铜表面送粉激光熔覆制备铜合金涂层的研究

铜表面送粉激光熔覆制备铜合金涂层的研究

铜和铜合金具有良好的电导率、良好的耐腐蚀性和成像性，广泛应用于能源、能源、机械等行业，如连铸结晶器、高开口、螺纹结构、电真空装置和电路沿线等。纯铜具有极佳的导电导热性,但其强度和耐磨性较差,限制了其应用范围。激光熔覆技术可以在普通材料表面制备出高性能的涂层,在零件的表面改性及高附加值零件的修复方面具有广阔的发展前景。由于纯铜良好的导热性及对激光能量的低吸收率,导致在其表面进行激光熔覆的难度较大。激光熔覆等离子喷涂的镍基合金可在铜表面制备高硬度涂层,但涂层内因存在较多脆性硼化物及热应力而形成较多微裂纹;在镍基合金中添加一定量的Cu,有助于减缓应力和开裂倾向;利用激光熔池中的反应可在纯铜表面原位合成Cu-TiB2复合材料层,显著提高其表面硬度和耐磨性。通过预置涂层的方法,可以提高激光的能量吸收,但涂层的厚度受到限制。本文针对某导轨的使用要求,着重开展纯铜表面激光熔覆铜合金涂层的制备工艺及组织性能研究。1铜合金熔覆层试样的制备基体采用工业纯铜板,尺寸为φ200mm×20mm,表面经加工后用酒精清洗。实际导轨尺寸为2400mm×45mm×20mm。试验用铜合金粉末为气雾化球形粉末,成分(质量分数,%)为Cu-15Ni-8Fe-7Mo-8Co-2Cr-2Si-0.2B,粉末粒度范围为-150~+325目。激光熔覆试验在5kW横流CO2激光沉积成形系统上进行,采用焦长为350mm的铜反射聚焦镜对激光束进行聚焦,焦点位于基体上方10mm处,铜合金粉末在载气(氩气)作用下由GTV-PF2/2送粉器连续送出,经与激光束同轴的送粉喷头送至激光束在基体表面形成的熔池内,送粉头距基板表面16mm,基体表面的光斑直径约2.5mm,载气流量为2.5L/min,沿光束同轴方向通有流量为2.0L/min的氩气以防止聚焦镜污染及涂层氧化。激光熔覆结束后,沿垂直和平行激光扫描方向切取熔覆层样品,制成金相试样,在Axiovert200MAT光学显微镜(OM)和S-4800扫描电镜(SEM)观察熔覆层的组织及形貌,用SEM附带的能谱仪(EDS)分析熔覆层不同组织的成分。采用D/max-2200PCX射线衍射仪分析经磨平的熔覆层表面,在VMHT30M维氏硬度计上对熔覆层不同位置进行硬度测试,载荷100g,加载时间15s。室温干滑动磨损试验在UMT-2型摩擦磨损试验机上进行,选用硬度为65HRC的GCr15钢球作为对磨上试样,钢球直径4mm,磨损测试样品尺寸为30mm×20mm×10mm。待测试表面最终经1000号砂纸磨光,磨损时钢球在试样表面作往复直线运动,法向载荷150g,往复频率3Hz,冲程4mm,测试时间30min,磨损后用Talysurf5P-120轮廓分析仪测量磨痕的深度及宽度,并计算出磨损速率,以纯铜基体作为对比样。2结果与分析2.1适度预热熔覆通过多次试验发现,即使采用高的功率(4kW)及低的运动速度(1mm/s)也不能在纯铜表面得到连续的熔覆层。已有的研究结果表明,铜对CO2激光的吸收率会随着基体温度的升高而增加。文献的研究表明,若将铜基体进行适度预热,可在较低激光功率和较高运动速度下获得光滑连续的熔覆层,且熔覆过程稳定。因此,本文的激光熔覆均在经300℃预热的基体上进行。为满足导轨的应用需要,通过多层多道搭接方式进行了较厚涂层的制备研究。试验发现,激光熔覆工艺会随着基体尺寸大小、熔覆面积及熔覆层数的不同而有所不同。在尺寸较小的基体上进行连续搭接熔覆时,基体的温度会随着熔覆的进行快速升高,因而所需要的激光功率会下降;而在进行实际导轨熔覆加工时由于基体散热较快,基体整体温度很难上升,功率无需调节;在多层熔覆时,由于已沉积材料的表面粗糙且材料成分的变化,增加了对激光的吸收率,需要适当降低激光功率或提高运动速度。表1中给出了实际导轨激光熔覆时所采用的工艺参数。2.2涂层组织化学及成岩改造研究图1为两层搭接激光熔覆涂层截面的微观组织。由图1(a)可见,熔覆层组织致密均匀,涂层内部无孔洞、夹杂、裂纹等缺陷。熔覆层厚度约1mm。由图1(b)可见,熔覆层与基体呈完全的冶金结合,熔覆层底部呈现外延生长特征,这与熔覆层凝固过程中热流主要通过基体散失有关,在界面区存在一宽度约15μm的过渡层,该过渡层是由熔化的基体薄层与少量涂层粉末在基体的快速冷却作用下形成,熔覆层的稀释率较低。熔覆层组织较纯铜基体要细小得多,在熔覆层组织中有许多呈弥散分布的细小球形颗粒相,如图1(c)所示,其平均直径小于5μm,同时可以看到熔覆层内部存在少量大块的颗粒相,见图1(a),大块颗粒相的尺寸与激光熔覆工艺有很大关系,一般在0.5~3.0mm,且沿激光扫描方向呈拉长的形态。在熔覆层与基体界面附近区域很少有颗粒相的存在,见图1(b),这可能与纯铜基体对熔覆层的少量稀释及基体的快速冷却共同作用有关。图1(d)为大块颗粒相附近的组织,在大块颗粒相表面附近存在细小颗粒相的贫化区。表2为不同形态组织的成分分析结果。由表2可见,涂层基体组织中的Cu、Ni含量超过80at%,而大块颗粒相及细小球形颗粒相中均含有较多Fe、Co、Mo、Ni、Cr及Si元素。图2为激光熔覆铜合金涂层的XRD分析结果。由图2可见,熔覆层主要由铜基固溶体及多元金属硅化物组成,熔覆层的基体组织为铜基固溶体,由于激光熔覆的快速凝固作用,使得Co、Fe、Cr等元素在铜中的固溶度有所增加。大块颗粒相及大量细小的球形颗粒相为含有多种合金元素的金属硅化物,激光熔覆的非平衡凝固过程导致固溶度增加、晶格畸变以及亚稳过渡相的形成等,增加了物相确定的难度。上述熔覆层组织的出现主要与熔覆材料的复杂成分及激光熔覆的凝固过程有关。分析认为,激光熔池中存在着Fe、Mo、Co、Cr等与Cu互溶性很低的合金元素,熔池在冷却凝固过程中会发生液相分离现象,形成富铜液相及贫铜液相,贫铜液相中其他合金元素具有较高的熔点,而熔池的主要成分是铜,因此在凝固过程中富含Mo、Co、Fe、Cr等元素的贫铜液相将优先在富铜液相中以细小球形颗粒析出,随后富铜液相凝固形成连续的铜基固溶体,由于激光熔覆的非平衡凝固过程,导致Fe、Co、Cr等元素在铜中的固溶度增大,而Si倾向于在贫铜相中富集,进而形成多元金属硅化物。由于激光熔覆在经过预热的基体上进行,熔池冷却速率降低,熔池温度升高和熔池停留时间延长,导致某些区域细小颗粒相发生聚集凝并,形成大块的分离相聚集体。由表2可知,细小球形分离相与大块聚集体在成分上非常接近,仅Mo与Cu的含量存在少许差别,说明细小分离相与大块聚集体在成分及组织结构上具有一致性。王维夫等研究了铝合金表面激光熔覆铜合金的液相分离行为,其所用元素混合粉与上述铜合金粉末的成分十分相近,涂层中同样出现分散与偏聚两种形态的分离相。图1(d)中大块聚集体内部存在少量深色圆形颗粒相(如箭头所指),经能谱分析表明,其成分与铜基固溶体相近,这可能是细小分离相在凝并过程中将附近液相包裹而形成。由熔覆层与基体界面的SEM形貌(图3(a))及EDS线扫描分析结果(图3(b))可以看出,熔覆层与基体完全熔合,熔覆层成分均匀,界面过渡连续,保证了熔覆层与基体的良好结合。图3(b)中用虚线隔开的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区域分别对应着熔覆层、过渡区及基体,过渡区的成分呈梯度变化。2.3熔覆涂层的摩擦学性能图4为由纯铜基体到熔覆层的显微硬度分布曲线。由图4可见,熔覆层的平均硬度为280HV0.1,而纯铜基体的平均硬度在70HV0.1左右,大块分离相聚集体的平均硬度为510HV0.1,激光熔覆铜合金涂层的硬度是铜基体的4倍。铜合金涂层的较高硬度主要归因于其组织的细化、多种合金元素的固溶强化以及细小分离相的弥散强化。大块分离相聚集体与细小球形分离相具有相近的复杂成分,为多元金属硅化物,通常具有高的熔点、弹性模量、硬度等优点。图5为激光熔覆试样与铜基体在干滑动磨损测试后磨痕的截面轮廓图。由图5可见,纯铜和熔覆涂层的磨痕深度分别为33.5μm和22.5μm,宽度分别为750μm和475μm。通过计算相应磨痕轮廓的积分面积,可以得知激光熔覆涂层的耐磨性约是纯铜基体的3.5倍,耐磨性的提高主要与熔覆层具有较高的硬度有关。另外,试验发现,激光熔覆层不同组织的耐磨性存在着显著差异,图6显示了大块分离相聚集体表面及铜合金涂层基体上磨痕的照片,可见大块聚集体表面的磨痕很浅且较窄,显示出极佳的耐磨性。大块聚集体为多元金属硅化物,通常具有Laves相结构,具有较强的原子间结合力,其结合键既有金属键又有共价键,其键合性质与单纯的金属键相差很大,在与金属材料组成的摩擦副对磨过程中不易与之发生粘着,同时这种相具有较高的硬度,在接触应力作用下不易发生变形,粘着磨损抗力很高。由于大块分离相聚集体及细小球形分离相是从合金熔体中析出并长大而成,其与铜基过饱和固溶体具有干净的界面和良好的结合,在摩擦磨损的过程中,可以对周围铜合金基体起到很好的保护作用,进而提高材料表面整体的耐磨性。3激光熔覆铜合金层的组织1)通过对纯铜基体的适度预热,解决了激光熔覆时基体表面对激光吸收率低的问题,在较低的激光功率下通过多层多道搭接激光熔覆方法在纯铜表面制备出具有一定厚度的铜合金层,熔覆层与基体呈冶金结合,过渡连续,熔覆层组织致密,无气孔、裂纹等