[發明專利]銅及銅合金表面激光熔覆復合耐磨層及制備方法

有效

• 申請號: 200910273446.0
• 申請日: 2009-12-29
• 公開（公告）號: CN102041503A
• 公開（公告）日: 2011-05-04
• 發明（設計）人: 王愛華;閆華
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 黃行軍

技術領域

本發明屬于材料科學技術領域，特別涉及一種銅及銅合金表面激光熔覆復合耐磨層及制備方法。

背景技術

銅具有很好的傳導性以及較好的機械性能，因而銅合金是工業中不可缺少的金屬材料，在電力電器、機械制造、航空航天等行業得到了廣泛的應用。近幾年來，銅價的大幅度攀升進一步提高了銅合金零部件的成本，隨著科學技術日新月異的發展，迫切需要改進銅合金材料的性能，要求在保證高導熱性能或者高導電性的條件下，提高其硬度、耐磨性和抗電弧燒蝕性等。因此表面改性是延長銅合金零部件使用壽命、降低其使用成本的有效途徑。

銅合金具有許多優良的性能，廣泛采用于各領域中，隨著生產力的不斷發展，機械設備的效率、運轉速度、載荷等都在增加，這些都需要高性能零件來支撐。基于這些現狀，傳統的銅合金已不能滿足很多條件下的使用要求，且銅合金也存在著成本高、壽命短的缺點，尤其是作為一些耐磨零件時，因磨損失效帶來的經濟損失是相當嚴重。因此，如何提高銅合金的耐磨性，使其在冶金、電力、信息、交通、能源、輕工及航天航空等高科技領域中發揮更重要的作用是研究人員的目標之一。銅合金表面改性技術既可以保持銅基體本身保持良好的導熱、導電性，又可以通過表面改性的方法來增強其表面硬度、耐磨性、耐腐蝕性以及抗電弧燒蝕性。目前對銅合金表面改性的研究很多，概括起來主要有：電鍍、氣相沉積(PVD、CVD、PCVD等)、鑄滲、熱噴涂技術、表面高能束表面改性技術等。高能束表面改性是指采用粒子束、電子束、激光束這三類高能束流對材料表面進行改性處理的一種新技術。激光熔覆技術就是高能束表面改性的一種。激光熔覆就是以大功率密度激光束做熱源，將預制在金屬表面的粉末材料加熱，使之全部熔化，金屬表面同時也在微量熔融，當激光束離開后，表面迅速凝固，形成與基體金屬結合得很牢的涂覆層，基本原理與焊接相似，確保金屬間為冶金結合，結合的優劣主要取決于兩種金屬的物理性能，化學性能，化學成分。

目前，已有多種表面強化方法(電鍍、化學鍍、陶瓷強化、復合強化等)，但是其又存在著各自的優點、缺點，如：鍍層較厚、容易脫落、對環境有污染等，所以表面強化的技術需要進一步的改善和提高。激光表面技術為克服這些技術的難點提供了新的能量源和解決思路。

但是銅合金表面激光熔覆技術仍然存在著自身的問題：

1)銅合金的導熱性能良好、比熱容小、浸濕性能差、表面有堅硬的氧化膜，對光斑的反射率較大，這就使得激光產生的熱量在其表面不易停留，直接熔覆功能涂層難以實現；

2)銅合金基體與涂層的材料體系之間的性能差別很大，使用過程中的界面失效問題要得到一定的重視，在中間要有相應的過渡層連接；

3)涂層內韌性不足，熱裂和應力等缺陷存在于涂層內部。

銅基表面功能涂層的性能與制備工藝、涂層成分、組織形貌、界面結構等因素緊密相關，一方面要優化合金粉末的成分，提高粉末與銅基材的相容性，另一方面要優化工藝參數，降低殘余應力，避免熔覆過程的不利因素。目前已有銅合金表面超音速火焰噴涂的專利(專利公開號101302619)，但超音速噴涂存在涂層和基材不是完全冶金結合，涂層和基材結合強度低的缺點，再者，該專利中噴涂后仍需800～900℃融熔真空擴散熱處理，然后惰性氣體保護冷卻再進行1～3時效處理，能耗高，工藝復雜。沈陽大陸激光成套設備有限公司發明了一種專利(專利公開號1932982)，先進行等離子噴涂打底，再采用5kW?CO₂激光器進行重熔，然后進行激光熔覆。但是該工藝略顯復雜，且等離子噴涂和高功率CO₂激光器設備體積龐大，價格昂貴。另外，專利《連鑄結晶器銅金屬表面涂層的一種新方法》(專利公開號101294282)發明了一種在結晶器銅金屬表面涂層的方法，其采用薄片或細絲，利用高峰值脈沖激光束照射金屬表面，但金屬薄片和細絲難于加工且對于大面積熔覆存在操作困難的特點。

發明內容

本發明的目的是針對上述背景技術及存在問題，提出一種銅及銅合金表面激光熔覆復合耐磨層，使該復合耐磨層與銅及銅合金成冶金結合，能顯著提高銅及銅合金表面的耐磨、耐蝕、抗氧化特性。