中在滑动摩擦工作环境下，锡青铜因其优异的耐蚀耐磨性和较好的加工性能，常可用于制造轴瓦、轴承及齿轮等零部件。但锡青铜若长期服役于工作强度高的摩擦环境下，易引起接触表面磨损和零件变形，导致其导电导热性能等降低，影响机器工作运行。零件损坏后，常采用表面强化新产品或定向修复失效零件表面两种方法。
表面涂层技术是目前机械制造加工技术的重要研究方向之一，可以快速修复零件表面的缺陷并实现零件表面的合金化，起到强化作用，节约材料并避免环境污染。目前，国内外研究人员制备铜及铜合金涂层主要的表面涂层技术有物理气相沉积、化学气相沉积、激光熔覆、热喷涂、冷喷涂等。物理气相沉积涂层基体与涂层结合较弱且耐磨性差，化学气相沉积技术对系统密封性要求高，激光熔覆成形差且熔覆层孔隙裂纹等缺陷较多，热喷涂工艺的高温作用会使其涂层发生相变、氧化及开裂等问题，而冷喷涂将低热高速固态颗粒撞击基板产生剧烈变形从而沉积形成涂层，相比于一些高热量输入的加工技术，冷喷涂不改变原始粉末的组织结构及物化性质，沉积过程中基本不发生氧化、成分偏析等问题，于零件表面修复等应用方面优势突出，但涂层颗粒间结合以机械结合为主，导致其孔隙率较大及结合强度较低等，且不适合沉积高硬度材料如锡青铜。
超音速激光沉积(supersonic laser deposition，SLD)技术是一种激光复合冷喷涂技术的先进材料沉积技术。该技术是以激光为热源，在冷喷涂高速颗粒撞击基板时同步加入激光辐照，达到软化粉末与基板的目的，降低了颗粒沉积所需的临界沉积速度，不存在大范围冶金相变，扩大了可沉积的材料范围如锡青铜等。然而，超音速激光沉积涂层内部结合方式仍以机械结合为主，结合强度仍较低，颗粒剧烈变形亦使其延展性等大大降低。
发明内容
针对上述超音速激光沉积技术沉积锡青铜材料所得涂层存在的结合强度差、孔隙率高及延展性低等问题，本发明提供一种基于高能激光/超音速颗粒复合制备高结合强度锡青铜涂层的方法，通过调整沉积粉末粉斑与激光光斑两者偏移比例及方向，改变激光在颗粒沉积过程中对涂层内的热量分配，避免基板吸收过多热量而熔化的同时加强涂层中颗粒间冶金结合程度，降低其孔隙率，提高涂层的结合能力和延展性能等。
本发明的技术方案如下：
一种基于高能激光/超音速颗粒复合制备高结合强度锡青铜涂层的方法，包括以下步骤：
(1)对基板进行预处理，之后固定于工作台；
优选基板为45号钢材料；具体预处理的方法为：先采用22#石英砂对对基板进行喷砂处理，喷砂处理可去除基板表面污渍及增大表面粗糙度，利于粉末与颗粒结合；将喷砂处理后的基板浸没于无水乙醇中进行超声清洗；最后取出基板，用无水乙醇擦拭并用吹风机烘干；
(2)将锡青铜材料粉末置于真空干燥箱内烘干，之后放入刮盘式压力送粉器内；
烘干处理的条件为：90～120℃，2小时；
(3)设置喷涂条件：粉末颗粒经送粉器送入超音速激光沉积喷嘴，载气种类选择氮气，载气压力1.5～2.5MPa，载气预热温度600℃～800℃，喷涂距离10～25mm，送粉转速0.5～1r/min，扫描速度3～9mm/s；
(4)在激光器控制面板上设置高能激光束的功率参数；
激光器为光纤耦合半导体激光器，激光功率控制在1.7～2kW；
(5)将超音速激光沉积喷嘴和激光加工头装配固定于机械手臂的夹具上，校正喷嘴和激光头相对于基板的角度，调整激光焦点位置使激光光斑和沉积粉斑发生偏移，规划喷涂扫描路径；
具体的，超音速激光沉积喷嘴与基板表面保持基本垂直，激光头与喷嘴法线的夹角为30°～60°；激光光斑和沉积粉斑偏移比例为25％～50％，激光光斑和沉积粉斑偏移比例是指光斑偏移粉斑的面积占粉斑总面积的比例，同时相对于喷涂方向粉斑在前、光斑在后；
(6)开启粉末加速超音速激光沉积喷嘴、激光器，输出高能激光和超音速粉末颗粒，在激光光斑和沉积粉斑偏移条件下实现高硬度材料沉积。
用于实施本发明所述方法的装置，包括：刮盘式压力送粉器、超音速激光沉积喷嘴及其控制系统、激光设备、机械臂移动设备及氮气供应管道系统。
本发明的技术原理在于：
通过改变高能激光/超音速颗粒复合技术的工艺，即调整激光光斑和沉积粉斑的相对位置，改变激光在喷涂中对涂层内的热量分配，采用低扫描速度和高功率的工艺策略，避免基板吸收过多的热量而熔化的同时使涂层颗粒间的冶金结合程度更大，提高锡青铜涂层的结合能力和综合力学性能。
本发明使用圆形激光(图1)，激光加热更加均匀。高功率1.7～2kW激光辐射下，锡青铜涂层更加致密。而圆形激光光斑相对沉积粉斑位置后移及部分重合避免基板吸收过多的热量而熔化，同时使涂层热量累积更高发生冶金结合，导致再结晶现象，改善涂层综合性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明所提供的一种基于高能激光/超音速颗粒复合制备高结合强度锡青铜涂层的方法属于一种环保型表面涂层修复技术，可对零件损坏表面如：长期服役于滑动摩擦环境下的锡青铜轴承损坏表面进行原材料修复及新产品表面强化，大大延长了产品使用寿命，避免浪费、节约材料，符合绿色发展理念。
2、本发明所提供的一种基于高能激光/超音速颗粒复合制备高结合强度锡青铜涂层的方法，相比于脆硬且颗粒间结合弱的纯冷喷锡青铜涂层，该方法采用激光光斑和沉积粉斑偏移工艺改变锡青铜粉末沉积过程中激光作用的区域和能量的分配，来调控涂层颗粒间界面结合，进一步提高了锡青铜涂层结构的致密程度及显著改善其耐磨/拉伸性能。
附图说明
图1为本发明所提供的一种基于高能激光/超音速颗粒复合制备高结合强度锡青铜涂层的方法的喷涂原理示意图；其中，1-沉积颗粒，2-超音速气流，3-激光辐照，4-基板，5-对应图2中A区域，6-对应图2中B区域，7-对应图2中C区域。
图2为本发明实施例1在激光光斑和沉积粉斑偏移比例25％下制备的锡青铜涂层截面形貌(扫描电镜拍摄，放大倍数100倍)。
图3为本发明实施例1在激光光斑和沉积粉斑偏移比例25％下制备的锡青铜涂层与基体结合界面(扫描电镜拍摄，放大倍数1千倍)。
图4～6分别为本发明实施例1在激光光斑和沉积粉斑偏移比例25％下制备的锡青铜涂层A、B、C区域任选一部位放大图(扫描电镜拍摄，放大倍数5千倍)；A、B、C区域与图2中标注相对应。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例进一步描述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
本发明一种基于高能激光/超音速颗粒复合制备高结合强度锡青铜涂层的方法的原理示意图，如图1所示。固态颗粒1在超音速气流2中获得足够动能进行加速，然后垂直发射于基板4。
在第一阶段，沉积颗粒在无激光作用的粉斑区域进行沉积时，涂层结构具有单一冷喷涂涂层的沉积特性，颗粒变形小及孔隙多；
在第二阶段，沉积颗粒在激光光斑和沉积粉斑的重合区域进行沉积时，激光直接作用于已沉积的涂层和颗粒上，使其表面软化以及产生高温，从而涂层发生再结晶和晶粒长大，颗粒间元素扩散，形成冶金结合，同时，该区域激光对已沉积涂层的热传导作用和后续颗粒的撞击使第一阶段形成的涂层更加致密且发生再结晶；
在第三阶段，上两个阶段结束时，后续偏移部分的激光直接扫过已沉积的涂层，对其加热，使颗粒间的结合更加致密均匀，且涂层表面有重熔的现象。
实施例1
选取100mm×60mm×10mm的45号钢为基板，用22#石英砂对其进行喷砂处理，再将45号钢板浸没于无水乙醇中超声清洗15min，清洗后取出用无水乙醇擦拭并用吹风机烘干，再固定于工作台上。
将粒径范围为15μm～53μm的球形CuSn10粉末置于真空干燥箱中进行烘干处理(90℃～120℃下烘干2小时)，去除其中水分，之后放入送粉器内。
在超音速激光沉积喷嘴控制面板上设置载气(氮气)压力为2.5MPa，载气预热温度为700℃，喷涂距离为25mm，送粉转速0.8r/min，扫描速度3mm/s，激光功率为1.8kW，调整超音速激光沉积喷嘴和激光头的相对位置使沉积粉斑和激光光斑偏移比例为25％，同时保证喷嘴与基板表面垂直，激光头与基板表面的法线夹角为30°，规划扫描路径设置搭接率为50％，对喷涂后试样进行金相镶嵌、磨样、抛光及腐蚀等，最后通过扫描电镜观测涂层内部的微观结构。
采用扫描电子显微镜(SEM，型号：Zeiss EV018)在放大倍数为100倍下观察CuSn10锡青铜激光光斑和沉积粉斑偏移涂层的横截面形貌，如图2所示，涂层内部颗粒结合致密，没有发现明显的孔隙。
采用SEM在放大倍数为1k倍下观察涂层与基体结合界面，如图3所示，颗粒对基体的有效撞击，使材料表面失去抗剪强度，更容易发生大程度的切向变形，使涂层和基体有较好的机械咬合能力。
采用SEM在放大倍数为5k倍下观察涂层图2所标记A、B、C区域任选一部位放大图，如图4～6所示，图4是A区域任选一部位的放大图，颗粒呈现机械咬合的结合方式，应变较大。图5是B区域任选一部位的放大图，颗粒发生再结晶的程度比C区域更大，颗粒间结合界面消失。图6是C区域任选一部位的放大图，颗粒内部出现许多细小的等轴晶，同时颗粒界面发生结合，并有较多的圆形孔隙。B、C区域由于发生再结晶，延展性能较好。涂层整体致密度和界面结合强度较高。
本说明书实施例所述的内容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)
1.一种基于高能激光/超音速颗粒复合制备高结合强度锡青铜涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对基板进行预处理，之后固定于工作台；
(2)将锡青铜材料粉末置于真空干燥箱内烘干，之后放入刮盘式压力送粉器内；
(3)设置喷涂条件：粉末颗粒经送粉器送入超音速激光沉积喷嘴，载气种类选择氮气，载气压力1.5～2.5MPa，载气预热温度600℃～800℃，喷涂距离10～25mm，送粉转速0.5～1r/min，扫描速度3～9mm/s；
(4)在激光器控制面板上设置高能激光束的功率参数，激光功率控制在1.7～2kW；
(5)将超音速激光沉积喷嘴和激光加工头装配固定于机械手臂的夹具上，校正喷嘴和激光头相对于基板的角度，调整激光焦点位置使激光光斑和沉积粉斑发生偏移，规划喷涂扫描路径；
(6)开启粉末加速超音速激光沉积喷嘴、激光器，输出高能激光和超音速粉末颗粒，在激光光斑和沉积粉斑偏移条件下实现高硬度材料沉积。
2.如权利要求1所述的基于高能激光/超音速颗粒复合制备高结合强度锡青铜涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中，基板为45号钢材料。
3.如权利要求1所述的基于高能激光/超音速颗粒复合制备高结合强度锡青铜涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中，基板预处理的方法为：先采用22#石英砂对对基板进行喷砂处理，再将喷砂处理后的基板浸没于无水乙醇中进行超声清洗，最后取出基板，用无水乙醇擦拭并用吹风机烘干。
4.如权利要求1所述的基于高能激光/超音速颗粒复合制备高结合强度锡青铜涂层的方法，其特征在于，步骤(4)中，激光器为光纤耦合半导体激光器。
5.如权利要求1所述的基于高能激光/超音速颗粒复合制备高结合强度锡青铜涂层的方法，其特征在于，步骤(5)中，超音速激光沉积喷嘴与基板表面保持垂直，激光头与喷嘴法线的夹角为30°～60°。
6.如权利要求1所述的基于高能激光/超音速颗粒复合制备高结合强度锡青铜涂层的方法，其特征在于，步骤(5)中，激光光斑和沉积粉斑偏移比例为25％～50％，激光光斑和沉积粉斑偏移比例是指光斑偏移粉斑的面积占粉斑总面积的比例，并且相对于喷涂方向粉斑在前、光斑在后。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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