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工艺突破:铜和铜合金表面激光熔覆制备功能涂层

工艺突破:铜和铜合金表面激光熔覆制备功能涂层

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铜和铜合金由于具备良好的导电导热性能及机械加工性能,在机械制造、电器电子、冶金、海洋装备等众多领域得到广泛应用。随着工业的发展,传统的铜性能已无法满足使用条件,尤其是在一些特殊的领域,严苛的服役环境对铜件的性能提出了更高要求,例如要求高强高导电性的电磁炮导轨,要求高耐磨、高耐热性的连铸结晶器,铝板轧制生产线的铜轧辊等,在生产过程中,铜表面要不断地经受高温、高压或强磨损,工作环境极其恶劣。提高铜合金表面性能的方法有电镀、铸渗、热喷涂等,这些方法在一定程度上都存在一定缺陷,电镀对环境造成较严重污染、铸渗易产生气孔缺陷、热喷涂界面难以达到冶金结合,反复热冲击涂层易脱落。

 


 

激光熔覆作为表面改性的一种重要手段,具有灵活性高、对工件热影响小、涂层与基体结合强度高等优点,通过该技术可以得到组织细密、性能优良的涂层。但是,由于铜表面对激光束具有较高的反射率,所以在铜表面做激光熔覆较为困难。

 

本文为中科煜宸针对连铸结晶器、铜轧辊表面激光熔覆制备功能涂层所做的部分工作进行简单阐述。

 

 

利用体式显微镜、金相显微镜对激光熔覆层表面形貌特征、涂层截面显微组织特征和界面结合状态进行分析,利用能谱分析(EDSNano Xflash Detector 5010Bruker)对熔覆层化学成分进行研究,利用维氏显微硬度仪(SHIMAZDZU)对涂层显微硬度进行表征。

 

熔覆层显微组织及界面结合状态

 

采用金相显微镜对Cu基体及激光熔覆层显微组织进行观察,分析发现熔覆层组织细小致密,主要由枝晶及细小的等轴晶组成。熔覆层未见气孔、裂纹等缺陷产生,在界面位置熔覆层组织更加细小,且在熔覆层底部出现明显的驼峰现象。

 

利用能谱分析(EDS,Nano Xflash Detector 5010,Bruker)对熔覆层及Cu基体化学成分进行研究,分析发现Cu元素由基体越过界面向熔覆层表面逐步扩散,元素含量逐步降低;Ni元素由熔覆层越过界面向Cu基体扩散,此外,Cr元素由熔覆层也向Cu基体扩散。因此可见,熔覆层元素与Cu基体元素在界面位置发生元素的相互扩散,实现了界面区域良好的冶金结合。

 

 

熔覆层显微硬度

 

研究了不同激光功率P、不同扫描速度v、不同送粉量S及不同Ar气保护流量等参数对铜表面激光熔覆层性能的影响,图7(a)为不同激光功率P条件下的熔覆层显微硬度曲线图,图7(b)为不同粉体材料熔覆层显微硬度曲线图。

 

应用案例

 

中科煜宸采用自主研发的铜和铜合金专用激光熔覆装备,对铝板轧制铍青铜辊进行表面熔覆层制备。装备主要包括激光器、光纤、水冷机、KUKA机械手、送粉器、专用加工头、转台等。

   


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

该套装备相比传统激光熔覆装备具有以下特点:

       ◆自动化程度高

       ◆装备性能稳定

       ◆加工过程激光熔池稳定

       ◆单位面积热输入量低

       ◆涂层熔覆效率高

 

 

此外,在粉体材料选择方面,该装备可以对Fe基、Ni基、Co基及陶瓷材料进行熔覆,解决了铜和铜合金表面对激光束高反的难题,有效实现了铜表面激光熔覆制备异种金属材料。