[發明專利]一種銅表面激光原位合成稀土氧化物陶瓷熔覆層的制備方法

有效

• 申請號: 201710768199.6
• 申請日: 2017-08-31
• 公開（公告）號: CN107513711B
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 戰再吉;呂相哲;曹海要;王振春
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 耿小強

本發明公開了一種銅表面激光原位合成稀土氧化物陶瓷熔覆層的制備方法，屬于表面工程技術領域，其步驟如下：(1)原位自生陶瓷增強熔覆粉末的制備：根據6Al+6ZrO₂+2LaB₆＝6ZrB₂+La₂O₃+3Al₂O₃反應方程式，配置固定摩爾比的增強相粉末，即Al:ZrO₂:LaB₆＝3:3:1，配制增強相含量為4～12wt.％的熔覆粉，(2)純銅基板的制備；(3)銅表面激光原位合成稀土氧化物陶瓷熔覆層的制備：利用旁軸送粉器送達熔覆基體表面，并在激光作用下發生高溫自蔓延反應，生成陶瓷相和稀土氧化物。本發明的方法中的陶瓷相可以提升熔覆層的力學性能，稀土氧化物可以明顯改善熔覆層的組織和性能，進而在純銅表面獲得性能優異的熔覆層。

技術領域

本發明涉及一種銅表面激光原位合成稀土氧化物陶瓷熔覆層的制備方法；屬于表面工程技術領域。

背景技術

純銅具有高的導熱導電性能和優異的塑性與韌性，但其強度及耐磨性能較差，不適合在高負荷的條件下工作；陶瓷材料具有高的硬度、良好的耐磨性與高溫穩定性；將兩者結合，即制備銅基陶瓷復合材料，使其有良好的導熱導電性并兼具高的耐磨性，提高了銅材料的使用壽命，擴大適用范圍。

激光熔覆技術作為一種先進的表面增材制造技術，通過高能激光束使熔覆材料與基體同時熔融凝固，獲得冶金結合的增強層。

激光熔覆技術相比其它表面改性技術有如下優點：(1)激光加熱迅速，冷卻速度快，冷卻組織為典型快速凝固組織。(2)激光作用時間短，熱畸變小，稀釋低，且熔覆層與基體為冶金結合。(3)激光熔覆范圍精確，操作靈活，原料使用少。(4)熔覆粉末選擇范圍廣。(5)易于實現自動化控制。

因此，如何利用激光熔覆技術在銅表面制備具有良好綜合性能的銅基陶瓷復合熔覆層面臨一系列的技術障礙需要克服。銅具有較低的激光吸收率與高的導熱性能，使得銅相較于鐵、鈦等金屬在同等激光功率下只能吸收較低的能量，同時由于導熱迅速，所能達到的最高溫度也較低。銅對不同波長的激光吸收率不同，半導體光纖激光器所發射的激光波長為1.064μm，CO₂激光器所發射的激光波長為10.6μm，銅在相同條件下對前者的吸收率約為后者的7倍，因此使用半導體光纖激光器有利于銅表面的激光熔覆。

高溫自蔓延反應是一種通過反應物大量放熱來自我維持反應進行并合成陶瓷材料的原位合成反應。反應過程中會放出大量的熱有利于激光熔覆過程，同時激光可以作為熱源誘發高溫自蔓延反應，在銅表面原位生成增強相。在高溫自蔓延反應過程中，由于陶瓷相材料的熔點高，會在熔池中優先形核，在接下來的凝固過程中可以作為形核質點，提高形核率，并且如果在熔池中存在多種金屬時，與陶瓷材料潤濕好的金屬材料會首先在陶瓷形核點周圍結晶，形成一種包裹結構進一步改善陶瓷相與金屬基體之間的結合性，由于金屬基體導熱迅速，熔池又以熱輻射的形式向外部環境放出大量的熱，熔池溫度下降快，能夠抑制晶粒的長大，繼而獲得晶粒細小的熔覆層。

稀土氧化物可作為改性材料應用在激光熔覆中，可以提高形核率，吸附于晶界阻止晶粒長大，細化枝晶組織，提高高溫抗氧化性能和耐腐蝕性能。

原位合成陶瓷材料相較于直接加入陶瓷材料，原位合成陶瓷相與金屬基體之間的結合更好。但目前關于銅表面合成稀土氧化物陶瓷復合材料在激光熔覆領域的研究處于空白狀態。

因此，提供一種銅表面激光原位合成稀土氧化物陶瓷熔覆層的制備方法就成為該技術領域急需解決的技術難題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種銅表面激光原位表面合成稀土氧化物陶瓷復合熔覆層的制備方法，利用高功率激光器在純銅表面原位反應生成ZrB₂-La₂O₃-Al₂O₃增強熔覆層的制備工藝。