CN113564579B - 一种利用激光熔覆制备铜基非晶复合涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用激光熔覆制备铜基非晶复合涂层的方法，属于材料表面强化技术领域，包括4个制备步骤：熔炼合金粉末的制备、铜基体预处理、粉末预置处理和激光熔覆加工。本发明有效的改善了纯铜硬度低、摩擦性差等缺点，实现了铜基非晶复合涂层与纯铜基体的良好冶金结合，形成的复合涂层具有结构致密、组织均匀、硬度高、耐磨性好、无裂纹和高非晶含量等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用激光熔覆制备铜基非晶复合涂层的方法，属于材料表面强化技术领域。
背景技术
铜金属材料具有优异的导电及导热性能，且富有韧性与延展性，在电气、机械、冶金等行业有着举足轻重的地位，但铜金属材料的强度与硬度较低，很难用于结构构件，同时其耐摩擦性能较差，无法满足高强耐磨的工况，这又进一步的阻碍了铜金属材料的发展应用。我国作为铜材产量大国，连续多年居世界首位，但我国铜材产业大而不强，与国际一流企业同台竞争，研发实力的差距是根本性的差距，主要体现在材料配方研发和生产工艺控制两个方面。采用表面改性技术增强铜金属材料的性能具有重要的现实意义，极大的拓展铜金属材料的应用范围。
非晶合金不同于传统上的晶态合金，是由合金熔体快速冷却而得到兼有金属与玻璃特性的一类结构和性能独特的固体材料，其内部原子排列像玻璃一样长程无序，故又被称为金属玻璃。具有高强度、高硬度、高耐腐蚀性以及高磁导率等诸多优异的性能。传统的非晶合金复合涂层的制备方法主要是热喷涂（等离子喷涂、电弧喷涂、超音速火焰喷涂等）、堆焊法等。但上述方法均存在不同程度的缺陷，如热喷涂工艺形成的涂层与基体结合力差，堆焊方式又会使基体过度稀释，造成涂层性能差。因此，如何使铜金属基材和涂层之间形成一个完全致密的冶金结合，制备出具备高强度、高硬度和耐摩擦磨损等优异性能的非晶复合涂层具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用激光熔覆制备铜基非晶复合涂层的方法，所制备的涂层与铜基冶金结合性好，非晶含量高，硬度高，耐磨性好。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种利用激光熔覆制备铜基非晶复合涂层的方法，包括以下步骤：
（1）熔炼合金粉末的制备：先将熔炼合金的各成分采用真空电弧熔炼炉熔炼得到成分均匀的合金，再将得到的合金粉碎后用振动磨将粉碎的合金转变成合金粉末，最后用过筛网筛选得到熔炼合金粉末；
（2）铜基体预处理：打磨铜基体表面氧化层，并用酒精擦拭、吹干；
（3）粉末预置处理：将步骤（1）筛选的熔炼合金粉末用无水乙醇搅拌成糊状，预置涂覆于铜基体表面，厚度为1mm，并将完成预置的试样干燥；
（4）激光熔覆加工：先将铜基体进行黑化处理，再将预置试样预热，最后在氩气保护下采用激光熔覆加工、冷却。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述熔炼合金各成分的原子百分比为：Cu50- xHf44-2yAl6+yMoxTay，其中，1≤x≤3，1≤y≤2。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤（1）中真空电弧熔炼炉的熔炼过程为：将熔炼电流升高到150A，反复熔炼三次，每次10～15秒。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤（1）中得到的熔炼合金粉末的粒度为400目～120目。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤（3）中的干燥条件为200℃干燥1h。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤（4）中的黑化处理为用黑色记号笔将步骤（3）预置粉末前端3～4mm的铜基体涂黑。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤（4）中的预热温度为950℃。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤（4）的激光熔覆加工过程为：将预置试样置于激光头下的工作台上进行单道激光熔覆，设置激光器的功率为1800～2400W，扫描速度为8～12mm/s，激光光斑大小为10×2mm的矩形光斑；当激光扫描至预置试样末端1/5处时，将激光扫描速度提高1mm/s。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤（4）的冷却过程为快速将样品放入水中，进行淬火处理。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：
本发明有效的改善了纯铜硬度低、摩擦性差等缺点，实现了铜基非晶复合涂层与纯铜基体的良好冶金结合，形成的复合涂层具有结构致密、组织均匀、硬度高、耐磨性好、无裂纹和高非晶含量等优点。
本发明通过黑化处理方式增加激光的吸收率，并控制好基体预热的距离，极大地提高了铜基非晶复合涂层与纯铜基体的冶金结合性。
本发明通过提高后期激光扫描速度加快涂层的冷却速度，减小涂层因过高的温度而促使非晶产生晶化现象，形成的复合涂层结构致密、组织均匀、硬度高且耐磨性好。
附图说明
图1是本发明实施例4中Cu-Hf-Al-Mo-Ta复合涂层表面形貌图；
图2是本发明实施例4中Cu-Hf-Al-Mo-Ta复合涂层表面的XRD图；
图3是本发明实施例4中Cu-Hf-Al-Mo-Ta复合涂层横截面的SEM图；
图4是本发明实施例4中Cu-Hf-Al-Mo-Ta复合涂层表面的TEM图；
图5是本发明实施例1-6中Cu-Hf-Al-Mo-Ta复合涂层的显微硬度；
图6是本发明实施例4中复合涂层与基体的熔合图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1
一种利用激光熔覆制备铜基非晶复合涂层的方法，所述熔炼合金各成分的原子百分比为Cu50-xHf44-2yAl6+yMoxTay，其中x为3，y为2。
（1）熔炼合金粉末的制备
所述熔炼合金各成分的原子百分比为：Cu47Hf40Al8Mo3Ta2。
用360目的砂纸打磨纯度为99.0%的Cu片、Hf块、Al块、Mo丝和Ta块原料，将熔炼合金各成分的原子百分比换算成相应的质量百分比，然后按质量百分比称取对应质量的金属Cu、Hf、Al、Mo和Ta，并将各原料置于真空电弧熔炼炉中，熔炼电流升高到150A，反复熔炼三次，每次10～15秒，确保所形成的合金成分均匀；将得到的合金粉碎后使用振动磨将粉碎的合金转变成合金粉末，再用过筛网筛选37μm（400目）～125μm（120目）的熔炼合金粉末。
（2）铜基体预处理
使用角磨机打磨纯铜基体表面氧化层，并用酒精擦拭、吹干。
（3）粉末预置处理
将步骤（1）筛选的熔炼合金粉末用无水乙醇搅拌成糊状，预置涂覆于铜基体表面，厚度为1mm，将完成预置的试样在200℃的干燥箱中干燥1h。
（4）激光熔覆
先用黑色记号笔将步骤（3）预置粉末前端3～4mm的铜基体涂黑进行黑化处理，以增加激光的吸收率并控制好基体预热的距离，使预置粉末与基体的冶金结合性更好；再将预置试样预热至950℃，减小激光熔覆时急热急冷后产生的热应力而导致涂层开裂；最后在氩气保护下采用激光熔覆加工，将预置试样置于激光头下的工作台上进行单道激光熔覆，设置激光器的功率为1800W，扫描速度为8mm/s，激光光斑大小为10×2mm的矩形光斑。当激光扫描至预置试样末端1/5处时，将激光扫描速度提高1mm/s，加快涂层的冷却速度，减小涂层因过高的温度而促使非晶产生晶化现象。激光熔覆结束后，快速将样品放入水中，进行淬火处理，使涂层冷却速度更快。
实施例2
本实施例与实施例1的不同点为：x=3，y=1，所述熔炼合金各成分的原子百分比为Cu47Hf42Al7Mo3Ta1；设置激光功率为2200W，扫描速度为10mm/s。
其它与实施例1相同，即可得到铜基非晶复合涂层。
实施例3
本实施例与实施例1的不同点为：x=2，y=2，所述熔炼合金各成分的原子百分比为Cu48Hf40Al8Mo2Ta2；设置激光功率为2400W，扫描速度为12mm/s。
其它与实施例1相同，即可得到铜基非晶复合涂层。
实施例4
本实施例与实施例1的不同点为：x=2，y=1，所述熔炼合金各成分的原子百分比为Cu48Hf42Al7Mo2Ta1；设置激光功率为2200W，扫描速度为11mm/s。
其它与实施例1相同，即可得到铜基非晶复合涂层。
图1中标识处为本实施例涂层打磨之后表面形貌图，涂层表面形成良好，无裂纹。图2为得到的复合涂层表面的XRD分析，发现在2为35°～45°的非晶峰区间内出现了CuHf2、Cu8Hf3、AlCuHf三个晶化峰，表明涂层中同时存在非晶相与晶相，通过Jade6软件对XRD图进行函数拟合分析知非晶含量高达80%附近。图3是通过SEM观察熔覆层横截界面形貌，发现大部分区域的微观组织由大面积无任何组织形貌特征的灰色基底组成，结合XRD结果分析，该灰色基底就是非晶相。图4为涂层表面灰色基体的明场像图，衬度很均一，图A区域的选区电子衍射花样特点是中心有一漫散的中心斑点及漫散环，这种漫散衍射斑的存在是非晶态合金的典型特征；图B区域的高分辨电镜图片代表了非晶快速冷却时因晶化而产生的细小纳米晶，使涂层具有更高强度与硬度。图6显示了铜基非晶复合涂层与纯铜基体的良好冶金结合。
实施例5
本实施例与实施例1的不同点为：x=1，y=2，所述熔炼合金各成分的原子百分比为Cu49Hf40Al8Mo1Ta2。设置激光功率为1800W，扫描速度为9mm/s。
其它与实施例1相同，即可得到铜基非晶复合涂层。
实施例6
本实施例与实施例1的不同点为：x=1，y=1，所述熔炼合金各成分的原子百分比为Cu49Hf42Al7Mo1Ta1。设置激光功率为2000W，扫描速度为11mm/s。
其它与实施例1相同，即可得到铜基非晶复合涂层。
图5为实施例1-6制备的复合涂层的显微硬度图，其涂层上表面的平均显微硬度约为830HV，将铜基体显微硬度（67HV）提升了10倍以上。
对照例1
本对照例与实施例4的不同点为：不进行黑化处理。
其它与实施例4相同，涂层前段部分与基体结合性不好，易脱落。
对照例2
本对照例与实施例4的不同点为：用黑色记号笔将步骤（3）预置粉末前端1～2mm的铜基体涂黑进行黑化处理。
其它与实施例4相同，涂层前段部分的粉末会出现未完全熔化现象。
对照例3
本对照例与实施例4的不同点为：用黑色记号笔将步骤（3）预置粉末前端6～8mm的铜基体涂黑进行黑化处理。
其它与实施例4相同，涂层与基体的稀释率过高，基体中更多的原子扩散到涂层中，降低了非晶的形成能力。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种利用激光熔覆制备铜基非晶复合涂层的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）熔炼合金粉末的制备：先将熔炼合金的各成分采用真空电弧熔炼炉熔炼得到成分均匀的合金，再将得到的合金粉碎后用振动磨将粉碎的合金转变成合金粉末，最后用过筛网筛选得到熔炼合金粉末；所述熔炼合金各成分的原子百分比为：Cu50-xHf44-2yAl6+yMoxTay，其中，1≤x≤3，1≤y≤2；
（2）铜基体预处理：打磨铜基体表面氧化层，并用酒精擦拭、吹干；
（3）粉末预置处理：将步骤（1）筛选的熔炼合金粉末用无水乙醇搅拌成糊状，预置涂覆于铜基体表面，厚度为1mm，并将完成预置的试样干燥；
（4）激光熔覆加工：先将铜基体进行黑化处理，再将预置试样预热，最后在氩气保护下采用激光熔覆加工、冷却；所述黑化处理为用黑色记号笔将步骤（3）预置粉末前端3～4mm的铜基体涂黑；所述激光熔覆加工过程为：将预置试样置于激光头下的工作台上进行单道激光熔覆，设置激光器的功率为1800～2400W，扫描速度为8～12mm/s，激光光斑大小为10×2mm的矩形光斑；当激光扫描至预置试样末端1/5处时，将激光扫描速度提高1mm/s；所述冷却过程为快速将样品放入水中，进行淬火处理。
2.根据权利要求1所述的一种利用激光熔覆制备铜基非晶复合涂层的方法，其特征在于：所述步骤（1）中真空电弧熔炼炉的熔炼过程为：将熔炼电流升高到150A，反复熔炼三次，每次10～15秒。
3.根据权利要求1所述的一种利用激光熔覆制备铜基非晶复合涂层的方法，其特征在于：所述步骤（1）中得到的熔炼合金粉末的粒度为400目～120目。
4.根据权利要求1所述的一种利用激光熔覆制备铜基非晶复合涂层的方法，其特征在于：所述步骤（3）中的干燥条件为200℃干燥1h。
5.根据权利要求1所述的一种利用激光熔覆制备铜基非晶复合涂层的方法，其特征在于：所述步骤（4）中的预热温度约为950℃。
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