CN116732512A - 一种降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的方法，属于激光熔覆技术领域。降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的方法包括：采用激光熔覆的方法，在铜材的表面形成第一熔覆层，然后在第一熔覆层的表面形成第二熔覆层。其中，形成第一熔覆层使用第一原料，第一原料包括铜粉和第一镍粉；第一原料中，第一镍粉的质量大于铜粉，且铜粉在第一原料中的质量占比为15‑20％；形成第二熔覆层使用第二原料，第二原料包括第二镍粉；激光熔覆使用的激光束为近红外光激光束和蓝光激光束的复合激光束。本申请提供的方法可有效降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷，也可使得镍基熔覆层与铜材间的结合强度较高。
Description
技术领域
本申请涉及激光熔覆技术领域，具体而言，涉及一种降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的方法。
背景技术
铜材(包括铜及其合金材料)由于具备优良的导热性、导电性、耐蚀性、加工性等特点，在航空航天、冶金、化工等领域有着广泛的应用。然而，铜材有时会应用到服役状态非常苛刻的条件，比如换热设备、燃烧室内壁、电磁轨道炮、火箭发动机内衬等工况，就需要对铜材的表面进行改性，以进一步提升其耐磨性能和耐高温性能等。
现有技术中，通常采用电镀、化学镀、热喷涂等方式在铜材的表面形成涂层，以实现对铜材的表面进行改性。但是，上述方式形成的涂层和铜材基体之间不是冶金结合，铜材基体与涂层间的结合强度不高，且涂层致密度不高，影响涂层的质量和服役寿命。
激光熔覆作为先进的表面处理技术之一，通过在基体表面添加熔覆材料，并利用高能量密度的激光束熔化熔覆材料，使得熔覆层和基体发生冶金结合。激光熔覆技术可以明显地改善材料的综合性能，提升构件的服役寿命。因此，激光熔覆技术是对铜材进行表面改性的重要手段。
镍及其合金具有优良的耐磨性能和耐高温性能，在铜材的表面形成镍基覆盖层可以提高铜材的耐磨性能和耐高温性能。然而，使用激光熔覆技术在铜材表面形成镍基熔覆层时，镍基熔覆层内部容易出现气孔缺陷，极大影响镍基熔覆层的致密度和性能。
发明内容
本申请的目的在于提供一种降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的方法，其旨在降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷。
本申请提供一种降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的方法，包括：采用激光熔覆的方法，在铜材的表面形成第一熔覆层，然后在第一熔覆层的表面形成第二熔覆层。其中，形成第一熔覆层使用第一原料，第一原料包括铜粉和第一镍粉；第一原料中，第一镍粉的质量大于铜粉的质量，且铜粉在第一原料中的质量占比为15-20％；形成第二熔覆层使用第二原料，第二原料包括第二镍粉；激光熔覆使用的激光束为近红外光激光束和蓝光激光束的复合激光束。
本申请形成第一熔覆层时，由于铜材对蓝光激光束的吸收率较高，蓝光激光束可以使得铜或/和铜合金熔化而产生熔池，熔化的铜或/和铜合金对近红外光激光束和蓝光激光束的吸收率均相对较大，近红外光激光束、蓝光激光束可以与产生的熔池继续作用以同时熔化第一原料，扩大熔池；由于铜粉在第一原料中的质量占比为15-20wt％，可提高第一熔覆层与铜材间的结合强度，也可降低第一原料的熔点，使得熔化后的第一原料可较长时间保持液态，可提高熔化后的第一原料的流动性，有利于避免由于铜材的导热快而导致的熔化后的第一原料迅速冷却凝固的现象，有助于熔化后的第一原料在铜材的表面铺展，进而降低第一熔覆层内的气孔缺陷。
本申请形成第二熔覆层时，蓝光激光束可以使得第一熔覆层的表面发生熔化而产生熔池，近红外光激光束能够弥补蓝光激光束的功率不足，近红外光激光束、蓝光激光束可以与产生的熔池继续作用以同时有效熔化第二原料；由于第一原料中以第一镍粉为主、铜粉为辅，可使得第一熔覆层的熔点较低，第一熔覆层的表面易发生熔化，这有助于熔化后的第二原料在第一熔覆层的表面铺展；第一原料中以第一镍粉为主、铜粉为辅，也可使得第一熔覆层的导热系数低于铜材，可使得熔化后的第二原料可较长时间保持液态，也有助于熔化后的第二原料在第一熔覆层的表面铺展，进而降低第二熔覆层内的气孔缺陷；此外，由于第一原料和第二原料中分别含有第一镍粉和第二镍粉，也可使得第一熔覆层和第二熔覆层间的结合强度较高。
因此，本申请提供的降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的方法，可有效降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷，也可使得镍基熔覆层与铜材间的结合强度较高。
在本申请可选的实施方式中，复合激光束中，近红外光激光束与蓝光激光束同轴设置。
上述技术方案，有利于进一步降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷。
在本申请可选的实施方式中，形成第一熔覆层的过程中，近红外光激光束的焦点和蓝光激光束的焦点重合，且均位于铜材的表面；或/和，形成第二熔覆层的过程中，近红外光激光束的焦点和蓝光激光束的焦点重合，且均位于第一熔覆层的表面。
上述技术方案，有利于进一步降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷。
可选地，焦点处，蓝光激光束的光斑落于近红外光激光束的光斑内。
可选地，焦点处，近红外光激光束的光斑和蓝光激光束的光斑均为圆形光斑，近红外光激光束的光斑直径为2-5mm，蓝光激光束的光斑直径为1-2mm。
在本申请可选的实施方式中，形成第一熔覆层的步骤包括依次进行开始阶段、进行阶段和结束阶段；或/和，形成第二熔覆层的步骤包括依次进行开始阶段、进行阶段和结束阶段；其中，开始阶段中，先打开蓝光激光束，再打开近红外光激光束；结束阶段中，先关闭近红外光激光束，再关闭蓝光激光束。
由于铜对近红外光激光束的反射较高，铜对蓝光激光束的吸收率较高；上述技术方案，开始阶段中，先打开蓝光激光束，可以使得铜或铜合金先发生熔化而产生熔池；熔化后的铜或铜合金对近红外光激光束和蓝光激光束的吸收率均相对较大，后打开近红外光激光束，可以使得近红外光激光束、蓝光激光束可以与产生的熔池继续作用以同时有效熔化第一原料或第二原料，并使得熔化后的第一原料或熔化后的第二原料可较长时间保持液态，有助于熔化后的第一原料在铜材表面铺展以及有助于熔化后的第二原料在第一熔覆层表面铺展，进而有助于进一步降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷。
结束阶段中，先关闭近红外光激光束，再关闭蓝光激光束，蓝光激光束有助于使得铜材或第一熔覆层的表面始终是一个熔池状态，使得近红外光激光束一旦与铜或铜合金发生作用时，就是近红外激光束与液态的熔池作用，有利于避免“由于固态的铜或铜合金对近红外光的反射率较高”而导致的“近红外光激光束重新反射回激光光路***”的现象，有利于避免造成设备的损伤。
可选地，开始阶段中，当蓝光激光束的打开时间为50-100ms时，打开近红外光激光束；结束阶段中，当近红外光激光束的关闭时间为50-100ms时，关闭蓝光激光束。
在本申请可选的实施方式中，近红外光激光束的激光功率为1000-5000W，蓝光激光束的激光功率为500-1000W。
上述技术方案，蓝光激光束可以使得铜或铜合金发生熔化而产生熔池，近红外光激光束能够弥补蓝光激光束的功率不足，继续作用于产生的熔池，扩大熔池，使得更多的第一原料或第二原料发生熔化，有助于熔化后的第一原料或熔化后的第二原料可较长时间保持液态，有助于熔化后的第一原料在铜材表面铺展以及有助于熔化后的第二原料在第一熔覆层表面铺展，进而有助于进一步降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷。
在本申请可选的实施方式中，形成第一熔覆层和形成第二熔覆层的过程中，复合激光束相对于铜材的扫描速率为1-10m/min；或/和，采用送粉器转移第一原料和第二原料，送粉器的送粉速率为5-15g/min。
上述技术方案，有利于进一步降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷。
在本申请可选的实施方式中，第一原料还包括硅粉，硅粉在第一原料中的质量占比为1.5-2％；或/和，第一原料还包括铬粉和硼粉，铬粉和硼粉在第一原料中的质量占比分别为1-2％以及0.5-1％。
在上述技术方案中，第一原料还包括1.5-2wt％的硅粉，有助于进一步提升熔化后的第一原料的流动性，有助于进一步使得熔化后的第一原料在铜材的表面铺展，进而有利于进一步降低第一熔覆层内的气孔缺陷；第一原料还包括1-2wt％的铬粉和0.5-1wt％的硼粉，有利于提高第一熔覆层的硬度，进而有利于提高铜材表面形成的镍基熔覆层的机械强度。
在本申请可选的实施方式中，第一原料包括15-20wt％的铜粉、1.5-2wt％的硅粉、1-2wt％的铬粉、0.5-1wt％的硼粉以及余量的第一镍粉。
上述技术方案，不仅可以使得第一熔覆层与铜材间的结合强度以及第一熔覆层与第二熔覆层间的结合强度均较高，还可以使得第一熔覆层和第二熔覆层内气孔缺陷有效降低，也可以使得铜材表面形成的镍基熔覆层的机械强度较高。
在本申请可选的实施方式中，第一原料在激光熔覆前通过以下方法处理：将铜粉、硅粉、铬粉、硼粉和第一镍粉混合，烘干。
可选地，烘干的方式选用真空加热烘干。
可选地，烘干的温度为90-150℃，烘干的时间为300-420min。
可选地，混合的方式选用球磨混合。
可选地，球磨混合过程中的球料比为(2-4):1。
可选地，球磨混合的转速为240-320r/min。
可选地，球磨混合的时间为300-420min。
可选地，球磨混合在惰性气体保护下进行。
在本申请可选的实施方式中，第二镍粉的材质包括镍单质、625镍合金、718镍合金以及GH4169镍合金中的至少一种。
上述技术方案，可使得铜材表面形成的镍基熔覆层的耐高温性能或耐磨性能更佳。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请提供的降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的工艺流程图。
图2为实施例1步骤(4)制得的样品的实物图。
图3为实施例1步骤(4)制得的样品的截面形貌图。
图4为实施例1步骤(7)制得的样品的实物图。
图5为实施例1步骤(7)制得的样品的截面形貌图。
图6为实施例2步骤(7)制得的样品的实物图。
图7为实施例2步骤(7)制得的样品的截面形貌图。
图8为实施例3步骤(7)制得的样品的实物图。
图9为实施例3步骤(7)制得的样品的截面形貌图。
图10为对比例1制得的样品的实物图。
图11为对比例1制得的样品的截面形貌图。
图12为对比例2制得的样品的实物图。
图13为对比例2制得的样品的截面形貌图。
具体实施方式
发明人发现，采用激光熔覆技术在铜材表面制备镍及其相应合金涂层时，由于铜对近红外激光的反射率高、铜的导热率较大、镍的粘度相对较大，这使得形成的镍基熔覆层内部容易出现气孔缺陷，极大影响涂层的致密度和性能。
为解决上述问题，本申请提供一种降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的方法，包括：采用激光熔覆的方法，在铜材的表面形成第一熔覆层，然后在第一熔覆层的表面形成第二熔覆层。其中，形成第一熔覆层使用第一原料，第一原料包括铜粉和第一镍粉；第一原料中，第一镍粉的质量大于铜粉的质量，且铜粉在第一原料中的质量占比为15-20％；形成第二熔覆层使用第二原料，第二原料包括第二镍粉；激光熔覆使用的激光束为近红外光激光束和蓝光激光束的复合激光束。
在本申请中，蓝光激光束是指：波长为400-800nm的激光束；近红外光激光束是指：波长为780-2526nm的激光束；铜材是指：以铜元素为主的材质，例如，纯铜材质以及铜合金材质等。
作为示例性地，铜粉在第一原料中的质量占比可以为15％、15.5％、16％、17％、18％、19％和20％中任意一点值或任意两者之间的范围值。
本申请形成第一熔覆层时，由于铜材对蓝光激光束的吸收率较高，蓝光激光束可以使得铜或/和铜合金熔化而产生熔池，熔化的铜或/和铜合金对近红外光激光束和蓝光激光束的吸收率均相对较大，近红外光激光束、蓝光激光束可以与产生的熔池继续作用以同时熔化第一原料，扩大熔池，有利于使得熔化后的第一原料可较长时间保持液态。
由于铜粉在第一原料中的质量占比为15-20wt％，与铜材的匹配性较高，可提高第一熔覆层与铜材间的结合强度，也可降低第一原料的熔点，使得熔化后的第一原料可较长时间保持液态，可提高熔化后的第一原料的流动性，有利于避免由于铜材的导热快而导致的熔化后的第一原料迅速冷却凝固的现象，有助于熔化后的第一原料在铜材的表面铺展，进而降低第一熔覆层内的气孔缺陷。
本申请形成第二熔覆层时，蓝光激光束可以使得第一熔覆层的表面发生熔化而产生熔池，近红外光激光束能够弥补蓝光激光束的功率不足，近红外光激光束、蓝光激光束可以与产生的熔池继续作用以同时有效熔化第二原料，有利于使得熔化后的第二原料可较长时间保持液态。
由于第一原料中以第一镍粉为主、铜粉为辅，可使得第一熔覆层的熔点较低，第一熔覆层的表面易发生熔化，这有助于熔化后的第二原料在第一熔覆层的表面铺展；第一原料中以第一镍粉为主、铜粉为辅，也可使得第一熔覆层的导热系数低于铜材，可使得熔化后的第二原料可较长时间保持液态，有利于避免熔化后的第二原料迅速冷却凝固，有助于熔化后的第二原料在第一熔覆层的表面铺展，进而降低第二熔覆层内的气孔缺陷；此外，由于第一原料和第二原料中分别含有第一镍粉和第二镍粉，也可使得第一熔覆层和第二熔覆层间的结合强度较高。
因此，本申请提供的降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的方法，可有效降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷，也可使得镍基熔覆层与铜材间的结合强度较高。
图1为本申请提供的降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的工艺流程图，请参阅图1，该制备方法包括如下步骤：
S10，准备第一原料和第二原料。
在本申请中，第一原料包括铜粉和第一镍粉；第一原料中，第一镍粉的质量大于铜粉的质量，且铜粉在第一原料中的质量占比为15-20％。
在本申请一些可选的实施方式中，第一原料还包括硅粉，硅粉在第一原料中的质量占比为1.5-2％。有助于进一步提升熔化后的第一原料的流动性，有助于进一步使得熔化后的第一原料在铜材的表面铺展，进而有利于进一步降低第一熔覆层内的气孔缺陷。
作为示例性地，硅粉在第一原料中的质量占比可以为1.5％、1.6％、1.7％、1.8％、1.9％和2％中任意一点值或任意两者之间的范围值。
在本申请一些可选的实施方式中，第一原料还包括铬粉和硼粉，铬粉和硼粉在第一原料中的质量占比分别为1-2％以及0.5-1％。有利于提高第一熔覆层的硬度，进而有利于提高铜材表面形成的镍基熔覆层的机械强度。
作为示例性地，铬粉在第一原料中的质量占比可以为1.5％、1.6％、1.7％、1.8％、1.9％和2％中任意一点值或任意两者之间的范围值；硼粉在第一原料中的质量占比可以为0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％和1％中任意一点值或任意两者之间的范围值。
进一步地，第一原料包括15-20wt％的铜粉、1.5-2wt％的硅粉、1-2wt％的铬粉、0.5-1wt％的硼粉以及余量的第一镍粉。不仅可以使得第一熔覆层与铜材间的结合强度以及第一熔覆层与第二熔覆层间的结合强度均较高，还可以使得第一熔覆层和第二熔覆层内气孔缺陷有效降低，也可以使得铜材表面形成的镍基熔覆层的机械强度较高。
在本申请一些可选的实施方式中，第一原料在激光熔覆前通过以下方法处理：将铜粉、硅粉、铬粉、硼粉和第一镍粉混合，烘干。
在本申请一些可选的实施方式中，第一原料的烘干方式选用真空加热烘干。
进一步地，第一原料的烘干温度为90-150℃，烘干时间为300-420min。作为示例性地，第一原料的烘干温度可以为90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃和150℃中任意一点值或任意两者之间的范围值；第一原料地烘干时间可以为300min、320min、340min、360min、380min、400min和420min中任意一点值或任意两者之间的范围值。
在本申请一些可选的实施方式中，将铜粉、硅粉、铬粉、硼粉和第一镍粉混合的方式选用球磨混合，可以使得第一原料中各物质混合均匀。
作为示例性地，球磨混合过程中的球料比为(2-4):1，例如，球磨混合过程中的球料比为2:1、2.5:1、3:1、3.5:1和4:1中任意一点值或任意两者之间的范围值。
作为示例性地，球磨混合的转速为240-320r/min，例如，球磨混合的转速可以为240r/min、260r/min、280r/min、300r/min和3200r/min中任意一点值或任意两者之间的范围值。
作为示例性地，球磨混合的时间为300-420min，例如，球磨混合的时间可以为300min、320min、340min、360min、380min、400min和420min中任意一点值或任意两者之间的范围值。
在本申请一些可选的实施方式中，球磨混合在惰性气体保护下进行。
作为示例性地，球磨时惰性气体为氩气，球磨后的第一原料为球形粉末，且球形粉末的粒径为40-105μm。
在本申请中，第二原料包括第二镍粉；在本申请一些可选的实施方式中，第二镍粉的材质包括镍单质、625镍合金、718镍合金以及GH4169镍合金中的至少一种。可使得铜材表面形成的镍基熔覆层的耐高温性能或耐磨性能更佳。
需要说明的是，在本申请其他可行的实施方式中，第二镍粉也可以选自其他镍基合金，本申请不做限定。
在本申请一些可选的实施方式中，第二原料在激光熔覆前通过以下方法处理：将第二镍粉烘干。
在本申请一些可选的实施方式中，第二原料的烘干方式选用真空加热烘干。
进一步地，第二原料的烘干温度为90-150℃，烘干时间为300-420min。作为示例性地，第二原料的烘干温度可以为90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃和150℃中任意一点值或任意两者之间的范围值；第二原料地烘干时间可以为300min、320min、340min、360min、380min、400min和420min中任意一点值或任意两者之间的范围值。
S20，准备铜材。
在本申请一些可选的实施方式中，在激光熔覆前，用酒精和丙酮清洗去除铜材表面的氧化膜和油污，然后吹干铜材。
作为示例性地，铜材可以选用紫铜板。
S30，采用激光熔覆的方法，在铜材的表面形成第一熔覆层。其中，形成第一熔覆层使用第一原料，第一原料包括铜粉和第一镍粉；第一原料中，第一镍粉的质量大于铜粉的质量，且铜粉在第一原料中的质量占比为15-20％；激光熔覆使用的激光束为近红外光激光束和蓝光激光束的复合激光束。
在本申请一些可选的实施方式中，形成第一熔覆层的过程中，复合激光束中的近红外光激光束与蓝光激光束同轴设置。有利于进一步降低铜材表面形成的第一熔覆层中的气孔缺陷。
进一步地，形成第一熔覆层的过程中，近红外光激光束的焦点和蓝光激光束的焦点重合，且均位于铜材的表面；有利于进一步降低铜材表面形成的第一熔覆层中的气孔缺陷。
再进一步地，形成第一熔覆层的过程中，焦点处(即近红外光激光束的焦点和蓝光激光束的焦点重合处)，蓝光激光束的光斑落于近红外光激光束的光斑内。上述方式，借助能量密度较为集中的蓝光激光束，更有助于熔化铜材的表面，以得到熔池；形成熔池后，有利于提升铜材对近红外光的吸收利用率，有利于避免“近红外光激光束重新反射回激光光路***”的现象，进而有利于避免造成设备的损伤。
在本申请的实施例中，形成第一熔覆层的过程中，焦点处，近红外光激光束的光斑和蓝光激光束的光斑均为圆形光斑，近红外光激光束的光斑直径为2-5mm，蓝光激光束的光斑直径为1-2mm。作为示例性地，近红外光激光束的光斑直径可以为2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm和5mm中任意一点值或任意两者之间的范围值；蓝光激光束的光斑直径可以为1mm、1.2mm、1.3mm、1.5mm、1.7mm、1.9mm和2mm中任意一点值或任意两者之间的范围值。
在本申请一些可选的实施方式中，形成第一熔覆层的过程中，蓝光激光束呈高斯热源分布，近红外光激光束为均匀热源分布。
蓝光激光束呈高斯热源分布，使得蓝光激光束的中心能量密度更加集中，更有助于熔化铜材表面以形成熔池；近红外光激光束为均匀热源分布，可使得第一原料能够更加充分的熔化。
在本申请一些可选的实施方式中，形成第一熔覆层的步骤包括依次进行开始阶段、进行阶段和结束阶段；其中，开始阶段中，先打开蓝光激光束，再打开近红外光激光束；结束阶段中，先关闭近红外光激光束，再关闭蓝光激光束。
由于铜对近红外光激光束的反射较高，铜对蓝光激光束的吸收率较高；开始阶段中，先打开蓝光激光束，可以使得铜或铜合金先发生熔化而产生熔池；熔化后的铜或铜合金对近红外光激光束和蓝光激光束的吸收率均相对较大，后打开近红外光激光束，可以使得近红外光激光束、蓝光激光束可以与产生的熔池继续作用以同时有效熔化第一原料，并使得熔化后的第一原料可较长时间保持液态，有助于熔化后的第一原料在铜材表面铺展，进而有助于进一步降低铜材表面形成的第一熔覆层中的气孔缺陷。
结束阶段中，先关闭近红外光激光束，再关闭蓝光激光束，蓝光激光束有助于使得铜材的表面始终是一个熔池状态，使得近红外光激光束一旦与铜或铜合金发生作用时，就是近红外激光束与液态的熔池作用，有利于避免“由于固态的铜或铜合金对近红外光的反射率较高”而导致的“近红外光激光束重新反射回激光光路***”的现象，有利于避免造成设备的损伤。
进一步地，在本申请的实施例中，形成第一熔覆层的过程中，开始阶段中，当蓝光激光束的打开时间为50-100ms时，打开近红外光激光束；结束阶段中，当近红外光激光束的关闭时间为50-100ms时，关闭蓝光激光束。
作为示例性地，形成第一熔覆层的过程中，蓝光激光束先于近红外光激光束打开的时间可以为50ms、60ms、65ms、70ms、75ms、80ms、85ms、90ms和100ms中任意一点值或任意两者之间的范围值；近红外光激光束先于蓝光激光束关闭的时间可以为50ms、60ms、65ms、70ms、75ms、80ms、85ms、90ms和100ms中任意一点值或任意两者之间的范围值。
需要说明的是，形成第一熔覆层的过程中，蓝光激光束先于近红外光激光束打开的时间以及近红外光激光束先于蓝光激光束关闭的时间也可以根据铜材的尺寸进行灵活调整，铜材的尺寸越大，蓝光激光束先于近红外光激光束打开的时间以及近红外光激光束先于蓝光激光束关闭的时间均越长。
在本申请一些可选的实施方式中，形成第一熔覆层的过程中，近红外光激光束的激光功率为1000-5000W，蓝光激光束的激光功率为500-1000W。近红外光激光束和蓝光激光束的激光功率分别在上述功率范围内，蓝光激光束可以使得铜或铜合金发生熔化而产生熔池，近红外光激光束能够弥补蓝光激光束的功率不足，继续作用于产生的熔池，扩大熔池，使得更多的第一原料发生熔化，有助于熔化后的第一原料可较长时间保持液态，有助于熔化后的第一原料在铜材表面铺展，进而有助于进一步降低铜材表面形成的第一熔覆层中的气孔缺陷。
作为示例性地，形成第一熔覆层的过程中，近红外光激光束的激光功率可以为1000W、1500W、2000W、2500W、3000W、3500W、4000W、4500W和5000W中任意一点值或任意两者之间的范围值，蓝光激光束的激光功率可以为500W、600W、650W、700W、750W、800W、850W、900W、950W和1000W中任意一点值或任意两者之间的范围值。
在本申请一些可选的实施方式中，形成第一熔覆层的过程中，复合激光束相对于铜材的扫描速率为1-10m/min。有利于进一步降低铜材表面形成的第一熔覆层中的气孔缺陷。
作为示例性地，形成第一熔覆层的过程中，复合激光束相对于铜材的扫描速率可以为1m/min、2m/min、4m/min、5m/min、7m/min、9m/min和10m/min中任意一点值或任意两者之间的范围值。
在本申请一些可选的实施方式中，采用送粉器转移第一原料，送粉器的送粉速率为5-15g/min。有利于进一步降低铜材表面形成的第一熔覆层中的气孔缺陷。
作为示例性地，采用送粉器转移第一原料，送粉器的送粉速率可以为5g/min、6g/min、7.5g/min、8g/min、10g/min、12g/min和15g/min中任意一点值或任意两者之间的范围值；送粉气体为惰性气体，例如氩气。
在本申请一些可选的实施方式中，形成第一熔覆层的过程在保护气下进行。作为示例性地，保护气可以为氩气，保护气流量为20-25L/min，搭接率为40-60％。
S40，采用激光熔覆的方法，在第一熔覆层的表面形成第二熔覆层；其中，形成第二熔覆层使用第二原料，第二原料包括第二镍粉；激光熔覆使用的激光束为近红外光激光束和蓝光激光束的复合激光束。
在本申请一些可选的实施方式中，形成第二熔覆层的过程中，复合激光束中的近红外光激光束与蓝光激光束同轴设置。有利于进一步降低第一熔覆层表面形成的第二熔覆层中的气孔缺陷。
进一步地，形成第二熔覆层的过程中，近红外光激光束的焦点和蓝光激光束的焦点重合，且均位于第一熔覆层的表面。有利于进一步降低第一熔覆层表面形成的第二熔覆层中的气孔缺陷。
再进一步地，形成第二熔覆层的过程中，焦点处(即近红外光激光束的焦点和蓝光激光束的焦点重合处)，蓝光激光束的光斑落于近红外光激光束的光斑内。上述方式，借助能量密度较为集中的蓝光激光束，更有助于熔化第一熔覆层的表面，以得到熔池；形成熔池后，有利于提升第一熔覆层对近红外光的吸收利用率，有利于避免“近红外光激光束重新反射回激光光路***”的现象，进而有利于避免造成设备的损伤。
在本申请的实施例中，形成第二熔覆层的过程中，焦点处，近红外光激光束的光斑和蓝光激光束的光斑均为圆形光斑，近红外光激光束的光斑直径为2-5mm，蓝光激光束的光斑直径为1-2mm。作为示例性地，近红外光激光束的光斑直径可以为2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm和5mm中任意一点值或任意两者之间的范围值；蓝光激光束的光斑直径可以为1mm、1.2mm、1.3mm、1.5mm、1.7mm、1.9mm和2mm中任意一点值或任意两者之间的范围值。
在本申请一些可选的实施方式中，形成第二熔覆层的过程中，蓝光激光束呈高斯热源分布，近红外光激光束为均匀热源分布。
蓝光激光束呈高斯热源分布，使得蓝光激光束的中心能量密度更加集中，更有助于熔化第一熔覆层的表面以形成熔池；近红外光激光束为均匀热源分布，可使得第二原料能够更加充分的熔化。
在本申请一些可选的实施方式中，形成第二熔覆层的步骤包括依次进行开始阶段、进行阶段和结束阶段；其中，开始阶段中，先打开蓝光激光束，再打开近红外光激光束；结束阶段中，先关闭近红外光激光束，再关闭蓝光激光束。
由于铜对近红外光激光束的反射较高，铜对蓝光激光束的吸收率较高；开始阶段中，先打开蓝光激光束，可以使得铜或铜合金先发生熔化而产生熔池；熔化后的铜或铜合金对近红外光激光束和蓝光激光束的吸收率均相对较大，后打开近红外光激光束，可以使得近红外光激光束、蓝光激光束可以与产生的熔池继续作用以同时有效熔化第二原料，并使得熔化后的第二原料可较长时间保持液态，有助于熔化后的第二原料在第一熔覆层表面铺展，进而有助于进一步降低第一熔覆层表面形成的第二熔覆层中的气孔缺陷。
结束阶段中，先关闭近红外光激光束，再关闭蓝光激光束，蓝光激光束有助于使得第一熔覆层的表面始终是一个熔池状态，使得近红外光激光束一旦与铜或铜合金发生作用时，就是近红外激光束与液态的熔池作用，有利于避免“由于固态的铜或铜合金对近红外光的反射率较高”而导致的“近红外光激光束重新反射回激光光路***”的现象，有利于避免造成设备的损伤。
进一步地，在本申请的实施例中，形成第二熔覆层的过程中，开始阶段中，当蓝光激光束的打开时间为50-100ms时，打开近红外光激光束；结束阶段中，当近红外光激光束的关闭时间为50-100ms时，关闭蓝光激光束。
作为示例性地，形成第二熔覆层的过程中，蓝光激光束先于近红外光激光束打开的时间可以为50ms、60ms、65ms、70ms、75ms、80ms、85ms、90ms和100ms中任意一点值或任意两者之间的范围值；近红外光激光束先于蓝光激光束关闭的时间可以为50ms、60ms、65ms、70ms、75ms、80ms、85ms、90ms和100ms中任意一点值或任意两者之间的范围值。
需要说明的是，形成第二熔覆层的过程中，蓝光激光束先于近红外光激光束打开的时间以及近红外光激光束先于蓝光激光束关闭的时间也可以根据铜材的尺寸进行灵活调整，铜材的尺寸越大，蓝光激光束先于近红外光激光束打开的时间以及近红外光激光束先于蓝光激光束关闭的时间均越长。
在本申请一些可选的实施方式中，形成第二熔覆层的过程中，近红外光激光束的激光功率为1000-5000W，蓝光激光束的激光功率为500-1000W。近红外光激光束和蓝光激光束的激光功率分别在上述功率范围内，蓝光激光束可以使得铜或铜合金发生熔化而产生熔池，近红外光激光束能够弥补蓝光激光束的功率不足，继续作用于产生的熔池，扩大熔池，使得更多的第二原料发生熔化，有助于熔化后的第二原料可较长时间保持液态，有助于熔化后的第二原料在第一熔覆层表面铺展，进而有助于进一步降低第一熔覆层表面形成的第二熔覆层中的气孔缺陷。
作为示例性地，形成第二熔覆层的过程中，近红外光激光束的激光功率可以为1000W、1500W、2000W、2500W、3000W、3500W、4000W、4500W和5000W中任意一点值或任意两者之间的范围值，蓝光激光束的激光功率可以为500W、600W、650W、700W、750W、800W、850W、900W、950W和1000W中任意一点值或任意两者之间的范围值。
在本申请一些可选的实施方式中，形成第二熔覆层的过程中，复合激光束相对于铜材的扫描速率为1-10m/min。有利于进一步降低第一熔覆层表面形成的第二熔覆层中的气孔缺陷。
作为示例性地，形成第二熔覆层的过程中，复合激光束相对于铜材的扫描速率可以为1m/min、2m/min、4m/min、5m/min、7m/min、9m/min和10m/min中任意一点值或任意两者之间的范围值。
在本申请一些可选的实施方式中，采用送粉器转移第二原料，送粉器的送粉速率为5-15g/min。有利于进一步降低第一熔覆层表面形成的第二熔覆层中的气孔缺陷。
作为示例性地，采用送粉器转移第二原料，送粉器的送粉速率可以为5g/min、6g/min、7.5g/min、8g/min、10g/min、12g/min和15g/min中任意一点值或任意两者之间的范围值；送粉气体为惰性气体，例如氩气。
在本申请一些可选的实施方式中，形成第二熔覆层的过程在保护气下进行。作为示例性地，保护气可以为氩气，保护气流量为20-25L/min，搭接率为40-60％。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例提供一种在铜材表面形成镍基熔覆层的方法，包括如下步骤：
(1)于氩气氛围下，将18wt％的铜粉、1.6wt％的硅粉、1.5wt％的铬粉、0.6wt％的硼粉以及余量的镍粉球磨混合；然后使用真空加热烘干炉对球磨后的混合粉末进行烘干，得到备用的第一原料。
其中，球磨混合过程中的球料比为3:1，球磨混合的转速为280r/min，球磨混合的时间为360min，球磨后形成球形混合粉末，混合粉末的直径为40-105μm；烘干温度为100℃，烘干时间为360min。
(2)使用酒精和丙酮对尺寸为5mm×100mm×100mm的紫铜板材的表面进行清洗，去除紫铜板表面的氧化膜和油污，将紫铜板的表面吹干后固定于工位处。
(3)调整蓝光激光束和近红外光激光束所组成的复合激光束，使得两束光的形成的圆形光斑的中心位置重合，且两束光的焦点位置处于同一水平面上。其中，近红外光激光束的光斑直径为2.0mm，蓝光激光束的光斑直径为1mm，并调整同轴送粉的粉末焦点和复合激光束的光斑在同一位置。
设置蓝光激光束的激光功率为800W，近红外光激光束的激光功率为2800W，复合激光束的扫描速度为1.5m/min，送粉速率为5g/min，吹粉气体和保护气体均为氩气，保护气流量为20L/min、搭接率为50％。
设置激光熔覆开始时，蓝色激光激光束比近红外光激光束提前作用时间为60ms；熔覆结束时，蓝色激光激光束比近红外光激光束迟滞作用时间为60ms。
(4)将第一原料加入送粉器内，调整复合激光束的光斑至紫铜板表面的起始位置，打开氩气保护气，运行程序，完成第一熔覆层的激光熔覆过程。
(5)使用真空加热烘干炉对镍粉进行烘干，得到第二原料；其中，烘干温度为100℃，烘干时间为360min。
(6)调整蓝光激光束和近红外光激光束所组成的复合激光束，使得两束光的形成的圆形光斑的中心位置重合，且两束光的焦点位置处于同一水平面上。其中，近红外光激光束的光斑直径为2.0mm，蓝光激光束的光斑直径为1mm，并调整同轴送粉的粉末焦点和复合激光束的光斑在同一位置。
设置蓝光激光束的激光功率为800W，近红外光激光束的激光功率为1500W，复合激光束的扫描速度为3m/min，送粉速率为10g/min，吹粉气体和保护气体均为氩气，保护气流量为20L/min、搭接率为50％。
设置激光熔覆开始时，蓝色激光激光束比近红外光激光束提前作用时间为60ms；熔覆结束时，蓝色激光激光束比近红外光激光束迟滞作用时间为60ms。
(7)将第二原料加入送粉器内，调整复合激光束的光斑至紫铜板上第一熔覆层的表面的起始位置，打开氩气保护气，运行程序，完成第二熔覆层的激光熔覆过程。
实施例2
本实施例提供一种在铜材表面形成镍基熔覆层的方法，本实施例与实施例1的不同之处在于：将步骤(5)中的镍粉替换为625镍基合金粉末。
实施例3
本实施例提供一种在铜材表面形成镍基熔覆层的方法，本实施例与实施例1的不同之处在于：将步骤(5)中的镍粉替换为GH4169镍基合金粉末。
对比例1
本对比例提供一种在铜材表面形成镍基熔覆层的方法，包括如下步骤：
(1)使用酒精和丙酮对尺寸为5mm×100mm×100mm的紫铜板材的表面进行清洗，去除紫铜板表面的氧化膜和油污，将紫铜板的表面吹干后固定于工位处。
(2)使用真空加热烘干炉对镍粉进行烘干，得到第二原料；其中，烘干温度为100℃，烘干时间为360min。
(3)设置近红外光激光束的激光功率为3600W，近红外光激光束的扫描速度为1.5m/min，送粉速率为5g/min，吹粉气体和保护气体均为氩气，保护气流量为20L/min、搭接率为50％。
(4)将第二原料加入送粉器内，调整近红外光激光束的光斑至紫铜板表面的起始位置，打开氩气保护气，运行程序，完成镍基熔覆层的激光熔覆过程。
对比例2
本对比例提供一种在铜材表面形成镍基熔覆层的方法，本对比例与对比例1的不同之处在于：将步骤(2)中的镍粉替换为GH4169镍基合金粉末。
实验例
采集实施例1步骤(4)制得的样品(紫铜板上形成第一熔覆层)的照片，如图2所示；并对实施例1步骤(4)制得的样品的截面进行光镜表征，表明结果如图3所示，图3中的标尺为1000μm，图3中的A部分是指：紫铜板，图3中的B部分是指：第一熔覆层。
从图2和图3可以看出，第一熔覆层在紫铜板的表面上形成了光滑连续的成形，第一熔覆层在紫铜板上铺展较好，第一熔覆层和紫铜板的表面结合较好，且第一熔覆层没有气孔等缺陷产生。
采集实施例1步骤(7)制得的样品(紫铜板上依次形成第一熔覆层和第二熔覆层)的照片，如图4所示；并对实施例1步骤(7)制得的样品的截面进行光镜表征，表明结果如图5所示，图5中的标尺为1000μm，图5中的A部分是指：紫铜板，图5中的B部分是指：第一熔覆层，图5中的C部分是指：第二熔覆层。
从图4和图5可以看出，第二熔覆层的成形较好，第二熔覆层与第一熔覆层间结合较好，且第二熔覆层没有气孔等缺陷产生。
采集实施例2步骤(7)制得的样品(紫铜板上依次形成第一熔覆层和第二熔覆层)的照片，如图6所示；并对实施例2步骤(7)制得的样品的截面进行光镜表征，表明结果如图7所示，图7中的标尺为1000μm，图7中的A部分是指：紫铜板，图7中的B部分是指：第一熔覆层，图7中的C部分是指：第二熔覆层。采集实施例3步骤(7)制得的样品(紫铜板上依次形成第一熔覆层和第二熔覆层)的照片，如图8所示；并对实施例3步骤(7)制得的样品的截面进行光镜表征，表明结果如图9所示，图9中的标尺为1000μm，图9中的A部分是指：紫铜板，图9中的B部分是指：第一熔覆层，图9中的C部分是指：第二熔覆层。
从图6至图9可以看出，实施例2和实施例3制得的样品中，第一熔覆层在紫铜板的表面上形成了光滑连续的成形，第一熔覆层在紫铜板上铺展较好，第一熔覆层和紫铜板的表面结合较好，且第一熔覆层没有气孔等缺陷产生；第二熔覆层的成形较好，第二熔覆层与第一熔覆层间结合较好，且第二熔覆层没有气孔等缺陷产生。
采集对比例1制得的样品的照片，如图10所示；并对对比例1制得的样品的截面进行光镜表征，表明结果如图11所示，图11中的标尺为1000μm，图11中的A部分是指：紫铜板，图11中的B部分是指：镍基熔覆层。采集对比例2制得的样品的照片，如图12所示；并对对比例2制得的样品的截面进行光镜表征，表明结果如图13所示，图13中的标尺为1000μm，图13中的A部分是指：紫铜板，图13中的B部分是指：镍基熔覆层。
从图10至图13可以看出，对比例1和对比例2制得的样品中，镍基熔覆层在紫铜板的表面成形不好，比较粗糙，且镍基熔覆层内部有较多的气孔形成。
综上，本申请提供的方法可有效降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷，也可使得镍基熔覆层与铜材间的结合强度较高。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
Claims (10)
1.一种降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的方法，其特征在于，包括：采用激光熔覆的方法，在所述铜材的表面形成第一熔覆层，然后在所述第一熔覆层的表面形成第二熔覆层；
其中，形成所述第一熔覆层使用第一原料，所述第一原料包括铜粉和第一镍粉；所述第一原料中，所述第一镍粉的质量大于所述铜粉的质量，且所述铜粉在所述第一原料中的质量占比为15-20％；
形成所述第二熔覆层使用第二原料，所述第二原料包括第二镍粉；
所述激光熔覆使用的激光束为近红外光激光束和蓝光激光束的复合激光束。
2.根据权利要求1所述的降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的方法，其特征在于，所述复合激光束中，所述近红外光激光束与所述蓝光激光束同轴设置。
3.根据权利要求2所述的降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的方法，其特征在于，形成所述第一熔覆层的过程中，所述近红外光激光束的焦点和所述蓝光激光束的焦点重合，且均位于所述铜材的表面；
或/和，形成所述第二熔覆层的过程中，所述近红外光激光束的焦点和所述蓝光激光束的焦点重合，且均位于所述第一熔覆层的表面；
可选地，所述焦点处，所述蓝光激光束的光斑落于所述近红外光激光束的光斑内；
可选地，所述焦点处，所述近红外光激光束的光斑和所述蓝光激光束的光斑均为圆形光斑，所述近红外光激光束的光斑直径为2-5mm，所述蓝光激光束的光斑直径为1-2mm。
4.根据权利要求1所述的降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的方法，其特征在于，形成所述第一熔覆层的步骤包括依次进行开始阶段、进行阶段和结束阶段；或/和，形成所述第二熔覆层的步骤包括依次进行开始阶段、进行阶段和结束阶段；
其中，所述开始阶段中，先打开所述蓝光激光束，再打开所述近红外光激光束；
所述结束阶段中，先关闭所述近红外光激光束，再关闭所述蓝光激光束；
可选地，所述开始阶段中，当所述蓝光激光束的打开时间为50-100ms时，打开所述近红外光激光束；所述结束阶段中，当所述近红外光激光束的关闭时间为50-100ms时，关闭所述蓝光激光束。
5.根据权利要求1所述的降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的方法，其特征在于，所述近红外光激光束的激光功率为1000-5000W，所述蓝光激光束的激光功率为500-1000W。
6.根据权利要求1所述的降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的方法，其特征在于，形成所述第一熔覆层和形成所述第二熔覆层的过程中，所述复合激光束相对于所述铜材的扫描速率为1-10m/min；
或/和，采用送粉器转移所述第一原料和所述第二原料，所述送粉器的送粉速率为5-15g/min。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的方法，其特征在于，所述第一原料还包括硅粉，所述硅粉在所述第一原料中的质量占比为1.5-2％；
或/和，所述第一原料还包括铬粉和硼粉，所述铬粉和所述硼粉在所述第一原料中的质量占比分别为1-2％以及0.5-1％。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的方法，其特征在于，所述第一原料包括15-20wt％的所述铜粉、1.5-2wt％的硅粉、1-2wt％的铬粉、0.5-1wt％的硼粉以及余量的所述第一镍粉。
9.根据权利要求8所述的降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的方法，其特征在于，所述第一原料在激光熔覆前通过以下方法处理：
将所述铜粉、所述硅粉、所述铬粉、所述硼粉和所述第一镍粉混合，烘干；
可选地，所述烘干的方式选用真空加热烘干；
可选地，所述烘干的温度为90-150℃，所述烘干的时间为300-420min；
可选地，所述混合的方式选用球磨混合；
可选地，所述球磨混合过程中的球料比为(2-4):1；
可选地，所述球磨混合的转速为240-320r/min；
可选地，所述球磨混合的时间为300-420min；
可选地，所述球磨混合在惰性气体保护下进行。
10.根据权利要求1-6中任一项所述的降低铜材表面形成的镍基熔覆层中的气孔缺陷的方法，其特征在于，所述第二镍粉的材质包括镍单质、625镍合金、718镍合金以及GH4169镍合金中的至少一种。
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