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CN111676476B - 一种激光3d打印技术制备铜铬锆滑道的方法 - Google Patents

一种激光3d打印技术制备铜铬锆滑道的方法 Download PDF

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Abstract

一种激光3D打印制备铜铬锆滑道的方法，采用铜铬锆作为熔覆材料，在铜基体上形成铜铬锆熔覆层，随之将铜铬锆涂层加工成绝缘器导流滑道。具体步骤如下：（1）对铜基体进行预热处理；（2）将一定配比的铜铬锆合金粉末放入送粉器中，采用同步送粉方式，对基体材料为纯铜的表面进行激光熔覆，形成铜铬锆合金涂层；（3）将铜铬锆合金涂层在数控机床上加工成导流滑道。本发明通过调整激光工艺参数获得无气孔缺陷、性能良好的激光再制造修复层来制备铜铬锆滑道，具有工艺简单、生产成本低的优点。本发明方法可进行修复再制造，实现导流滑道的循环使用，大幅降低企业生产成本，提高生产效率。

Description

一种激光3D打印技术制备铜铬锆滑道的方法
技术领域
本发明涉及一种激光3D打印制备铜铬锆滑道的方法，属于3D打印技术领域。
背景技术
由于受电弓的碳滑板在列车行进过程中长期与导线接触，并高速滑动，承受滑动摩擦和摩擦导致的高温作用，对其材料性能要求极苛刻，目前看无合适材料进行替代。因此，解决或减缓打弧损伤只能从分段绝缘器导流滑道角度入手。目前使用的多型号分段绝缘器均采用多零件组装而成，导流滑道材料为无氧纯铜，通过引弧角来减轻打弧对滑道的损伤。在城市轨道系统，分段绝缘器的日过弓量大幅上升，因而分段绝缘器导流滑板的耐弧耐磨性应当在设计阶段作为重要因素进行考虑。铜铬锆合金具有良好的导电性（固溶处理后导电率可达到75%IACS以上），良好的导热性，硬度高，耐磨抗爆，抗裂性以及软化温度高等特点，用于作为导流滑道与碳滑板接触的表面材料，可以预期有更好的耐磨性和抗电弧烧蚀性能。
铜及铜铬锆合金均为高导热高反射材料，对激光能量的吸收较差，形成激光熔池难度大。采用激光熔覆3D打印设备在铜表面制备铜铬锆合金涂层，使其表面层与铜基体紧密结合，无界面（避免界面电阻），具有良好的导电导热性，较高的抗拉疲劳强度，优异的耐磨抗爆性能，且无裂纹、气孔等缺陷。应用激光增材技术对铜合金滑道进行性能改进再制造，能够延长铬锆铜滑道的使用寿命，节省材料成本。
发明内容
本发明的目的是，为了提高分段绝缘器的使用寿命与工作稳定性，本发明提供了一种激光3D打印制备铜铬锆滑道的方法。
实现本发明的技术方案如下，一种激光3D打印制备铜铬锆滑道的方法，所述方法采用铜铬锆作为熔覆材料，在铜基体上形成铜铬锆熔覆层，随之将铜铬锆涂层加工成绝缘器导流滑道；具体步骤如下：
（1）对铜基体进行预热处理；
（2）将一定配比的铜铬锆合金粉末放入送粉器中，采用同步送粉方式，对基体材料为纯铜的表面进行激光熔覆，形成铜铬锆合金涂层；
（3）将铜铬锆合金涂层在数控机床上加工成导流滑道。
所述激光熔覆的送粉速率为2.5r/min，激光功率为4500～5500W，扫描速率为450～600mm/min，保护气体为氩气。
所述铜铬锆合金中各原料的质量百分比为：铬为0.25～0.65，锆为0.08～0.20，其余为铜。
所述铜铬锆合金粉末中原料粒径为50～150µm。
所述制备的铜铬锆合金涂层的厚度为1～2mm。
本发的有益效果在于，本发明通过调整激光工艺参数获得无气孔缺陷、性能良好的激光再制造修复层来制备铜铬锆滑道，具有工艺简单、生产成本低的优点。本发明方法可进行修复再制造，实现导流滑道的循环使用，大幅降低企业生产成本，提高生产效率。
附图说明
图1为本发明方法的工艺流程图；
图2为本实施例1所述的铜铬锆激光3D打印着色探伤图；
图3为本实施例1所述的铜铬锆激光3D打印金相图；
图4为本实施例1所述的铜铬锆激光3D打印显微维氏硬度；
图5为本实施例2所述的铜铬锆激光3D打印着色探伤图；
图6为本实施例2所述的铜铬锆激光3D打印金相图；
图7为本实施例2所述的铜铬锆激光3D打印显微维氏硬度；
图8为本实施例3所述的铜铬锆激光3D打印着色探伤图；
图9为本实施例3所述的铜铬锆激光3D打印金相图；
图10为本实施例3所述的铜铬锆激光3D打印显微维氏硬度。
具体实施方式
图1所示为本发明具体实施的工艺流程图。
实施例1
本实施例激光工艺参数为：激光器功率为4500W，激光扫描速度为450mm/min，送粉速率为2.5r/min。
如图2为实施例1所述的激光3D打印铜铬锆合金涂层着色探伤图。经着色渗透探伤后，激光修复区域整体显示为均匀白色，无明显红色影相，表明修复区无明显熔覆缺陷。在焊缝与母材搭接处显示较弱的红色，表明此处可能存在焊接熔合不足。从金相图3中可以看出，金相显示修复区内组织致密，但在熔池熔合线及修复层与母材结合面上存在多处明显未熔合缺陷，同时可观察到大量细小气孔。可清晰观察到激光熔池的熔合线，熔池内组织沿熔合线垂直指向熔池中心。显微维氏硬度，从图4和表1可以看出，从修复层表面开始逐渐降低，后逐渐升高，但幅度相差不大，约为56.35HV。
表1为实施例1所述的铜铬锆激光3D打印硬度
表1
序号 维氏硬度HV 间距
1 60.5 0.05
2 54.2 0.1
3 57.4 0.15
4 57.4 0.2
5 56.5 0.25
6 57.3 0.3
7 55 0.35
8 54.5 0.4
9 54.4 0.45
10 55.9 0.5
11 56.6 0.55
12 56.5 0.6
实施例2
本实施例激光工艺参数如下：激光器功率为5000W，激光扫描速度为450mm/min，送粉速率为2.5r/min。
如图5为实施例2所述的激光3D打印铜铬锆合金涂层着色探伤图。经着色渗透探伤后，激光修复区域整体显示为均匀白色，无明显红色影相，表明修复区无明显熔覆缺陷。在焊缝与母材搭接处显示较弱的红色，表明此处可能存在焊接熔合不足。从金相图6中可以看出，相显示修复区内组织致密，不存在明显裂纹、夹杂等缺陷，但可观察到少量细小气孔。修复层与母材界面熔合良好。显微维氏硬度，从图7和表2可以看出，从修复层表面开始逐渐降低，后逐渐升高，但幅度相差不大，约为57.73HV。
表2为实施例2所述的铜铬锆激光3D打印硬度
表2
序号 维氏硬度HV 间距
1 67.6 0.05
2 71.2 0.1
3 66.3 0.15
4 67.7 0.2
5 57 0.25
6 45 0.3
7 55.5 0.35
8 56.1 0.4
9 57.7 0.45
10 51.8 0.5
11 46.3 0.55
12 50.6 0.6
实施例3
本实施例激光工艺参数：激光器功率为5500W，激光扫描速度为450mm/min，送粉速率为2.5r/min。
如图8为实施例3所述的激光3D打印铜铬锆合金涂层着色探伤图。经着色渗透探伤后，激光修复区域整体显示为均匀白色，无明显红色影相，表明修复区无明显熔覆缺陷。在焊缝与母材搭接处显示较弱的红色，表明此处可能存在焊接熔合不足。从金相图9中可以看出，相显示修复区内组织致密，不存在明显裂纹、夹杂等缺陷，但可观察到少量细小气孔。修复层与母材界面熔合良好。显微维氏硬度，从图10和表3可以看出，从修复层表面开始逐渐降低，后逐渐升高，但幅度相差不大，约为59.21HV。
表3为实施例3所述的铜铬锆激光3D打印硬度。
表3
序号 维氏硬度HV 间距
1 77.6 0.05
2 61.7 0.1
3 51.9 0.15
4 51.8 0.2
5 47.2 0.25
6 43 0.3
7 69.9 0.35
8 65.8 0.4
9 63.1 0.45
10 57 0.5
11 60.7 0.55
12 63.6 0.6
13 56.4 0.65

Claims (3)

1.一种激光3D打印制备铜铬锆滑道的方法，其特征在于，所述方法采用铜铬锆作为熔覆材料，在铜基体上形成铜铬锆熔覆层，随之将铜铬锆涂层加工成绝缘器导流滑道；具体步骤如下：
（1）对铜基体进行预热处理；
（2）将一定配比的铜铬锆合金粉末放入送粉器中，采用同步送粉方式，对基体材料为纯铜的表面进行激光熔覆，形成铜铬锆合金涂层；
（3）将铜铬锆合金涂层在数控机床上加工成导流滑道；
所述激光熔覆的送粉速率为2.5r/min，激光功率为4500～5500W，扫描速率为450～600mm/min，保护气体为氩气；
所述铜铬锆合金中各原料的质量百分比为：铬为0.25～0.65，锆为0.08～0.20，其余为铜。
2.根据权利要求1所述的一种激光3D打印制备铜铬锆滑道的方法，其特征在于，所述铜铬锆合金粉末中原料粒径为50～150µm。
3.根据权利要求1所述的一种激光3D打印制备铜铬锆滑道的方法，其特征在于，所述制备的铜铬锆合金涂层的厚度为1～2mm。
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