CN105506620A

CN105506620A - 一种铜基表面复合镍基合金的同步激光熔覆方法

Info

Publication number: CN105506620A
Application number: CN201511032387.XA
Authority: CN
Inventors: 李文华; 黄荣刚; 刘岭山
Original assignee: Anhui Yugong Electrical And Mechanical Technology Co Ltd
Current assignee: Anhui Tengyue mechanical equipment limited liability company; ANHUI YUGONG ELECTRICAL AND MECHANICAL TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2015-12-31
Filing date: 2015-12-31
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2035-12-31
Also published as: CN105506620B

Abstract

本发明公开了一种铜基表面复合镍基合金的同步激光熔覆方法，属于激光熔覆领域。本发明包括以下步骤：步骤1、对待熔覆铜板进行整体超声波探伤和表面着色探伤处理；步骤2、在铜板表面进行活化覆膜处理；步骤3、对铜板整体预热至300～450℃，周围用20～40mm厚的保温棉覆盖以减少散热；步骤4、采用二氧化碳横激光束进行熔覆，对熔池进行惰性气体保护，采用镍基合金粉末熔覆送粉；步骤5、熔覆后的铜板空冷至室温。本发明的技术方案，对铜材表面进行覆膜处理来降低铜材的反光率，减少了能量损失，所采用的镍基合金粉末硬度高，与铜基的结合性好，提高了铜板耐磨性和使用寿命。

Description

一种铜基表面复合镍基合金的同步激光熔覆方法

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术领域，更具体地说，涉及一种铜基表面复合镍基合金的同步激光熔覆方法。

背景技术

铜及铜合金是人类历史上使用最早的金属材料之一，目前铜依旧是工业中非常重要的一种金属，在冶金工业许多环节中，铜都是关键部件，铜由于具有优良的导热性、导电性及优良的成形性，广泛用于电力、电工、矿山、冶金及机械制造业，但铜合金表面的硬度低、热耐磨性能较差，大大限制了其应用，工程应用中常常需要进行表面改性，以增强其综合力学性能，常用的方法有电镀和热喷涂、渗镀，以提高其耐磨性和耐蚀性，但由于电镀和热喷涂制备的涂层与基体是机械结合，而渗镀的工艺较难控制，且工艺成本较高，故在一定程度上降低了其强化效果。

激光熔覆(LaserCladding)亦称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，激光熔覆技术可制备与基体形成冶金结合的特殊功能涂层，对环境无污染，还具有生产率高、成品率高以及综合成本低等特点，但传统的激光熔覆通常都是在普通合金钢基体表面进行熔覆，对需进行表面改性处理的金属的性能的提升作用十分有限，但对于紫铜合金存在较大的熔覆难度，主要是铜对于激光的反射率较高，照射到表面的激光被反射；另一方面铜的导热性好，大量的激光能量被传导，熔覆时所需能量较大。

现有技术中为了降低铜表面的反射率，多是采用预置涂层的方法进行激光熔覆，但由于铜的导热性好，还未进行熔覆加工时周围区域涂层已经开始融化，导致部分粉末及外部气体进入熔覆层，产生夹杂和气泡等缺陷；此外，预置涂层后激光不能直接对铜基表面进行加工，熔层深度小，两者难以充分熔合，结合强度较低，导致使用寿命短。

在进行铜基表面熔覆时，一方面想要得到较高的结合强度，另一方面又无法解决铜的反射性和导热性的难点，导致铜基合金的耐磨性难以有效提高，因此，怎么样改进激光熔覆技术，使得激光熔覆技术在铜表面改性技术中的应用更为普遍，具有重大意义。

中国专利申请号：201410021469.3，申请日：2014年1月17日，发明创造名称为：一种铜合金表面激光梯度熔覆合金粉末的方法，该申请案公开了一种铜合金表面激光梯度熔覆合金粉末的方法。使用成分为4％～6％的Al、92％～93.5％的Ni，其余为杂质的镍基合金粉末和成分为0.9％～1.2％的C、26.5％～30.5％的Cr、0.8％～1.1％的Si、3.4％～5.4％的W、1.0％～2.0％的Fe、1.2％～2％的Ni，其余为Co的钴基合金粉末作为涂料，将上述粉料混合并用粘接剂分别将其调成膏状物，在对需进行处理的铜合金表面进行预处理后，将所得的两种膏状物分别涂覆在铜合金基体上，使其具有铜基体-镍基涂层-钴基涂层-镍基涂层-钴基涂层的结构，最后进行激光熔覆。

中国专利申请号：200910273446.0，申请日：2009年12月29日，该申请案公开了铜及铜合金表面激光熔覆复合耐磨层及制备方法，，该复合耐磨层为至少两层或两层以上的多层激光熔覆层构成，连接基材的涂层为第一层，也称过渡层，是一种镍基合金，按重量百分比计算其成分为：Cu20.0～30.0％，Al6.0～8.0％，Si0.3～0.6％，Zr1.7～2.4％，余量为Ni；其余层为钴基合金，按重量百分比计算其成分为：C1.0～1.5％，Cr25～30％，Fe2～4％，W10～15％，Si0.8～1.2％，B3～4％，Ti8～12％，Ni10～12％，余量为Co。

上述两种方法均是采用预置涂层进行熔覆，熔覆层之间的结合强度相对较低，使用寿命高短。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中铜材表面激光熔覆难度大的不足，提供了一种铜基表面复合镍基合金的同步激光熔覆方法，本发明的技术方案，对铜材表面进行覆膜处理来降低铜材的反光率，减少了能量损失，所采用的镍基合金粉末硬度高，与铜基的结合性好，提高了使用寿命。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种铜基表面复合镍基合金的同步激光熔覆方法，包括以下步骤：

步骤1、对待熔覆铜板进行整体超声波探伤和表面着色探伤确保无裂纹和疲劳层；

步骤2、在铜板表面进行活化覆膜处理；

步骤3、对铜板整体预热处理；

步骤4、采用二氧化碳横激光束进行熔覆，对熔池进行惰性气体保护，采用镍基合金粉末熔覆送粉，激光功率选择3.8～4.2kW，扫描速度350～420mm/min，光斑直径为3～5mm，扫描方式为搭接扫描，搭接率为30～50％，熔覆层总厚度为0.3～0.5mm；

步骤5、熔覆后的铜板空冷至室温。

作为本发明更进一步的改进，步骤2所述的活化覆膜处理包括以下工艺过程：

(1)对铜板表面除油并水洗；

(2)对水洗后的铜板进行活化处理，并再次水洗去除表面杂质；

(3)按比例配置覆膜处理液进行黑膜转化，把铜板在覆膜处理液中浸泡1～2小时，然后水洗、干燥。

作为本发明更进一步的改进，所述覆膜处理液是用铜材黑色皮膜剂A、铜材黑色皮膜剂B与水按2:1:7的质量比例配制而成。

作为本发明更进一步的改进，所述铜材黑色皮膜剂A、铜材黑色皮膜剂B分别为邳州市威尔特金属表面处理有限公司的铜材黑色皮膜剂C4030、铜材黑色皮膜剂C4040。

作为本发明更进一步的改进，步骤4中镍基合金粉末按重量百分比各成分组成为：C0.1～0.5％，Cr20～22％，Si2.5～4.0％，Fe3～5％，Mo6.8～9.0％，Nb3.8～4.2％，B1.5～2.2％，余量为Ni。

作为本发明更进一步的改进，所述镍基合金粉末的粒度为100～325目。

作为本发明更进一步的改进，所述熔覆送粉采用氩气保护气载专用送粉器送置粉末到激光熔池中。

本发明的镍基合金粉末，Gr具有固溶强化作用，容易与C、B形成GrC、GrB硬质相从而提高合金硬度和耐磨性；Mo固溶后使晶格发生大的畸变，显著强化合金基体，提高基体的高温强度和红硬性；Nb是一种强碳化物形成元素，Nb与C的亲和力远高于Fe与C的亲和力，所以在粉末被熔覆后，Nb首先与熔液中的C化合，形成大量弥散分布的NbC小质点，可以作为异质结晶核心，提高了熔覆层与铜板的结合性，细化了组织。B可以细化组织，不仅能提升强度，还可以增加强度和韧性；适量的Si可以提高熔覆金属的流动性，由于激光熔覆快速熔化、快速凝固的特点，熔覆金属来不及分散便开始凝固，增加一定量的Si可改善熔覆金属的分布；B和Si可以作为熔池脱氧剂，除去熔池中氧元素，提高金属流动性增加润湿性，能够起到固溶强化和弥散强化作用，提高熔敷层的硬度和耐磨性。

该合金对氧化和还原环境的各种腐蚀介质都具有非常出色的抗腐蚀能力，优秀的抗点腐蚀和缝隙腐蚀的能力，并且不会产生由于氯化物引起的应力腐蚀开裂，优秀的耐无机酸腐蚀能力，如硝酸、磷酸、硫酸、盐酸以及硫酸和盐酸的混合酸等，优秀的耐各种无机酸混合溶液腐蚀的能力，良好的加工性和焊接性，无焊后开裂敏感性。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种铜基表面复合镍基合金的同步激光熔覆方法，在铜板表面用铜材黑色皮膜剂A、铜材黑色皮膜剂B进行活化覆膜处理，为成膜提供化学动力，从而在铜材表面形成黑色皮膜，提高铜材表面激光处理时的吸光效果，降低反射率，从而保障激光处理作业时的安全性和可操作性，可有效降低铜板表面对激光的反射，增加激光的吸收率，减少能量损失；

(2)本发明的一种铜基表面复合镍基合金的同步激光熔覆方法，所采用的镍基合金粉末与铜板的熔覆结合性好，使用过程中不易开裂，使用寿命长；此外，熔覆后的耐磨层可提高铜板表面硬度，具有优异的耐磨性。

附图说明

图1为本发明中激光熔覆表面的金相图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例的一种铜基表面复合镍基合金的同步激光熔覆方法，包括以下步骤：

步骤1、对待熔覆铜板进行整体超声波探伤和表面着色探伤，通过超声波探伤确认无内部裂纹，经过表面着色探伤是确保无裂纹。

步骤2、在铜板表面进行活化覆膜处理，活化覆膜处理包括以下工艺过程：

(1)对铜板表面除油并水洗；

除油是表面处理重要工序之一，因为油污会影响涂膜效率，使涂膜的附着力降低，所以必须清洗干净。除油采用物理除油法，可采用邳州市威尔特金属表面处理有限公司常温除油粉去除油污，除油效果快。

采用化学活化方法对铜表面进行活化处理，可以采用氯化铁与硝酸的混合溶液进行活化处理，然后水洗并风干或烘干。活化处理可以消除铜材表面状态存在的物理或化学的不均一对成膜过程带来的影响，以增强铜合金表面与熔覆层的结合强度，促进结晶均匀快速地形成。

(3)按比例配置覆膜处理液进行黑膜转化，把铜板在覆膜处理液中浸泡2小时，然后水洗、干燥。

覆膜处理液是用邳州市威尔特金属表面处理有限公司的铜材黑色皮膜剂A、铜材黑色皮膜剂B与水按2:1:7的质量比例配制而成，把铜板在覆膜处理液中浸泡2小时，然后水洗、干燥，覆膜处理是在铜表面形成一层黑色保护膜，是切实降低激光反射的必要措施。

铜材黑色皮膜剂A为邳州市威尔特金属表面处理有限公司生产的铜材黑色皮膜剂C4030，含有Cu2+、Ni2+、Zn2+等一系列金属盐离子，和铜材黑色皮膜剂B配合使用，为起到催化作用提供具体的载体离子来源，并以稀有金属元素添加用作对于铜材表面的沉积置换，改善铜材表面的熔融性和光滑程度，显著降低铜材表面对激光的反射，提高铜材的抗氧化性。

铜材黑色皮膜剂B为邳州市威尔特金属表面处理有限公司生产的铜材黑色皮膜剂C4040，主要由具有“工业维生素”美称的稀土类离子、有机合成产物以及催化剂等化学物质复配浓缩而成，主要和铜材黑色皮膜剂C4030配合使用，对其中的部分离子进行催化，并为成膜提供化学动力，从而在铜材表面形成黑色皮膜，提高铜材表面激光处理时的吸光效果，降低反射率，从而保障激光处理作业时的安全性和可操作性。

表面生成的黑色保护膜能显著提高对激光的吸收率(因为黑色光具有对其它色系光谱天然的吸收特性)。由于黑化膜成份中含有钼酸盐成份，从而比传统磷化具有更多更细的晶粒结构，从而黑化膜的厚度可以达到18μm，是传统磷化膜厚度的2倍，这样也使得黑化膜对激光的吸收作用更加明显。

步骤3、对铜板整体预热处理。

一般而言，熔覆层的收缩率大于受热作用较小的基材，容易形成拉应力而产生裂纹，采用预热处理可提高两者的结合性，避免熔覆后产生裂纹；但由于铜的导热性较好，较低的预热温度无法持续足够的时间，把铜板整体加热到300℃以上可保改善铜板内部组织应力，一方面提高熔覆层与铜板的结合强度，另一方面可减少应局部加热而产生的应力。试验所采用铜板较小，可以简单预热而无需保温处理；若是采用大铜板，可根据需要进行预热，加热到300℃以上并保温。

步骤4、采用二氧化碳横激光束进行熔覆，对熔池进行惰性气体保护，并通过惰性气体把镍基合金粉末送至激光熔池，采用氩气保护气载专用送粉器送置粉末到激光熔池中，激光功率选择4.0kW，扫描速度360mm/min，光斑直径为3mm，扫描方式为搭接扫描，搭接率为45％，熔覆层厚度为0.3mm，铜材表面改性只需熔覆一层。

其中，镍基合金粉末按重量百分比各成分组成为：C0.3％，Cr20.2％，Si2.8％，Fe3％，Mo8.0％，Nb4.2％，B2.2％，余量为Ni，镍基合金粉末的粒度为150目。

步骤5、熔覆后的铜板空冷至室温。

实施例2

(1)对铜板表面除油并水洗。

(2)对水洗后的铜板进行活化处理，并再次水洗去除表面杂质。

(3)按比例配置覆膜处理液进行黑膜转化，覆膜处理液是用邳州市威尔特金属表面处理有限公司的铜材黑色皮膜剂C4030、铜材黑色皮膜剂C4040与水按2:1:7的质量比例配制而成，把铜板在覆膜处理液中浸泡1小时，然后水洗、干燥。

步骤3、对铜板整体预热至350℃，预热采用10kW履带加热器均匀加热，周围用30mm厚的保温棉覆盖以减少散热。

步骤4、采用二氧化碳横激光束进行熔覆，对熔池进行惰性气体保护，并通过惰性气体把镍基合金粉末送至激光熔池，采用氩气保护气载专用送粉器送置粉末到激光熔池中，激光功率选择3.8kW，扫描速度360mm/min，光斑直径为3mm，扫描方式为搭接扫描，搭接率为45％，熔覆层厚度为0.3mm；其中，镍基合金粉末按重量百分比各成分组成为：C0.2％，Cr20.0％，Si3.0％，Fe3％，Mo8.0％，Nb4.0％，B2.0％，余量为Ni，镍基合金粉末的粒度为200目。

步骤5、熔覆后的铜板空冷至室温。

实施例3

步骤1、对待熔覆铜板进行整体超声波探伤和表面着色探伤，通过超声波探伤确认无内部裂纹，经过表面着色探伤是确保无裂纹；

(1)对铜板表面除油并水洗。

(3)按比例配置覆膜处理液进行黑膜转化，覆膜处理液是用邳州市威尔特金属表面处理有限公司的铜材黑色皮膜剂C4030、铜材黑色皮膜剂C4040与水按2:1:7的质量比例配制而成，把铜板在覆膜处理液中浸泡1.5小时，然后水洗、干燥。

步骤3、对铜板整体预热至380℃，预热采用10kW履带加热器均匀加热，周围用25mm厚的保温棉覆盖以减少散热。

步骤4、采用二氧化碳横激光束进行熔覆，对熔池进行惰性气体保护，并通过惰性气体把镍基合金粉末送至激光熔池，采用氩气保护气载专用送粉器送置粉末到激光熔池中，激光功率选择4.2kW，扫描速度400mm/min，光斑直径为3mm，扫描方式为搭接扫描，搭接率为45％，熔覆层厚度为0.4mm；其中，镍基合金粉末按重量百分比各成分组成为：C0.1％，Cr21.5％，Si3.5％，Fe3％，Mo8％，Nb4％，B2％，余量为Ni，镍基合金粉末的粒度为200目。

步骤5、熔覆后的铜板空冷至室温。熔覆后的金相图如图1所示，可知铜板与镍基合金之间实现了熔融结合。

实施例4

(1)对铜板表面除油并水洗。

(3)按比例配置覆膜处理液进行黑膜转化，覆膜处理液是用邳州市威尔特金属表面处理有限公司的铜材黑色皮膜剂C4030、铜材黑色皮膜剂C4040与水按2:1:7的质量比例配制而成，把铜板在覆膜处理液中浸泡2小时，然后水洗、干燥。

步骤3、对铜板整体预热至330℃，预热采用10kW履带加热器均匀加热，周围用30mm厚的保温棉覆盖以减少散热。

步骤4、采用二氧化碳横激光束进行熔覆，对熔池进行惰性气体保护，并通过惰性气体把镍基合金粉末送至激光熔池，采用氩气保护气载专用送粉器送置粉末到激光熔池中，激光功率选择4.0kW，扫描速度420mm/min，光斑直径为5mm，扫描方式为搭接扫描，搭接率为45％，熔覆层厚度为0.3mm；其中，镍基合金粉末按重量百分比各成分组成为：C0.1％，Cr22.0％，Si3.0％，Fe4.0％，Mo7.5％，Nb4％，B1.7％，余量为Ni，镍基合金粉末的粒度为200目。

步骤5、熔覆后的铜板空冷至室温。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种铜基表面复合镍基合金的同步激光熔覆方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤2、在铜板表面进行活化覆膜处理；

步骤3、对铜板整体预热处理；

步骤5、熔覆后的铜板空冷至室温。

2.根据权利要求1所述的一种铜基表面复合镍基合金的同步激光熔覆方法，其特征在于：步骤2所述的活化覆膜处理包括以下工艺过程：

(1)对铜板表面除油并水洗；

3.根据权利要求2所述的一种铜基表面复合镍基合金的同步激光熔覆方法，其特征在于：所述覆膜处理液是采用铜材黑色皮膜剂A、铜材黑色皮膜剂B与水按2:1:7的质量比例配制而成。

4.根据权利要求3所述的一种铜基表面复合镍基合金的同步激光熔覆方法，其特征在于：所述铜材黑色皮膜剂A、铜材黑色皮膜剂B分别为邳州市威尔特金属表面处理有限公司的铜材黑色皮膜剂C4030、铜材黑色皮膜剂C4040。

5.根据权利要求1所述的一种铜基表面复合镍基合金的同步激光熔覆方法，其特征在于：步骤4中镍基合金粉末按重量百分比各成分组成为：C0.1～0.5％，Cr20～22％，Si2.5～4.0％，Fe3～5％，Mo6.8～9.0％，Nb3.8～4.2％，B1.5～2.2％，余量为Ni。

6.根据权利要求5所述的一种铜基表面复合镍基合金的同步激光熔覆方法，其特征在于：所述镍基合金粉末的粒度为100～325目。

7.根据权利要求1所述的一种铜基表面复合镍基合金的同步激光熔覆方法，其特征在于：所述熔覆送粉采用氩气保护气载专用送粉器送置粉末到激光熔池中。