銅表面送粉激光熔覆制備銅合金涂層的研究

銅表面送粉激光熔覆制備銅合金涂層的研究

銅和銅合金具有良好的電導(dǎo)率、良好的耐腐蝕性和成像性，廣泛應(yīng)用于能源、能源、機(jī)械等行業(yè)，如連鑄結(jié)晶器、高開口、螺紋結(jié)構(gòu)、電真空裝置和電路沿線等。純銅具有極佳的導(dǎo)電導(dǎo)熱性,但其強(qiáng)度和耐磨性較差,限制了其應(yīng)用范圍。激光熔覆技術(shù)可以在普通材料表面制備出高性能的涂層,在零件的表面改性及高附加值零件的修復(fù)方面具有廣闊的發(fā)展前景。由于純銅良好的導(dǎo)熱性及對(duì)激光能量的低吸收率,導(dǎo)致在其表面進(jìn)行激光熔覆的難度較大。激光熔覆等離子噴涂的鎳基合金可在銅表面制備高硬度涂層,但涂層內(nèi)因存在較多脆性硼化物及熱應(yīng)力而形成較多微裂紋;在鎳基合金中添加一定量的Cu,有助于減緩應(yīng)力和開裂傾向;利用激光熔池中的反應(yīng)可在純銅表面原位合成Cu-TiB2復(fù)合材料層,顯著提高其表面硬度和耐磨性。通過預(yù)置涂層的方法,可以提高激光的能量吸收,但涂層的厚度受到限制。本文針對(duì)某導(dǎo)軌的使用要求,著重開展純銅表面激光熔覆銅合金涂層的制備工藝及組織性能研究。1銅合金熔覆層試樣的制備基體采用工業(yè)純銅板,尺寸為φ200mm×20mm,表面經(jīng)加工后用酒精清洗。實(shí)際導(dǎo)軌尺寸為2400mm×45mm×20mm。試驗(yàn)用銅合金粉末為氣霧化球形粉末,成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為Cu-15Ni-8Fe-7Mo-8Co-2Cr-2Si-0.2B,粉末粒度范圍為-150~+325目。激光熔覆試驗(yàn)在5kW橫流CO2激光沉積成形系統(tǒng)上進(jìn)行,采用焦長為350mm的銅反射聚焦鏡對(duì)激光束進(jìn)行聚焦,焦點(diǎn)位于基體上方10mm處,銅合金粉末在載氣(氬氣)作用下由GTV-PF2/2送粉器連續(xù)送出,經(jīng)與激光束同軸的送粉噴頭送至激光束在基體表面形成的熔池內(nèi),送粉頭距基板表面16mm,基體表面的光斑直徑約2.5mm,載氣流量為2.5L/min,沿光束同軸方向通有流量為2.0L/min的氬氣以防止聚焦鏡污染及涂層氧化。激光熔覆結(jié)束后,沿垂直和平行激光掃描方向切取熔覆層樣品,制成金相試樣,在Axiovert200MAT光學(xué)顯微鏡(OM)和S-4800掃描電鏡(SEM)觀察熔覆層的組織及形貌,用SEM附帶的能譜儀(EDS)分析熔覆層不同組織的成分。采用D/max-2200PCX射線衍射儀分析經(jīng)磨平的熔覆層表面,在VMHT30M維氏硬度計(jì)上對(duì)熔覆層不同位置進(jìn)行硬度測(cè)試,載荷100g,加載時(shí)間15s。室溫干滑動(dòng)磨損試驗(yàn)在UMT-2型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,選用硬度為65HRC的GCr15鋼球作為對(duì)磨上試樣,鋼球直徑4mm,磨損測(cè)試樣品尺寸為30mm×20mm×10mm。待測(cè)試表面最終經(jīng)1000號(hào)砂紙磨光,磨損時(shí)鋼球在試樣表面作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),法向載荷150g,往復(fù)頻率3Hz,沖程4mm,測(cè)試時(shí)間30min,磨損后用Talysurf5P-120輪廓分析儀測(cè)量磨痕的深度及寬度,并計(jì)算出磨損速率,以純銅基體作為對(duì)比樣。2結(jié)果與分析2.1適度預(yù)熱熔覆通過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),即使采用高的功率(4kW)及低的運(yùn)動(dòng)速度(1mm/s)也不能在純銅表面得到連續(xù)的熔覆層。已有的研究結(jié)果表明,銅對(duì)CO2激光的吸收率會(huì)隨著基體溫度的升高而增加。文獻(xiàn)的研究表明,若將銅基體進(jìn)行適度預(yù)熱,可在較低激光功率和較高運(yùn)動(dòng)速度下獲得光滑連續(xù)的熔覆層,且熔覆過程穩(wěn)定。因此,本文的激光熔覆均在經(jīng)300℃預(yù)熱的基體上進(jìn)行。為滿足導(dǎo)軌的應(yīng)用需要,通過多層多道搭接方式進(jìn)行了較厚涂層的制備研究。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),激光熔覆工藝會(huì)隨著基體尺寸大小、熔覆面積及熔覆層數(shù)的不同而有所不同。在尺寸較小的基體上進(jìn)行連續(xù)搭接熔覆時(shí),基體的溫度會(huì)隨著熔覆的進(jìn)行快速升高,因而所需要的激光功率會(huì)下降;而在進(jìn)行實(shí)際導(dǎo)軌熔覆加工時(shí)由于基體散熱較快,基體整體溫度很難上升,功率無需調(diào)節(jié);在多層熔覆時(shí),由于已沉積材料的表面粗糙且材料成分的變化,增加了對(duì)激光的吸收率,需要適當(dāng)降低激光功率或提高運(yùn)動(dòng)速度。表1中給出了實(shí)際導(dǎo)軌激光熔覆時(shí)所采用的工藝參數(shù)。2.2涂層組織化學(xué)及成巖改造研究圖1為兩層搭接激光熔覆涂層截面的微觀組織。由圖1(a)可見,熔覆層組織致密均勻,涂層內(nèi)部無孔洞、夾雜、裂紋等缺陷。熔覆層厚度約1mm。由圖1(b)可見,熔覆層與基體呈完全的冶金結(jié)合,熔覆層底部呈現(xiàn)外延生長特征,這與熔覆層凝固過程中熱流主要通過基體散失有關(guān),在界面區(qū)存在一寬度約15μm的過渡層,該過渡層是由熔化的基體薄層與少量涂層粉末在基體的快速冷卻作用下形成,熔覆層的稀釋率較低。熔覆層組織較純銅基體要細(xì)小得多,在熔覆層組織中有許多呈彌散分布的細(xì)小球形顆粒相,如圖1(c)所示,其平均直徑小于5μm,同時(shí)可以看到熔覆層內(nèi)部存在少量大塊的顆粒相,見圖1(a),大塊顆粒相的尺寸與激光熔覆工藝有很大關(guān)系,一般在0.5~3.0mm,且沿激光掃描方向呈拉長的形態(tài)。在熔覆層與基體界面附近區(qū)域很少有顆粒相的存在,見圖1(b),這可能與純銅基體對(duì)熔覆層的少量稀釋及基體的快速冷卻共同作用有關(guān)。圖1(d)為大塊顆粒相附近的組織,在大塊顆粒相表面附近存在細(xì)小顆粒相的貧化區(qū)。表2為不同形態(tài)組織的成分分析結(jié)果。由表2可見,涂層基體組織中的Cu、Ni含量超過80at%,而大塊顆粒相及細(xì)小球形顆粒相中均含有較多Fe、Co、Mo、Ni、Cr及Si元素。圖2為激光熔覆銅合金涂層的XRD分析結(jié)果。由圖2可見,熔覆層主要由銅基固溶體及多元金屬硅化物組成,熔覆層的基體組織為銅基固溶體,由于激光熔覆的快速凝固作用,使得Co、Fe、Cr等元素在銅中的固溶度有所增加。大塊顆粒相及大量細(xì)小的球形顆粒相為含有多種合金元素的金屬硅化物,激光熔覆的非平衡凝固過程導(dǎo)致固溶度增加、晶格畸變以及亞穩(wěn)過渡相的形成等,增加了物相確定的難度。上述熔覆層組織的出現(xiàn)主要與熔覆材料的復(fù)雜成分及激光熔覆的凝固過程有關(guān)。分析認(rèn)為,激光熔池中存在著Fe、Mo、Co、Cr等與Cu互溶性很低的合金元素,熔池在冷卻凝固過程中會(huì)發(fā)生液相分離現(xiàn)象,形成富銅液相及貧銅液相,貧銅液相中其他合金元素具有較高的熔點(diǎn),而熔池的主要成分是銅,因此在凝固過程中富含Mo、Co、Fe、Cr等元素的貧銅液相將優(yōu)先在富銅液相中以細(xì)小球形顆粒析出,隨后富銅液相凝固形成連續(xù)的銅基固溶體,由于激光熔覆的非平衡凝固過程,導(dǎo)致Fe、Co、Cr等元素在銅中的固溶度增大,而Si傾向于在貧銅相中富集,進(jìn)而形成多元金屬硅化物。由于激光熔覆在經(jīng)過預(yù)熱的基體上進(jìn)行,熔池冷卻速率降低,熔池溫度升高和熔池停留時(shí)間延長,導(dǎo)致某些區(qū)域細(xì)小顆粒相發(fā)生聚集凝并,形成大塊的分離相聚集體。由表2可知,細(xì)小球形分離相與大塊聚集體在成分上非常接近,僅Mo與Cu的含量存在少許差別,說明細(xì)小分離相與大塊聚集體在成分及組織結(jié)構(gòu)上具有一致性。王維夫等研究了鋁合金表面激光熔覆銅合金的液相分離行為,其所用元素混合粉與上述銅合金粉末的成分十分相近,涂層中同樣出現(xiàn)分散與偏聚兩種形態(tài)的分離相。圖1(d)中大塊聚集體內(nèi)部存在少量深色圓形顆粒相(如箭頭所指),經(jīng)能譜分析表明,其成分與銅基固溶體相近,這可能是細(xì)小分離相在凝并過程中將附近液相包裹而形成。由熔覆層與基體界面的SEM形貌(圖3(a))及EDS線掃描分析結(jié)果(圖3(b))可以看出,熔覆層與基體完全熔合,熔覆層成分均勻,界面過渡連續(xù),保證了熔覆層與基體的良好結(jié)合。圖3(b)中用虛線隔開的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)區(qū)域分別對(duì)應(yīng)著熔覆層、過渡區(qū)及基體,過渡區(qū)的成分呈梯度變化。2.3熔覆涂層的摩擦學(xué)性能圖4為由純銅基體到熔覆層的顯微硬度分布曲線。由圖4可見,熔覆層的平均硬度為280HV0.1,而純銅基體的平均硬度在70HV0.1左右,大塊分離相聚集體的平均硬度為510HV0.1,激光熔覆銅合金涂層的硬度是銅基體的4倍。銅合金涂層的較高硬度主要?dú)w因于其組織的細(xì)化、多種合金元素的固溶強(qiáng)化以及細(xì)小分離相的彌散強(qiáng)化。大塊分離相聚集體與細(xì)小球形分離相具有相近的復(fù)雜成分,為多元金屬硅化物,通常具有高的熔點(diǎn)、彈性模量、硬度等優(yōu)點(diǎn)。圖5為激光熔覆試樣與銅基體在干滑動(dòng)磨損測(cè)試后磨痕的截面輪廓圖。由圖5可見,純銅和熔覆涂層的磨痕深度分別為33.5μm和22.5μm,寬度分別為750μm和475μm。通過計(jì)算相應(yīng)磨痕輪廓的積分面積,可以得知激光熔覆涂層的耐磨性約是純銅基體的3.5倍,耐磨性的提高主要與熔覆層具有較高的硬度有關(guān)。另外,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),激光熔覆層不同組織的耐磨性存在著顯著差異,圖6顯示了大塊分離相聚集體表面及銅合金涂層基體上磨痕的照片,可見大塊聚集體表面的磨痕很淺且較窄,顯示出極佳的耐磨性。大塊聚集體為多元金屬硅化物,通常具有Laves相結(jié)構(gòu),具有較強(qiáng)的原子間結(jié)合力,其結(jié)合鍵既有金屬鍵又有共價(jià)鍵,其鍵合性質(zhì)與單純的金屬鍵相差很大,在與金屬材料組成的摩擦副對(duì)磨過程中不易與之發(fā)生粘著,同時(shí)這種相具有較高的硬度,在接觸應(yīng)力作用下不易發(fā)生變形,粘著磨損抗力很高。由于大塊分離相聚集體及細(xì)小球形分離相是從合金熔體中析出并長大而成,其與銅基過飽和固溶體具有干凈的界面和良好的結(jié)合,在摩擦磨損的過程中,可以對(duì)周圍銅合金基體起到很好的保護(hù)作用,進(jìn)而提高材料表面整體的耐磨性。3激光熔覆銅合金層的組織1)通過對(duì)純銅基體的適度預(yù)熱,解決了激光熔覆時(shí)基體表面對(duì)激光吸收率低的問題,在較低的激光功率下通過多層多道搭接激光熔覆方法在純銅表面制備出具有一定厚度的銅合金層,熔覆層與基體呈冶金結(jié)合,過渡連續(xù),熔覆層組織致密,無氣孔、裂紋等