銅質(zhì)基體表面激光熔覆工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種金屬處理材料及處理工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光烙覆技術(shù)是對(duì)材料表面進(jìn)行改性的主要方法之一，是利用高能密度的激光束 將具有不同成分和性能的合金在基材表面快速烙化，在基體表面形成與基體具有完全不同 成分和性能的合金層的快速凝固過(guò)程。
[0003] 銅合金激光烙覆技術(shù)具有W下難點(diǎn)：①銅合金的導(dǎo)熱性能良好、比熱容小、浸濕性 能差、表面有堅(jiān)硬的氧化膜，對(duì)光斑的反射率較大，運(yùn)就使得激光產(chǎn)生的熱量在其表面不易 停留，不易形成較高的功率密度，不能形成烙池；②銅合金基體與涂層的材料體系之間的性 能差別很大，烙覆過(guò)程中失效問(wèn)題較嚴(yán)重；③烙覆層內(nèi)初性不足，存在熱裂和應(yīng)力等缺陷。
[0004] 目前，已經(jīng)有學(xué)者利用二氧化碳激光或半導(dǎo)體激光進(jìn)行了銅質(zhì)基體的激光復(fù)合烙 覆；其中： 陽(yáng)0化]如圖1所示，二氧化碳激光烙覆技術(shù)得到的烙覆層與基體稀釋率較高，熱影響區(qū) 很大，造成烙覆層物理特性降低，基體受熱變形率很高，有微型砂眼及氣孔。
[0006] 如圖2所示，半導(dǎo)體激光烙覆技術(shù)得到的烙覆層與基體稀釋率雖然比二氧化碳激 光的烙覆層低，但熱影響區(qū)依然很大，造成基體的熱變形很大。
[0007] 總之，目前用于對(duì)銅質(zhì)基體表面進(jìn)行烙覆的技術(shù)還有很多的問(wèn)題，不能很好滿足 工業(yè)生產(chǎn)的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種烙覆工藝，該烙覆工藝采用特定的烙覆材料 和特定的激光參數(shù)，從而在銅質(zhì)基體表面形成的烙覆層組織致密，無(wú)裂紋、無(wú)氣孔，與銅質(zhì) 基體表面形成良好的冶金結(jié)合。
[0009] 本發(fā)明一種銅質(zhì)基體表面激光烙覆工藝，包括如下步驟：
[0010] E.拋光；使用拋光設(shè)備對(duì)銅質(zhì)基體表面進(jìn)行拋光處理，使得銅質(zhì)基體表面光滑有 見(jiàn)澤；
[0011] F.除污；使用除污劑對(duì)銅質(zhì)基體表面進(jìn)行清洗，去除銅質(zhì)基體表面的油潰和其它 污染物；
[0012] G.激光烙覆；使用激光同軸送粉器將耐磨耐高溫烙覆合金材料送入銅質(zhì)基體表 面，同時(shí)采用脈沖NchYAG激光器進(jìn)行逐層激光烙覆；其中，W質(zhì)量百分比計(jì)，所述耐磨耐高 溫合金材料成分為：Ni:20%~29%;Fe:18%~28%;C:6 ~10%;C〇 :10 ~23%;B:2. 5 ~ 4. 5 %;Si:3. 0~5. 0 %;所述脈沖Nd:YAG激光器工藝參數(shù)為：聚焦鏡焦距f= 200~250mm; 烙覆功率P= 800~1000 W;光斑直徑D= 2. 5~4.Omm;烙覆掃描速率V= 20~45mm/s; 搭接率50% ;
[0013] H.冷卻；待銅質(zhì)基體完全冷卻，獲得邊界平直的烙覆層；至此對(duì)銅質(zhì)基體表面進(jìn) 行的烙覆工藝完全結(jié)束。
[0014] 本發(fā)明一種銅質(zhì)基體表面激光烙覆工藝，其中所述拋光設(shè)備采用砂紙或者拋光 機(jī)。
[0015] 本發(fā)明一種銅質(zhì)基體表面激光烙覆工藝，其中所述除污劑采用丙酬。
[0016] 本發(fā)明一種銅質(zhì)基體表面激光烙覆工藝，其中所述耐磨耐高溫烙覆合金材料的粒 度為-150~300目。
[0017] 本發(fā)明一種銅質(zhì)基體表面激光烙覆工藝，其中在激光烙覆環(huán)節(jié)，在銅質(zhì)基體表面 形成的烙覆層厚度介于0. 1~2. 5mm之間。
[0018] 本發(fā)明一種銅質(zhì)基體表面激光烙覆工藝，其中在激光烙覆環(huán)節(jié)，所述脈沖NchYAG 激光器工藝參數(shù)為：聚焦鏡焦距f= 250mm;烙覆功率P= 870W;光斑直徑D= 3mm;烙覆掃 描速率V= 35mm/s;搭接率50 %。
[0019] 本發(fā)明一種銅質(zhì)基體表面激光烙覆工藝包括拋光、除污、激光烙覆、冷卻四個(gè)步 驟；其中拋光、除污環(huán)節(jié)對(duì)銅質(zhì)基體表面進(jìn)行初步處理，為激光烙覆環(huán)節(jié)提供了良好的烙覆 環(huán)境。在激光烙覆環(huán)節(jié)采用了特定激光烙覆材料和特定激光參數(shù)，其中：（一）特定激光烙 覆材料中的Ni能夠高度磨光和抗腐蝕，可W提高機(jī)械強(qiáng)度；C元素可W保證烙覆層具有足 夠的強(qiáng)度，同時(shí)使合金具有良好的初性和焊接性巧元素可W降低合金材料的烙點(diǎn)，增添合 金材料流動(dòng)性，同時(shí)B元素與氧的親和力比金屬成分與氧的親和力大，融化時(shí)與氧生成氧 化棚，融化后浮在烙覆層表面，冷卻后形成無(wú)孔的烙覆層，從而達(dá)到烙覆層組織致密，無(wú)裂 紋、無(wú)氣孔的效果；Si元素能增強(qiáng)烙覆層的抗張力、彈性、耐酸性和耐熱性、耐腐蝕性，可W 使烙覆層的電阻系數(shù)增大；化元素具備良好的耐磨性和耐蝕性，且其價(jià)格較低，有利于降 低烙覆成本?？偠灾?，使用耐磨耐高溫烙覆合金材料在銅質(zhì)基體表面形成的烙覆層組織 致密，無(wú)裂紋、氣孔，與銅質(zhì)基體表面形成良好的冶金結(jié)合，且形成的烙覆層硬度大、耐磨性 能較好，符合工業(yè)生產(chǎn)的需求。（二）特定參數(shù)下的脈沖NchYAG激光器進(jìn)行逐層激光烙覆， 該特定參數(shù)下的脈沖NchYAG激光器帶來(lái)了如下效果：①該特定參數(shù)下的脈沖式Y(jié)AG固體激 光器的所產(chǎn)生的脈沖功率高，不僅能瞬間形成烙池，而且只產(chǎn)生較小的熱影響區(qū)，從而使烙 覆基體只產(chǎn)生微小的變形；②該特定參數(shù)下的脈沖式Y(jié)AG固體激光器光斑功率密度高、烙 池形成時(shí)間短，烙覆層稀釋率極低，使得烙覆層能具有較好的表面改性性能；③該特定參數(shù) 下的脈沖式Y(jié)AG固體激光器烙池結(jié)晶快，烙覆層致密度極高，烙覆層耐磨度更高；④該特定 參數(shù)下的脈沖YAG固體激光器波長(zhǎng)僅為C02激光器輸出激光波長(zhǎng)的1/10,適用于對(duì)高反射 率的銅質(zhì)基體材料表面烙覆，烙覆效率高?？偠灾?，使用本發(fā)明一種銅質(zhì)基體表面激光烙 覆工藝對(duì)銅質(zhì)基體表面烙覆作業(yè)保證了銅質(zhì)基體不受損，提高了烙覆作業(yè)的效率。
[0020] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明銅質(zhì)基體表面激光烙覆工藝作進(jìn)一步說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1為現(xiàn)有二氧化碳激光復(fù)合烙覆晶相圖；
[0022] 圖2為現(xiàn)有半導(dǎo)體激光復(fù)合烙覆晶相圖；
[0023] 圖3為烙覆層的橫截面的金相圖；
[0024] 圖4為烙覆層的線掃描分析；
[00巧]圖5為烙覆層的顯微硬度曲線分布圖；
[00%] 圖6為烙覆層和銅質(zhì)基體的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線；
[0027] 圖7為銅質(zhì)基體的磨痕截面形貌；
[0028] 圖8為烙覆層的磨痕截面形貌； 陽(yáng)029] 圖9為烙覆層和銅質(zhì)基體的磨痕體積柱狀圖；
[0030] 圖10為烙覆層與銅質(zhì)基體為配副，隨溫度變化摩擦因數(shù)的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031](一）銅質(zhì)基體表面激光烙覆工藝
[0032] 本發(fā)明一種銅質(zhì)基體表面激光烙覆工藝，包括如下步驟：
[0033] A.拋光；使用砂紙或者拋光機(jī)等拋光設(shè)備對(duì)銅質(zhì)基體表面進(jìn)行拋光處理，使得銅 質(zhì)基體表面光滑有亮澤；
[0034] B.除污；使用除污劑丙酬對(duì)銅質(zhì)基體表面進(jìn)行清洗，去除銅質(zhì)基體表面的油潰和 其它污染物；
[0035]C.激光烙覆；使用激光同軸送粉器將粒度為-150~300目的烙覆合金材料送入 銅質(zhì)基體表面，同時(shí)采用脈沖NchYAG激光器進(jìn)行逐層激光烙覆，形成的烙覆層厚度介于 0. 1~2. 5mm之間；其中，W質(zhì)量百分比計(jì)，所述耐磨耐高溫合金材料成分為：Ni:20%~ 29%;Fe:18%~28%;C:6 ~10%;Co:10 ~23%;B:2. 5 ~4. 5%;Si:3. 0 ~5. 0%;所述 脈沖Nd:YAG激光器工藝參數(shù)為：聚焦鏡焦距f= 200~250mm;烙覆功率P= 800~1000 W; 光斑直徑D= 2. 5~4.Omm;烙覆掃描速率V= 20~45mm/s;搭接率50% ;
[0036]化冷卻；待銅質(zhì)基體完全冷卻，獲得邊界平直的烙覆層；至此對(duì)銅質(zhì)基體表面進(jìn) 行的烙覆工藝完全結(jié)束。
[0037] 本發(fā)明采用的耐磨耐高溫合金材料中各元素含量的確定基于如下原因：
[0038] Ni :儀是硬而有延展性并具有鐵磁性的金屬元素，它能夠高度磨光和抗腐蝕。在合 金中加入儀，可W提高機(jī)械強(qiáng)度。在合金中加入20%~29%的儀，抗拉強(qiáng)度增加了 4-6倍。
[0039]Fe:鐵存在很好的耐磨性和必定的耐蝕性，因其價(jià)廉而被廣泛使用，其硬度范疇由 含銘量與含碳量而定，含量確定為小于18%~28%。 W40]Co:烙點(diǎn)1493°C、比重8. 9,比較硬而脆，在硬度、抗拉強(qiáng)度、機(jī)械加工性能、熱力學(xué) 性質(zhì)、的電化學(xué)行為方面與鐵和儀相類似。合金中含有一定量鉆可W顯著地提高合金的耐 高溫、耐磨性和切削性能。
[0041] C :碳對(duì)合金組織及性能有重要影響，隨著碳含量增加，合金初烙溫度逐漸降低； 初生碳化物含量逐漸增加；經(jīng)大量試驗(yàn)，6~10%的碳含量使合金高周疲勞壽命減低，蠕變 壽命降低，對(duì)拉伸性有一定的影響。同時(shí)，碳是提高合金強(qiáng)度的主要元素，6~10%的碳含 量可W保證獲得足夠的強(qiáng)度，同時(shí)使合金具有良好的初性和焊接性。
[0042] B :在合金粉末中加入1. 5% W上的棚元素形成