工藝突破:銅和銅合金表面激光熔覆制備功能涂層

來源:中科煜宸    關鍵詞:激光熔覆, 案例, 銅合金,    發布時間:2019-06-25

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銅和銅合金由于具備良好的導電導熱性能及機械加工性能,在機械制造、電器電子、冶金、海洋裝備等眾多領域得到廣泛應用。隨著工業的發展,傳統的銅性能已無法滿足使用條件,尤其是在一些特殊的領域,嚴苛的服役環境對銅件的性能提出了更高要求,例如要求高強高導電性的電磁炮導軌,要求高耐磨、高耐熱性的連鑄結晶器,鋁板軋制生產線的銅軋輥等,在生產過程中,銅表面要不斷地經受高溫、高壓或強磨損,工作環境極其惡劣。提高銅合金表面性能的方法有電鍍、鑄滲、熱噴涂等,這些方法在一定程度上都存在一定缺陷,電鍍對環境造成較嚴重污染、鑄滲易產生氣孔缺陷、熱噴涂界面難以達到冶金結合,反復熱沖擊涂層易脫落。


圖1 傳統工藝方式存在的缺陷


激光熔覆作為表面改性的一種重要手段,具有靈活性高、對工件熱影響小、涂層與基體結合強度高等優點,通過該技術可以得到組織細密、性能優良的涂層。但是,由于銅表面對激光束具有較高的反射率,所以在銅表面做激光熔覆較為困難。

本文為中科煜宸針對連鑄結晶器、銅軋輥表面激光熔覆制備功能涂層所做的部分工作進行簡單闡述。

利用體式顯微鏡、金相顯微鏡對激光熔覆層表面形貌特征、涂層截面顯微組織特征和界面結合狀態進行分析,利用能譜分析(EDS,Nano Xflash Detector 5010,Bruker)對熔覆層化學成分進行研究,利用維氏顯微硬度儀(SHIMAZDZU)對涂層顯微硬度進行表征。

熔覆層宏觀形貌


(a)


(b)

圖2 不同工藝參數下激光熔覆層表面形貌

(a)


(b)


(c)


(d)

圖3 不同工藝參數下激光熔覆層截面形貌


熔覆層顯微組織及界面結合狀態

采用金相顯微鏡對Cu基體及激光熔覆層顯微組織進行觀察,分析發現熔覆層組織細小致密,主要由枝晶及細小的等軸晶組成。熔覆層未見氣孔、裂紋等缺陷產生,在界面位置熔覆層組織更加細小,且在熔覆層底部出現明顯的駝峰現象。

(a)Cu基體顯微組織50×

(b)熔覆層底部顯微組織10×

(c)熔覆層底部界面顯微組織50×


圖5 熔覆層表面顯微組織形貌及晶粒度分析50×

利用能譜分析(EDS,Nano Xflash Detector 5010,Bruker)對熔覆層及Cu基體化學成分進行研究,分析發現Cu元素由基體越過界面向熔覆層表面逐步擴散,元素含量逐步降低;Ni元素由熔覆層越過界面向Cu基體擴散,此外,Cr元素由熔覆層也向Cu基體擴散。因此可見,熔覆層元素與Cu基體元素在界面位置發生元素的相互擴散,實現了界面區域良好的冶金結合。



Cu


Ni

Cr

圖6 熔覆層能譜分析(Cu、Ni、Cr元素)

熔覆層顯微硬度

(a)不同功率P熔覆層顯微硬度值


(b)不同粉體材料熔覆層顯微硬度值

圖7 不同工藝參數熔覆層顯微硬度測試


研究了不同激光功率P、不同掃描速度v、不同送粉量S及不同Ar氣保護流量等參數對銅表面激光熔覆層性能的影響,圖7(a)為不同激光功率P條件下的熔覆層顯微硬度曲線圖,圖7(b)為不同粉體材料熔覆層顯微硬度曲線圖。


應用案例

中科煜宸采用自主研發的銅和銅合金專用激光熔覆裝備,對鋁板軋制鈹青銅輥進行表面熔覆層制備。裝備主要包括激光器、光纖、水冷機、KUKA機械手、送粉器、專用加工頭、轉臺等。


圖8 中科煜宸銅和銅合金激光熔覆裝備

該套裝備相比傳統激光熔覆裝備具有以下特點:

◆自動化程度高

◆裝備性能穩定

◆加工過程激光熔池穩定

◆單位面積熱輸入量低

◆涂層熔覆效率高

此外,在粉體材料選擇方面,該裝備可以對Fe基、Ni基、Co基及陶瓷材料進行熔覆,解決了銅和銅合金表面對激光束高反的難題,有效實現了銅表面激光熔覆制備異種金屬材料。



(a)激光熔覆前


(b)激光熔覆結束


(c)磨床磨削加工

圖9 銅軋輥表面激光熔覆制備耐磨涂層

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