本發(fā)明涉及金屬涂層，尤其涉及一種耐高溫磨損的激光熔覆銅基復合涂層及其制備方法。

背景技術：

1、銅合金及其復合材料由于優(yōu)異的導電性、導熱性、力學性能和機械加工性能獲得廣泛應用，如新能源汽車、高速鐵路、航空航天等領域。其中，銅鎳合金具有較高的力學性能、抗腐蝕性和抗高溫軟化性能，可以用作復雜苛刻工況下的高強度零件。但由于銅鎳合金摩擦學性能較差，無法滿足高溫、高速、重載等苛刻工況，極大地限制了其應用范圍。因此在銅鎳合金基礎上設計制備能夠在高溫環(huán)境下服役的耐磨損銅基復合材料具有重要的工程應用價值。

2、激光熔覆技術作為一種重要的材料加工手段，具有涂層組織致密、晶粒細小、對基材熱影響區(qū)小等優(yōu)點，廣泛用于改善材料的耐磨性能、耐蝕性能和抗氧化性能。專利cn117364077a公開了一種銅基激光熔覆涂層及制備方法，該涂層由質量百分比為48~67%的cu、28~47%的cr、3~7%的tio2和0.4~0.8%的ceo2組成，具有較高的硬度和耐磨性能，平均硬度在160~220?hv,質量磨損率為9~17?mg/km。專利cn117070936a公開了一種激光熔覆銅基耐磨中熵合金涂層的制備方法，通過ni、cr、fe等元素固溶強化和原位自生cu6.5sn增強相使得涂層硬度達到392?hv，但其并沒有公開其高溫抗磨損性能。專利cn114892167a公開了一種激光熔覆高熔點顆粒增強銅合金涂層，該制備方法使用了大量稀有金屬如w、mo、ta、nb，具有成本高、經濟效益低的缺點，且沒有公開其高溫抗磨損性能。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種在高溫環(huán)境下性能優(yōu)良的耐高溫磨損的激光熔覆銅基復合涂層。

2、本發(fā)明所要解決的另一個技術問題是提供該耐高溫磨損的激光熔覆銅基復合涂層的制備方法。

3、為解決上述問題，本發(fā)明所述的一種耐高溫磨損的激光熔覆銅基復合涂層，其特征在于：該涂層按質量百分比計，由30.0~60.0%的鎳包石墨粉、6.8~11.9%的ni粉、1.2~2.1%的al粉、0.4~0.7%的fe粉、0.4~0.7%的cr粉、0.4~0.7%的mn粉和0.4~0.7%的稀土氧化物以及余量cu粉組成。

4、所述涂層在室溫至500?℃的摩擦系數(shù)為0.39~0.55，磨損率為（0.34~6.69）×10-5mm3/nm。

5、如上所述的一種耐高溫磨損的激光熔覆銅基復合涂層的制備方法，其特征在于：首先按照配比稱重，然后將cu粉、ni粉、al粉、fe粉、cr粉、mn粉、稀土氧化物和鎳包石墨粉用行星式球磨機混合均勻，所得混合粉末經干燥處理后送入送粉器，并在處理后的金屬基材表面進行激光熔覆，熔覆完成后自然冷卻，即得耐高溫磨損的激光熔覆銅基復合涂層。

6、所述cu粉、ni粉、al粉、fe粉、cr粉和mn粉均為球形粉末，且粉末純度均≥99.8%，粒度大小均為45~75?μm。

7、所述稀土氧化物為ceo2粉末，純度≥99.9%，粒度大小為15~25?μm。

8、所述鎳包石墨粉的粒度大小為45~90?μm；該鎳包石墨粉中石墨質量百分含量為25%。

9、所述球磨條件是指采用聚四氟乙烯球磨罐和氮化硅磨球，在球料質量比為0.5:1、轉速為150~200?r/min的條件下球磨2~4小時。

10、所述干燥處理的溫度為80~100?℃，時間為1小時。

11、所述處理后的金屬基材按下述方法制得：在鋼材表面用碳化硅砂紙打磨去除氧化層，再用氧化鋁噴丸進行噴砂處理使鋼材表面粗化，最后用無水乙醇對鋼材表面進行清洗并吹干即得。

12、所述激光熔覆的條件是指激光功率為0.6~0.9?kw，搭接率為40~60%，掃描速度為800~1000?mm/min，送粉率為6~8?g/min，保護氣與載氣均為氬氣，保護氣流量為10~20?l/min。

13、本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點：

14、1、本發(fā)明通過激光熔覆方法在鋼材表面制備了與基體冶金結合的銅基復合涂層，該涂層具有結合強度高、晶粒細小、孔隙率低等優(yōu)點。

15、2、本發(fā)明通過添加合金元素ni、al、fe、cr、mn，提高了涂層的高溫力學性能，同時添加石墨改善了涂層的摩擦學性能，添加ceo2粉末改善了涂層的成形質量和綜合性能。

16、3、本發(fā)明通過材料配方和工藝參數(shù)的調整，可以調控涂層性能，制備的耐高溫摩擦磨損銅基復合涂層在室溫至500?℃具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和優(yōu)異的耐磨損性能。

17、4、本發(fā)明工藝簡單、生產效率高、應用前景廣，適用于在高溫、高速等苛刻條件下的機械運動部件表面涂層，如作為平面滑動軸承、襯套、軸瓦等關鍵部件。

技術特征：

1.一種耐高溫磨損的激光熔覆銅基復合涂層，其特征在于：該涂層按質量百分比計，由30.0~60.0%的鎳包石墨粉、6.8~11.9%的ni粉、1.2~2.1%的al粉、0.4~0.7%的fe粉、0.4~0.7%的cr粉、0.4~0.7%的mn粉和0.4~0.7%的稀土氧化物以及余量cu粉組成。

2.如權利要求1所述的一種耐高溫磨損的激光熔覆銅基復合涂層，其特征在于：所述涂層在室溫至500?℃的摩擦系數(shù)為0.39~0.55，磨損率為（0.34~6.69）×10-5?mm3/nm。

3.如權利要求1或2所述的一種耐高溫磨損的激光熔覆銅基復合涂層的制備方法，其特征在于：首先按照配比稱重，然后將cu粉、ni粉、al粉、fe粉、cr粉、mn粉、稀土氧化物和鎳包石墨粉用行星式球磨機混合均勻，所得混合粉末經干燥處理后送入送粉器，并在處理后的金屬基材表面進行激光熔覆，熔覆完成后自然冷卻，即得耐高溫磨損的激光熔覆銅基復合涂層。

4.如權利要求3所述的一種耐高溫磨損的激光熔覆銅基復合涂層的制備方法，其特征在于：所述cu粉、ni粉、al粉、fe粉、cr粉和mn粉均為球形粉末，且粉末純度均≥99.8%，粒度大小均為45~75?μm。

5.如權利要求3所述的一種耐高溫磨損的激光熔覆銅基復合涂層的制備方法，其特征在于：所述稀土氧化物為ceo2粉末，純度≥99.9%，粒度大小為15~25?μm。

6.如權利要求3所述的一種耐高溫磨損的激光熔覆銅基復合涂層的制備方法，其特征在于：所述鎳包石墨粉的粒度大小為45~90?μm；該鎳包石墨粉中石墨質量百分含量為25%。

7.如權利要求3所述的一種耐高溫磨損的激光熔覆銅基復合涂層的制備方法，其特征在于：所述球磨條件是指采用聚四氟乙烯球磨罐和氮化硅磨球，在球料質量比為0.5:1、轉速為150~200?r/min的條件下球磨2~4小時。

8.如權利要求3所述的一種耐高溫磨損的激光熔覆銅基復合涂層的制備方法，其特征在于：所述干燥處理的溫度為80~100?℃，時間為1小時。

9.如權利要求3所述的一種耐高溫磨損的激光熔覆銅基復合涂層的制備方法，其特征在于：所述處理后的金屬基材按下述方法制得：在鋼材表面用碳化硅砂紙打磨去除氧化層，再用氧化鋁噴丸進行噴砂處理使鋼材表面粗化，最后用無水乙醇對鋼材表面進行清洗并吹干即得。

10.如權利要求3所述的一種耐高溫磨損的激光熔覆銅基復合涂層的制備方法，其特征在于：所述激光熔覆的條件是指激光功率為0.6~0.9?kw，搭接率為40~60%，掃描速度為800~1000?mm/min，送粉率為6~8?g/min，保護氣與載氣均為氬氣，保護氣流量為10~20?l/min。

技術總結
本發(fā)明涉及一種耐高溫磨損的激光熔覆銅基復合涂層，該涂層按質量百分比計，由30.0~60.0%的鎳包石墨粉、6.8~11.9%的Ni粉、1.2~2.1%的Al粉、0.4~0.7%的Fe粉、0.4~0.7%的Cr粉、0.4~0.7%的Mn粉和0.4~0.7%的稀土氧化物以及余量Cu粉組成。同時，本發(fā)明還公開了該涂層的制備方法。本發(fā)明制備工藝簡單、生產效率高，所得涂層具有與基體結合強度高、硬度高、耐高溫以及在室溫至500℃摩擦系數(shù)穩(wěn)定、耐磨損性能優(yōu)異的特點，適合在高溫、高速等苛刻條件下作為機械滑動部件抗磨損涂層。

技術研發(fā)人員：談輝,朱圣宇,陳志明,楊軍,劉維民,程軍,陳文元,陳嬌
受保護的技術使用者：中國科學院蘭州化學物理研究所
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/10