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CN107287592A - 一种纯铜表面激光熔覆制备二氧化锆‑碳化硼增强熔覆层的方法 - Google Patents

一种纯铜表面激光熔覆制备二氧化锆‑碳化硼增强熔覆层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纯铜表面激光熔覆制备二氧化锆‑碳化硼增强熔覆层的方法，所述方法包括以下步骤：制备陶瓷复合增强熔覆粉末；待熔覆的纯铜基体的表面预处理；采用同步送粉方式，利用激光熔覆装置，使陶瓷复合增强熔覆粉末在纯铜基体的表面迅速熔凝，形成ZrO2‑B4C陶瓷增强熔覆层，将熔覆后的纯铜基体空冷至室温。本发明所获得的熔覆层，可以提高熔覆层的力学性能，最终在纯铜表面获得成分均匀性能优异的熔覆层。

Description

一种纯铜表面激光熔覆制备二氧化锆-碳化硼增强熔覆层的 方法
技术领域
本发明属于表面工程领域，涉及一种纯铜表面激光熔覆制备陶瓷复合增强熔覆层的方法，即在激光作用下纯铜表面生成ZrO2-B4C增强熔覆层。
背景技术
纯铜具有高的导热导电性能和优异的塑性与韧性，但其强度及耐磨性能较差，不适合在高负荷的条件下工作；陶瓷材料具有高的硬度、良好的耐磨性与高温稳定性；将两者结合，即制备铜基陶瓷复合材料，使其有良好的导热导电性并兼具高的耐磨性，提高了铜材料的使用寿命，扩大使用范围。
激光熔覆技术作为一种先进的表面增材制造技术，通过高能激光束使熔覆材料与基体同时熔融凝固，获得冶金结合的增强层。
激光熔覆技术相比其它表面技术有如下优点：(1)激光加热迅速，冷却速度快(106℃/s)，冷却组织为典型快速凝固组织。(2)激光作用时间短，热畸变小，稀释低，且熔覆层与基体为冶金结合。(3)激光熔覆范围精确，操作灵活，原料使用少。(4)熔覆粉末选择范围广。(5)易于实现自动化控制。
激光熔覆加工设备是一套复杂的系统。主要包括：(1)激光器(CO2激光器、YAG激光器、半导体激光器、光纤激光器)和光路系统。产生激光并传导至加工区域。(2)送粉设备(送粉器、粉末传输通道和喷嘴)。输送熔覆粉末到熔池。(3)激光加工平台。多坐标数控机床或智能机械手按照设定路径实现激光束与加工件之间的相对运动。(4)辅助设备。气氛控制系统、检测与反馈控制系统和散热系统。铜对不同波长的激光吸收率不同，半导体光纤激光器所发射的激光波长为1.064μm，CO2激光器所发射的激光波长为10.6μm，铜在相同条件下对前者的吸收率约为后者的7倍，因此使用半导体光纤激光器有利于铜表面的激光熔覆。
因此可以利用激光熔覆技术在铜表面制备具有良好综合性能的陶瓷增强熔覆层。将两种增强材料共同用于激光熔覆还没有相关的研究，同时多元陶瓷的增强效果优于单元陶瓷，因此研究并制备出一种激光熔覆用铜基陶瓷增强复合材料具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纯铜表面制备陶瓷复合增强熔覆层的方法，利用高功率激光器在纯铜表面生成ZrB2-B4C增强熔覆层的制备工艺。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种纯铜表面激光熔覆制备二氧化锆-碳化硼增强熔覆层的方法，所述方法包括以下步骤：
A：制备陶瓷复合增强熔覆粉末；
B：待熔覆的纯铜基体的表面预处理；
C：采用同步送粉方式，利用激光熔覆装置，使陶瓷复合增强熔覆粉末在纯铜基体的表面迅速熔凝，形成陶瓷增强熔覆层；
D：将熔覆后的纯铜基体空冷至室温；
其中步骤A和步骤B的顺序可调换。
进一步的，所述陶瓷复合增强熔覆粉末中各组份的量按重量百分比为：5～10％ZrO2粉、5～20％Ni包B4C粉、余量为Cu粉。
进一步的，所述ZrO2粉和Ni包B4C粉的质量比为1：1～2。
进一步的，所述陶瓷复合增强熔覆粉末的具体制备方法是，将各原料粉末按照所述百分比充分均匀混合，然后放入烘干箱中，在120℃下烘干1h，得到陶瓷复合增强熔覆粉末。
进一步的，所述原料粉末充分均匀混合的具体方法是，利用V型混料机，搅拌转速为15r/min，混合时间为2h。
进一步的，所述ZrO2粉的粒度为25～48μm，纯度为99.9％；所述Ni包B4C的粒度为25～48μm，B4C含量为60wt.％；所述Cu粉的粒度为53～75μm，纯度为99.9％。
进一步的，所述步骤B包括以下步骤：
B1：使用砂纸打磨待熔覆的纯铜基体，以去除表面污渍、氧化物；
B2：使用无水乙醇擦拭待熔覆的纯铜基体的表面；
B3：在纯铜基体的表面涂刷一层碳素墨水，放入干燥箱中，在120℃下干燥10min。
进一步的，步骤C中的所述激光熔覆装置包括激光器、可移动装置和旁轴送粉器，所述激光器为1.064μm的半导体光纤激光器，激光功率为1800～2200W，搭接率为30～50％；所述可移动装置用于固定纯铜基体，且移动速度为1～2mm/s；所述旁轴送粉器将陶瓷复合增强熔覆粉末送到激光斑点处，载粉气体为氩气，气流量为2～6L/min，送粉量为1～2g/min。
进一步的，所述纯铜基体在进行激光熔覆前还需要进行预热处理，使待熔覆的纯铜基体表面温度达到500℃。
进一步的，所述预热处理的具体方法是，根据纯铜基体的尺寸大小，采用1400～1600W的低功率激光对纯铜基体表面照射5～6min。
本发明的有益效果是：本发明利用激光熔覆技术在纯铜基体表面制备了陶瓷增强熔覆层。本发明使用两种不同的陶瓷相，其形态结构不同，复合增强效果显著。本发明熔覆层内部陶瓷增强相呈梯度分布，减小热应力开裂。本发明所使用的熔覆粉末配制方便，应用范围广。
附图说明
图1为本发明的熔覆层横截面金相图；
图2为本发明的熔覆层横截面显微硬度分布图；
图3为本发明的熔覆层表面导电率图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
一种纯铜表面激光熔覆制备二氧化锆-碳化硼增强熔覆层的方法，包括以下步骤：
制备陶瓷复合增强熔覆粉末，各组份的量按重量百分比为：5％ZrO2粉、5％Ni包B4C粉、90％Cu粉；精确称取上述粉末后放入V型混料机，以15r/min的转速搅拌2小时，然后将熔覆粉末放入烘干箱中，在120℃下烘干1h，去除粉末中的水分，得到熔覆粉末。
待熔覆的纯铜基体表面预处理，使用砂纸打磨待熔覆纯铜基体，以去除表面污渍、氧化物；使用无水乙醇擦拭待熔覆纯铜基体的表面；使用毛刷在纯铜表面涂刷一层碳素墨水，放入干燥箱中，在120℃下干燥10min。
本实施例中选取的熔覆装置包括1.064μm的半导体光纤激光器、数控机床和旁轴送粉器，纯铜基体的尺寸为50×150×15mm3，使用夹具将纯铜基体固定在数控机床上并以1mm/s的速度移动，先将激光器的功率设定为1400W，对纯铜基体表面照射6min，使待熔覆纯铜基体表面温度达到500℃。再将激光器的功率设定为1800W，搭接率为50％，同时旁轴送粉器将陶瓷复合增强熔覆粉末送到激光斑点处，载粉气体为氩气，气流量为2L/min，送粉量为1g/min。形成ZrO2-B4C陶瓷增强熔覆层。
熔覆后将纯铜基体空冷至室温后，使用电火花切割机将样品切割为所需尺寸进行测试，结果显示熔覆层横截面的平均显微硬度约为111HV0.2，导电率为60.5IACS％。
其中制备熔覆粉末和纯铜基体的表面预处理的顺序可调换。
实施例2：
一种纯铜表面激光熔覆制备二氧化锆-碳化硼增强熔覆层的方法，包括以下步骤：
制备陶瓷复合增强熔覆粉末，各组份的量按重量百分比为：10％ZrO2粉、10％Ni包B4C粉、80％Cu粉；精确称取上述粉末后放入V型混料机，以15r/min的转速搅拌2小时，然后将熔覆粉末放入烘干箱中，在120℃下烘干1h，去除粉末中的水分，得到熔覆粉末。
待熔覆的纯铜基体的表面预处理，使用砂纸打磨待熔覆纯铜基体，以去除表面污渍、氧化物；使用无水乙醇擦拭待熔覆纯铜基体的表面；使用毛刷在纯铜表面涂刷一层碳素墨水，放入干燥箱中，在120℃下干燥10min。
本实施例中选取的熔覆装置包括1.064μm的半导体光纤激光器、数控机床和旁轴送粉器，纯铜基体的尺寸为50×150×15mm3，使用夹具将纯铜基体固定在数控机床上并以2mm/s的速度移动，先将激光器的功率设定为1500W，对纯铜基体表面照射6min，使待熔覆纯铜基体表面温度达到500℃。再将激光器的功率设定为2400W，搭接率为50％，同时旁轴送粉器将陶瓷复合增强熔覆粉末送到激光斑点处，载粉气体为氩气，气流量为4L/min，送粉量为2g/min。形成ZrO2-B4C陶瓷增强熔覆层。
熔覆后将纯铜基体空冷至室温后，使用电火花切割机将样品切割为所需尺寸进行测试，结果显示熔覆层横截面的平均显微硬度为173HV0.2，导电率为45.7IACS％。
其中制备熔覆粉末和纯铜基体的表面预处理的顺序可调换。
实施例3：
一种纯铜表面激光熔覆制备二氧化锆-碳化硼增强熔覆层的方法，包括以下步骤：
制备陶瓷复合增强熔覆粉末，各组份的量按重量百分比为：10％ZrO2粉、20％Ni包B4C粉、70％Cu粉；精确称取上述粉末后放入V型混料机，以15r/min的转速搅拌2小时，然后将熔覆粉末放入烘干箱中，在120℃下烘干1h，去除粉末中的水分，得到熔覆粉末。
待熔覆的纯铜基体的表面预处理，使用砂纸打磨待熔覆纯铜基体，以去除表面污渍、氧化物；使用无水乙醇擦拭待熔覆纯铜基体的表面；使用毛刷在纯铜表面涂刷一层碳素墨水，放入干燥箱中，在120℃下干燥10min。
本实施例中选取的熔覆装置包括1.064μm的半导体光纤激光器、数控机床和旁轴送粉器，纯铜基体的尺寸为50×150×15mm3，使用夹具将纯铜基体固定在数控机床上并以2mm/s的速度移动，先将激光器的功率设定为1600W，对纯铜基体表面照射5min，使待熔覆纯铜基体表面温度达到500℃。再将激光器的功率设定为2200W，搭接率为50％，同时旁轴送粉器将陶瓷复合增强熔覆粉末送到激光斑点处，载粉气体为氩气，气流量为6L/min，送粉量为4g/min。形成ZrO2-B4C陶瓷增强熔覆层。
熔覆后将纯铜基体空冷至室温后，使用电火花切割机将样品切割为所需尺寸进行测试，结果显示熔覆层横截面的平均显微硬度为206HV0.2，导电率为32.7IACS％。
其中制备熔覆粉末和纯铜基体的表面预处理的顺序可调换。
二氧化锆(ZrO2)具有热导率低、抗氧化、耐热冲蚀、化学性质稳定等特点，能够降低摩擦面向铜基体的热传递，提高基体的工作温度，在高温工作环境下的应用较多。碳化硼(B4C)具有高硬度、高熔点、高耐磨性等特点，在激光熔覆过程中，硼、碳(B、C)又可固溶于铜中，使熔覆层的性能得到显著提升。图1为熔覆层的金相照片，可以看到针状及块状的增强相。图2为熔覆层横截面显微硬度分布图，实施例1，在增强相材料添加量较低的条件下，熔覆层的显微硬度约提升2倍，且熔覆层内部成分均匀。实施例3的熔覆层横截面平均显微硬度最高，约为铜基体的4倍。图3为熔覆层表面导电率图，可看出添加陶瓷材料最少的实施例1的导电率最高，由于陶瓷材料的导电性能差，添加较多的陶瓷材料，会影响铜基陶瓷复合材料的导电率。
综上，本发明的上述实施例中，综合考虑硬度和导电率，实施例2为最佳方案。
上述各实施例可在不脱离本发明的保护范围下加以若干变化，故以上的说明所包含及附图中所示的结构应视为例示性，而非用以限制本发明申请专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种纯铜表面激光熔覆制备二氧化锆-碳化硼增强熔覆层的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
A：制备陶瓷复合增强熔覆粉末；
B：待熔覆的纯铜基体的表面预处理；
C：采用同步送粉方式，利用激光熔覆装置，使陶瓷复合增强熔覆粉末在纯铜基体的表面迅速熔凝，形成陶瓷增强熔覆层；
D：将熔覆后的纯铜基体空冷至室温；
其中步骤A和步骤B的顺序可调换。
2.根据权利要求1所述的一种纯铜表面激光熔覆制备二氧化锆-碳化硼增强熔覆层的方法，其特征在于，所述陶瓷复合增强熔覆粉末中各组份的量按重量百分比为：5～10％ZrO2粉、5～20％Ni包B4C粉、余量为Cu粉。
3.根据权利要求2所述的一种纯铜表面激光熔覆制备二氧化锆-碳化硼增强熔覆层的方法，其特征在于，所述ZrO2粉和Ni包B4C粉的质量比为1：1～2。
4.根据权利要求2所述的一种纯铜表面激光熔覆制备二氧化锆-碳化硼增强熔覆层的方法，其特征在于，所述陶瓷复合增强熔覆粉末的具体制备方法是，将各原料粉末按照所述百分比充分均匀混合，然后放入烘干箱中，在120℃下烘干1h，得到陶瓷复合增强熔覆粉末。
5.根据权利要求4所述的一种纯铜表面激光熔覆制备二氧化锆-碳化硼增强熔覆层的方法，其特征在于，所述原料粉末充分均匀混合的具体方法是，利用V型混料机，搅拌转速为15r/min，混合时间为2h。
6.根据权利要求2所述的一种纯铜表面激光熔覆制备二氧化锆-碳化硼增强熔覆层的方法，其特征在于，所述ZrO2粉的粒度为25～48μm，纯度为99.9％；所述Ni包B4C的粒度为25～48μm，B4C含量为60wt.％；所述Cu粉的粒度为53～75μm，纯度为99.9％。
7.根据权利要求1所述的一种纯铜表面激光熔覆制备二氧化锆-碳化硼增强熔覆层的方法，其特征在于，所述步骤B包括以下步骤：
B1：使用砂纸打磨待熔覆的纯铜基体，以去除表面污渍、氧化物；
B2：使用无水乙醇擦拭待熔覆的纯铜基体的表面；
B3：在纯铜基体的表面涂刷一层碳素墨水，放入干燥箱中，在120℃下干燥10min。
8.根据权利要求1所述的一种纯铜表面激光熔覆制备二氧化锆-碳化硼增强熔覆层的方法，其特征在于，步骤C中的所述激光熔覆装置包括激光器、可移动装置和旁轴送粉器，所述激光器为1.064μm的半导体光纤激光器，激光功率为1800～2200W，搭接率为30～50％；所述可移动装置用于固定纯铜基体，且移动速度为1～2mm/s；所述旁轴送粉器将陶瓷复合增强熔覆粉末送到激光斑点处，载粉气体为氩气，气流量为2～6L/min，送粉量为1～2g/min。
9.根据权利要求8所述的一种纯铜表面激光熔覆制备二氧化锆-碳化硼增强熔覆层的方法，其特征在于，所述纯铜基体在进行激光熔覆前还需要进行预热处理，使待熔覆的纯铜基体表面温度达到500℃。
10.根据权利要求9所述的一种纯铜表面激光熔覆制备二氧化锆-碳化硼增强熔覆层的方法，其特征在于，所述预热处理的具体方法是，根据纯铜基体的尺寸大小，采用1400～1600W的低功率激光下对纯铜基体表面照射5～6min。
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