CN113005446B - 一种振荡激光-感应复合熔覆耐磨抗烧蚀铜基涂层方法及装置 - Google Patents

一种振荡激光-感应复合熔覆耐磨抗烧蚀铜基涂层方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于表面强化技术领域，具体公开了一种振荡激光‑感应复合熔覆耐磨抗烧蚀铜基涂层方法及装置。高频振荡激光热源与高频感应加热源耦合形成复合熔覆热源；自动送粉器将铜基复合粉末同步送入复合熔覆热源在基材表面形成的熔池内；激光束在熔池内作有规则的高频扫描运动，形成强烈搅拌效应，控制熔池有序流动；复合熔覆之后，快速凝固形成高性能铜基复合材料。本发明通过调节激光振幅、频率和功率而实现熔池尺寸与搅拌强度的调控，通过规划扫描路径控制熔池有序流动的方向，具有消除气孔与裂纹、降低熔池温度梯度、细化晶粒与提高强韧性等优点，制备的铜基涂层具有高强高导、耐磨损与抗烧蚀等优异性能。

Description

一种振荡激光-感应复合熔覆耐磨抗烧蚀铜基涂层方法及 装置
技术领域
本发明涉及一种振荡激光-感应复合熔覆耐磨抗烧蚀铜基涂层方法及装置，属于表面强化技术领域。
背景技术
激光熔覆技术是采用高能密度激光束在基材表面熔化一层特殊性能的材料，以改善其表面性能的工艺，这种工艺可以用单独的轨迹相互交叠覆盖而实现大面积改性，具有熔覆层稀释率低、组织致密、冶金缺陷少、性能优异、尺寸大小与位置精确可控、绿色环保等优点。但是，激光熔覆效率低以及熔覆层易产生气孔与裂纹，极大地限制了激光熔覆技术在工业领域中的广泛应用。
激光-感应复合熔覆技术将高能密度激光束与高频感应加热源实现复合，大幅度提高基材对激光束能量的吸收率，极大地降低熔覆过程的温度梯度，可以在加工效率相对单独激光熔覆效率提高1～5倍的条件下，制备高性能无裂纹涂层，是近年来发展起来的一种新型表面强化技术。
铜及铜合金具有高导电率、高韧性等特点，在工业领域具有十分重要的应用。但是，强度低、耐磨性差以及抗烧蚀性弱等特点，极大地限制了铜及铜合金在冶金、国防等领域关键部件要求高强高导、高耐磨及抗烧蚀等领域的应用。相对于开发新型铜及铜合金体系而言，采用防护性涂层是提高铜及铜合金表面性能最有效的方法之一。例如，周圣丰等人采用激光-感应复合熔覆技术在铜合金表面制备了碳纳米管与富铁颗粒复合增强铜基涂层，该涂层具有优异的导热与耐磨性能(Scripta Materialia 76(2014)25-28)。尽管激光-感应复合熔覆效率与铜基涂层性能有了极大提高，但是激光-感应复合熔覆热源在基材表面形成的熔池内，存在无法调控的对流与湍流，导致铜基涂层内不可避免地存在气孔、组织不均匀性与性能各向异性。
激光振镜是当前最有效的振荡激光扫描技术，它通过镜组中光学镜片的偏转来实现激光束快速定位和位置切换，其中定位与切换时间几乎为零，高频振荡频率可达5kHz，而且振荡激光扫描速路径可通过计算机程序任意规划。目前，将高频振荡激光束引入到激光-感应复合熔覆工艺中，并在加工效率相对单独激光熔覆效率提高1～5倍的条件下，实现无裂纹、高耐磨、抗烧蚀铜基涂层的制备，还未见文献报道。
发明内容
本发明的目的在于：将高频振荡激光束代替常规非振荡激光束，并引入到激光-感应复合熔覆工艺中，通过激光束高频振荡产生的搅拌效应而增强熔池对流，实现熔池内搅拌强度与对流的有效调控，提高熔池内热量分布均匀性，达到细化晶粒、降低裂纹率与气孔率、改善强韧性以及消除组织不均匀性与性能各向异性之目的。
本发明提供的一种振荡激光-感应复合熔覆耐磨抗烧蚀铜基涂层方法，包括以下步骤：
(1)对基材表面进行除油、除锈或电镀处理；将铜基复合粉末放置于自动送粉器的装料斗内；其中，铜基复合粉末的化学成分为：Mo 10～30wt.％，CNTs1.0～3.0wt.％，CeO20.5～1.2wt.％，TiB2 3.2～8.5wt.％，Fe 5～20wt.％，余量为Cu；
(2)调节感应加热线圈与基材表面之间的距离，使基材能够被有效地实现表面趋肤效应而被加热；其中，加热线圈与基材表面间距调节范围为2～10mm，感应加热功率调节范围为30～100kW，基材被感应加热的温度为300～800℃；
(3)将激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合，利用粉末喷嘴将铜基复合粉末吹入复合热源形成的熔池内，开始实施高频振荡激光-感应复合熔覆，通过调节激光束功率、振荡频率与振幅来调控激光束在熔池内的搅拌强度，通过调节激光束扫描路径来调控熔池的流动方向；
(4)当复合热源移开后，熔融的铜基复合粉末快递凝固结晶形成单道高强高导、耐磨损、抗烧蚀铜基复合涂层，然后沿熔覆速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为单道涂层宽度的70～30％；
(5)当复合熔覆完一层之后，将激光头、感应加热线圈和粉末喷嘴返回到上一层加工时的起始位置，并沿Z轴上升到上一层的厚度距离；
(6)检测涂层的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤(2)～(5)，直到涂层达到所要求的厚度；否则，工作结束。
本发明在进行所述的步骤(1)时，基材为铁合金、铜合金或铝合金，铁合金表面需要电镀厚度为5～40μm的镍磷合金，提高铁合金与铜基复合材料之间的结合强度。
本发明在进行所述的步骤(3)时，激光功率为0.5～15kW，复合熔覆速度为0.6～10m/min，激光束振荡频率为20～5000Hz。
本发明在进行所述的步骤(3)时，以复合熔覆方向为X轴方向，位于基材表面铜基复合材料横向方向为Y轴，垂直于基材表面的方向为Z轴方向，激光束振幅为：X轴方向-3～3mm，Y轴方向-3～3mm，Z轴方向-6～6mm，激光束振荡扫描图形为圆形或螺旋形。
本发明所述的铜基复合涂层具有软-硬-软相结构特征，其中第一个软相为富铜基体，硬为富钼球状颗粒与富铁球状颗粒，第二个软相为均匀镶嵌于富钼球状颗粒与富铁球状颗粒内的富铜颗粒；富铜基体具有体积比为92～97％的大角度晶界特征，球状富钼颗粒尺寸为5～20μm，球状富铁颗粒尺寸为3～10μm，均匀镶嵌于富钼球状颗粒与富铁球状颗粒内的富铜颗粒具有纳米孪晶结构，尺寸为5～30nm，孪晶片层厚为10～20nm。
本发明所述的一种振荡激光-感应复合熔覆耐磨抗烧蚀铜基涂层装置，该装置包括激光器、感应加热器、自动送粉器、高频振镜控制器、数控装置、加工机床、复合熔覆加工头与惰性气体保护罩；
所述数控装置2分别与激光器4、感应加热器10、高频振镜控制器3、自动送粉器6、感应加热器10和机器人12连接，激光器通过传输光纤5与高频振镜聚焦装置8连接；所述加工机床1用于安装基材14，实现其运动；复合熔覆加工头7采用同轴结构，包括振镜聚焦装置8、同轴送粉喷嘴9、感应加热线圈11和调节装置13；调节装置13用于感应加热线圈11与基材14表面的距离；所述振镜聚焦装置8内安装有用于激光束聚焦和振荡扫描的振镜镜组16；所述振荡激光束17、感应加热线圈11、加工机床1、复合熔覆加工头7均位于惰性气体保护罩15内；所述惰性气体保护罩15内充有氩气；所述振荡激光束17可以作圆形18、直线形19与螺旋形20的方式扫描。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)可在加工效率相对于单独激光熔覆技术提高1～5倍的条件下，制备高耐磨、抗烧蚀铜基涂层；(2)激光束高频振荡产生的搅拌效应，可以增强熔池对流，实现熔池内搅拌强度与对流的有效调控，提高熔池内热量分布均匀性，消除组织不均匀性与性能各向异性；(3)铜基涂层具有软-硬-软相结构特征，实现了颗粒与孪晶的复合增强，铜基涂层晶粒细小、无气孔与无裂纹，具有优异的电学、力学等性能，在冶金结晶器、电磁炮导轨等要求高强高层、高耐磨与抗烧蚀等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为振荡激光-感应复合熔覆耐磨抗烧蚀铜基涂层装置示意图；
其中1为加工机床，2为数控装置，3为高频振镜控制器，4为激光器，5为传输光纤，6为自动送粉器，7为复合熔覆加工头，8为振镜聚焦装置，9为同轴送粉喷嘴，10为感应加热器，11为感应加热线圈，12为机器人，13为调节装置，14为基材，15为惰性气体保护罩。
图2为振镜聚焦装置内安装有激光束聚焦和振荡扫描的振镜镜组示意图；
其中，16为激光束聚焦和振荡扫描的振镜镜组。
图3为振镜激光束作圆形扫描示意图；
其中，17为振荡激光束，18为圆形扫描。
图4为振镜激光束作直线形扫描示意图；
其中19为直线形扫描。
图5为振镜激光束作螺旋形扫描示意图；
其中，20为螺旋形扫描。
具体实施方式
图1为振荡激光-感应复合熔覆耐磨抗烧蚀铜基涂层装置示意图。如图2与3所示，本发明所述一种振荡激光-感应复合熔覆耐磨抗烧蚀铜基涂层装置，该装置包括激光器、感应加热器、自动送粉器、高频振镜控制器、数控装置、加工机床、复合熔覆加工头与惰性气体保护罩；
所述数控装置分别与激光器、感应加热器、高频振镜控制器和运动机械电信号连接，激光器通过传输镜组或传输光纤与高频振镜聚焦装置连接；所述加工机床用于安装工件或复合熔覆加工头，实现其运动；复合熔覆加工头采用旁轴结构，包括振镜聚焦装置、送粉喷嘴、感应加热线圈和调节装置；调节装置用于调节激光束与粉末喷嘴的夹角，以及感应加热线圈与基材表面的距离；所述振镜聚焦装置内安装有用于激光束聚焦和振荡扫描的振镜镜组；所述激光器、感应加热器、自动送粉器、高频振镜控制器、数控装置、加工机床、复合熔覆加工头均位于惰性气体保护罩内；所述惰性气体保护罩内充有氩气。
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。本发明涉及的原料均可从市场上直接购买。对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
实施例1
当基材为45#钢时，采用振荡激光-感应复合熔覆方法制备耐磨抗烧蚀铜基涂层，具体实施步骤如下：
(1)对基材表面进行除油、除锈处理；将铜基复合粉末放置于自动送粉器的装料斗内；其中，铜基复合粉末的化学成分为：Mo 10wt.％，CNTs 1.0wt.％，CeO2 0.5wt.％，TiB23.2wt.％，Fe 20wt.％，余量为Cu；
(2)调节感应加热线圈与基材表面之间的距离，使基材能够被有效地实现表面趋肤效应而被加热；其中，加热线圈与基材表面间距调节范围为2mm，感应加热功率调节范围为80kW，基材被感应加热的温度为700℃；
(3)将激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合，利用粉末喷嘴将铜基复合粉末吹入复合热源形成的熔池内，开始实施高频振荡激光-感应复合熔覆，通过调节激光束功率、振荡频率与振幅来调控激光束在熔池内的搅拌强度，通过调节激光束扫描路径来调控熔池的流动方向；
其中，激光功率为12kW，复合熔覆速度为8m/min，激光束振荡频率为800Hz；以复合熔覆方向为X轴方向，位于基材表面铜基复合材料横向方向为Y轴，垂直于基材表面的方向为Z轴方向，激光束振幅为：X轴方向-3～3mm，Y轴方向-3～3mm，Z轴方向-6～6mm，激光束振荡扫描图形为圆形；
(4)当复合热源移开后，熔融的铜基复合粉末快递凝固结晶形成单道高强高导抗烧蚀铜基复合涂层，然后沿熔覆速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为单道涂层宽度的70％；
其中，铜基复合涂层具有软-硬-软相结构特征，其中第一个软相为富铜基体，硬为富钼球状颗粒与富铁球状颗粒，第二个软相为均匀镶嵌于富钼球状颗粒与富铁球状颗粒内的富铜颗粒；富铜基体具有体积比为97％的大角度晶界特征，球状富钼颗粒平均尺寸为5μm，球状富铁颗粒平均尺寸为25μm，均匀镶嵌于富钼球状颗粒与富铁颗粒内的富铜颗粒具有纳米孪晶结构，尺寸约为6nm，孪晶片层厚约为10nm；
(5)当复合熔覆完一层之后，将激光头、感应加热线圈和粉末喷嘴返回到上一层加工时的起始位置，并沿Z轴上升到上一层的厚度距离；
(6)检测涂层的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤(2)～(5)，直到涂层达到所要求的厚度；否则，工作结束。
采用上述工艺参数复合熔覆完成后，铜基涂层的抗拉强度达650MPa，延伸率达15％，载流耐磨性能相对于黄铜提高了5倍，抗烧蚀性能相对于黄铜提高了3倍，导电率为42％ICAS。
实施例2
当基材为Cu10Sn合金时，采用振荡激光-感应复合熔覆方法制备耐磨抗烧蚀铜基涂层，具体实施步骤如下：
(1)对基材表面进行除油、除锈与电镀处理，电镀厚度为15μm的镍磷合金，提高基材与铜基复合材料之间的结合强度；将铜基复合粉末放置于自动送粉器的装料斗内；其中，铜基复合粉末的化学成分为：Mo 20wt.％，CNTs 2.0wt.％，CeO2 0.8wt.％，TiB2 6.2wt.％，Fe 10wt.％，余量为Cu；
(2)调节感应加热线圈与基材表面之间的距离，使基材能够被有效地实现表面趋肤效应而被加热；其中，加热线圈与基材表面间距调节范围为5mm，感应加热功率调节范围为50kW，基材被感应加热的温度为650℃；
(3)将激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合，利用粉末喷嘴将铜基复合粉末吹入复合热源形成的熔池内，开始实施高频振荡激光-感应复合熔覆，通过调节激光束功率、振荡频率与振幅来调控激光束在熔池内的搅拌强度，通过调节激光束扫描路径来调控熔池的流动方向；
其中，激光功率为5kW，复合熔覆速度为4m/min，激光束振荡频率为500Hz；以复合熔覆方向为X轴方向，位于基材表面铜基复合材料横向方向为Y轴，垂直于基材表面的方向为Z轴方向，激光束振幅为：X轴方向-2～2mm，Y轴方向-2～2mm，Z轴方向-4～4mm，激光束振荡扫描图形为螺旋形；
(4)当复合热源移开后，熔融的铜基复合粉末快递凝固结晶形成单道高强高导抗烧蚀铜基复合涂层，然后沿熔覆速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为单道涂层宽度的50％；
铜基复合涂层具有软-硬-软相结构特征，其中第一个软相为富铜基体，硬为富钼球状颗粒，第二个软相为均匀镶嵌于富钼球状颗粒内的富铜颗粒；富铜基体具有体积比为95％的大角度晶界特征，球状富钼颗粒平均尺寸为10μm，球状富铁颗粒平均尺寸为15μm，均匀镶嵌于富钼球状颗粒与富铁颗粒内的富铜颗粒具有纳米孪晶结构，尺寸约为15nm，孪晶片层约厚为15nm。
(5)当复合熔覆完一层之后，将激光头、感应加热线圈和粉末喷嘴返回到上一层加工时的起始位置，并沿Z轴上升到上一层的厚度距离；
(6)检测涂层的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤(2)～(5)，直到涂层达到所要求的厚度；否则，工作结束。
采用上述工艺参数复合熔覆完成后，铜基涂层的抗拉强度达750MPa，延伸率达10％，载流耐磨性能相对于黄铜提高了12倍，抗烧蚀性能相对于黄铜提高了5倍，导电率为54％ICAS。
实施例3
当基材为AlSi10Mg合金时，采用振荡激光-感应复合熔覆方法制备耐磨抗烧蚀铜基涂层，具体实施步骤如下：
(1)对基材表面进行除油、除锈或电镀处理；将铜基复合粉末放置于自动送粉器的装料斗内；
其中，铜基复合粉末的化学成分为：Mo 30wt.％，CNTs 3.0wt.％，CeO2 1.2wt.％，TiB2 8.5wt.％，Fe 5wt.％，余量为Cu；
(2)调节感应加热线圈与基材表面之间的距离，使基材能够被有效地实现表面趋肤效应而被加热；其中，加热线圈与基材表面间距调节范围为8mm，感应加热功率调节范围为30kW，基材被感应加热的温度为350℃；
(3)将激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合，利用粉末喷嘴将铜基复合粉末吹入复合热源形成的熔池内，开始实施高频振荡激光-感应复合熔覆，通过调节激光束功率、振荡频率与振幅来调控激光束在熔池内的搅拌强度，通过调节激光束扫描路径来调控熔池的流动方向；
其中，激光功率为2kW，复合熔覆速度为2m/min，激光束振荡频率为200Hz；以复合熔覆方向为X轴方向，位于基材表面铜基复合材料横向方向为Y轴，垂直于基材表面的方向为Z轴方向，激光束振幅为：X轴方向-3～0mm，Y轴方向-3～0mm，Z轴方向-6～0mm，激光束振荡扫描图形为螺旋形。
(4)当复合热源移开后，熔融的铜基复合粉末快递凝固结晶形成单道高强高导抗烧蚀铜基复合涂层，然后沿熔覆速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为单道涂层宽度的30％；
铜基复合涂层具有软-硬-软相结构特征，其中第一个软相为富铜基体，硬为富钼球状颗粒，第二个软相为均匀镶嵌于富钼球状颗粒内的富铜颗粒；富铜基体具有体积比为92％的大角度晶界特征，球状富钼颗粒平均尺寸为20μm，球状富铁颗粒平均尺寸为8μm，均匀镶嵌于富钼球状颗粒与富铁颗粒内的富铜颗粒具有纳米孪晶结构，尺寸约为30nm，孪晶片层厚约为20nm。
(5)当复合熔覆完一层之后，将激光头、感应加热线圈和粉末喷嘴返回到上一层加工时的起始位置，并沿Z轴上升到上一层的厚度距离；
(6)检测涂层的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤(2)～(5)，直到涂层达到所要求的厚度；否则，工作结束。
采用上述工艺参数复合熔覆完成后，铜基涂层的抗拉强度达520MPa，延伸率达7.5％，载流耐磨性能相对于黄铜提高了8倍，抗烧蚀性能相对于黄铜提高了2倍，导电率约为68％ICAS。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种振荡激光-感应复合熔覆耐磨抗烧蚀铜基涂层方法，其特征在于步骤为：
（1）对基材表面进行除油、除锈或电镀处理；将铜基复合粉末放置于自动送粉器的装料斗内；
其中，铜基复合粉末的化学成分为：Mo 10~30 wt.%，CNTs 1.0~3.0 wt.%，CeO2 0.5~1.2wt.%，TiB2 3.2~8.5 wt.%，Fe 5~20 wt.%，余量为Cu；
（2）调节感应加热线圈与基材表面之间的距离，使基材能够被有效地实现表面趋肤效应而被加热；其中，加热线圈与基材表面间距调节范围为2~10mm，感应加热功率调节范围为30~100kW，基材被感应加热的温度为300~800℃；
（3）将激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合，利用粉末喷嘴将铜基复合粉末吹入复合热源形成的熔池内，开始实施高频振荡激光-感应复合熔覆，通过调节激光束功率、振荡频率与振幅来调控激光束在熔池内的搅拌强度，通过调节激光束扫描路径来调控熔池的流动方向；
激光功率为0.5~15 kW，复合熔覆速度为0.6~10 m/min，激光束振荡频率为20~5000Hz；以复合熔覆方向为X轴方向，位于基材表面铜基复合材料横向方向为Y轴，垂直于基材表面的方向为Z轴方向，激光束振幅为：X轴方向-3~3mm，Y轴方向-3~3mm，Z轴方向-6~6mm；
（4）当复合热源移开后，熔融的铜基复合粉末快速凝固结晶形成单道高强高导抗烧蚀铜基复合涂层，然后沿熔覆速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为单道涂层宽度的70~30%；其中，铜基复合涂层具有软-硬-软相结构特征：第一个软相为富铜基体，硬相为富钼球状颗粒与富铁球状颗粒，第二个软相为均匀镶嵌于富钼球状颗粒与富铁球状颗粒内的富铜颗粒；
（5）当复合熔覆完一层之后，将激光头、感应加热线圈和粉末喷嘴返回到上一层加工时的起始位置，并沿Z轴上升上一层的厚度距离；
（6）检测涂层的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤（2）~（5），直到涂层达到所要求的厚度；否则，工作结束。
2.根据权利要求1所述的一种振荡激光-感应复合熔覆耐磨抗烧蚀铜基涂层方法，其特征在于：进行步骤（1）时，基材为铁合金、铜合金或铝合金，铁合金表面需要电镀厚度为5~40μm的镍磷合金，提高铁合金与铜基复合材料之间的结合强度。
3.根据权利要求1或2所述的一种振荡激光-感应复合熔覆耐磨抗烧蚀铜基涂层方法，其特征在于：激光束振荡扫描图形为圆形或螺旋形。
4.根据权利要求1或2所述的一种振荡激光-感应复合熔覆耐磨抗烧蚀铜基涂层方法，其特征在于：富铜基体具有体积比为92~97%的大角度晶界特征，球状富钼颗粒尺寸为5~20μm，球状富铁颗粒尺寸为5~30μm，均匀镶嵌于富钼球状颗粒与富铁颗粒内的富铜颗粒具有纳米孪晶结构，尺寸为5~30nm，孪晶片层厚为10~20nm。
5.一种实现权利要求1~4任一项所述的一种振荡激光-感应复合熔覆耐磨抗烧蚀铜基涂层方法的装置，其特征在于：该装置包括激光器、感应加热器、自动送粉器、高频振镜控制器、数控装置、机器人、加工机床、复合熔覆加工头与惰性气体保护罩；
所述数控装置分别与激光器、感应加热器、高频振镜控制器和运动机械电信号连接，激光器通过传输光纤与高频振镜聚焦装置连接；所述加工机床用于安装工件或复合熔覆加工头，实现其运动；复合熔覆加工头采用旁轴结构，包括振镜聚焦装置、送粉喷嘴、感应加热线圈和调节装置；调节装置用于调节激光束与粉末喷嘴的夹角，以及感应加热线圈与基材表面的距离；所述振镜聚焦装置内安装有用于激光束聚焦和振荡扫描的振镜镜组；所述激光器、感应加热器、自动送粉器、高频振镜控制器、数控装置、加工机床、复合熔覆加工头均位于惰性气体保护罩内；所述惰性气体保护罩内充有氩气。
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