工业纯铜表面Ni基激光合金化层微观组织与性能研究

工业纯铜表面Ni基激光合金化层微观组织与性能研究工业纯铜因其优良的导电性、导热性和良好的机械加工性能,在冶金行业、电气行业、军工行业、海洋设备等诸多领域被广泛应用,但其表面硬度低、耐磨性差,限制了铜质工件的应用领域,常因局部破损缩短其使用寿命,造成铜资源的浪费。相比钢铁、钛合金等材料,纯铜导热系数大、对激光的反射率极高,这使得纯铜表面制备高质量的合金化层存在多方面的困难和问题。现阶段,科研工作者正从高能激光器的改进、合金化材料体系的设计和工艺参数优化等多方面进行研究。本论文中,采用激光合金化技术,在工业纯铜表面制备Ni60A、Ni60A-xwt.%Ti(x=10,20,30)合金化层,分析比较激光功率、扫描速度对合金化层组织、硬度及耐磨性、耐蚀性的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱分析仪(EDS)对合金化层的微观组织、物相组成、成分组成进行测试,使用显微硬度仪、摩擦磨损试验机及电化学工作站对合金化层和纯铜基体的显微硬度、磨损失重、腐蚀电流密度进行测定,表征其耐磨性能和耐蚀性能。研究表明,Ni60A合金化层主要包含γ-Ni、Cr23C6、Cr2Ni3、B2Fe3Ni3、Cu0.81Ni0.19等多种物相,其典型组织为合金化层基体上分布着较多的不规则块状组织,其间析出树枝晶、颗粒状组织,并随着激光功率和扫描速度的增大致密度提高,组织枝晶化趋势明显。激光功率P=5.OkW、扫描速度v=600mm/min时,Ni60A合金化层组织致密均匀,最高硬度平均值高达1179.2HV02,是纯铜基体硬度的19倍左右,且其磨损失重远低于纯铜基体,发生粘着磨损;电化学腐蚀结果表明,表面均匀发生点蚀现象,其腐蚀电流密度值低于纯铜基体,在一定程度上提高整体的耐蚀性能。但在研究过程中发现,由于纯铜基体导热快、对激光反射率大等问题,Ni60A合金化层于纯铜基体的界面为平直状态,硬度分布曲线在界面处骤降,在一定程度上说明于基体冶金结合程度较低,故在Ni60A粉末中加入一定量的纯Ti粉末研究其影响。实验表明Ni60A-xwt.%Ti(x=10,20,30)合金化层与纯铜基体之间的界面下凹,纯铜基体表层熔化较多,参与到熔池反应,合金化层与纯铜基体实现更好的冶金结合。]Ni60A-xTi合金化层包含更多种类的物相,如NiTi、Ni2Ti、Ni3Ti、TiCr2、TiC等化合物,这些化合物的析出和弥散分布,进一步提高了合金化层的硬度和耐磨性,且Ni-Ti、Ni-Cr等金属间化合物具有耐蚀性,能够提高合金化层的耐蚀性。在大量实验基础上,研究发现,Ni60A-1OTi、Ni60A-20Ti、Ni60A-30Ti试样在扫描速度v=500mm/min时合金化层质量最好。激光功率较小时,由于合金化材料熔化不充分,形成大面积的某种元素如Ti、Cr等富集区;激光功率过大时,熔池内部对流现象剧烈,组织混乱、无序无向,均匀性变差。最优工艺参数下,Ni60A-1OTi合金化层基体上均匀分布着胞状晶,上部有层片状组织形成,下部密集析出颗粒状组织;Ni60A-20Ti和Ni60A-30Ti组织形貌相近,合金化层基体上形成片状组织,交错分布着少量针状组织,其间析出花簇状组织,观察发现该组织由颗粒状析出物聚集排列而成,组织整体均匀、致密。随着Ti含量的增多,合金化层的硬度和耐磨性随之提高,Ni60A-30Ti硬度平均值为1305.1HV0.2,相比纯铜基体及提高约21倍;磨损失重量远低于纯铜基体,摩擦系数稳定在～0.33,划痕浅且残留少量微小磨屑,表面发生轻微磨粒磨损和粘着磨损。综合分析,知Ni60A-xwt.%合金化层硬化机制包括固溶强化、析出强化和弥散强化,其中析出强化和弥散强化的效果更为显著。实验结果表明,并非所有Ni60A-xwt.%Ti合金化层腐蚀电流密度值都低于纯铜基体,由于工艺参数选择不当造成合金化层组织不均匀,存在气孔、微裂纹等缺陷,在合金化层内部由于电势差形成微电池,增大腐蚀电流密度,加速腐蚀。组织致密、均匀性好的合金化层在电化学腐蚀过程中,表面均匀发生点蚀,残留含Ni、Ti、Cr等元素含量的较高的针状或短棒状组织,说明NiTi、TiCr2等化合物为耐蚀相,针状或短棒状组织为耐蚀性组织。如P=5.0kW、v=500mm/min时,Ni60A-20Ti合金化层腐蚀电流密度为0.0395A·cm-2,低于纯铜基体,说明其比纯铜基体腐蚀速率更低。此外,合金化层的腐蚀电位普遍低于纯铜基体,这由合金化层自身的性质所决定,能够在腐蚀条件下作为阳极保护保护纯铜基体。由于纯金属粉末流动差,Ni60A-xwt.%Ti混合粉末熔体的流动性会受影响,对工艺参数有更严格的要求。实验结果表明选择适当的