[发明专利]铜及铜合金表面激光熔覆复合耐磨层及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，特别涉及一种铜及铜合金表面激光熔覆复合耐磨层及制备方法。

背景技术

铜具有很好的传导性以及较好的机械性能，因而铜合金是工业中不可缺少的金属材料，在电力电器、机械制造、航空航天等行业得到了广泛的应用。近几年来，铜价的大幅度攀升进一步提高了铜合金零部件的成本，随着科学技术日新月异的发展，迫切需要改进铜合金材料的性能，要求在保证高导热性能或者高导电性的条件下，提高其硬度、耐磨性和抗电弧烧蚀性等。因此表面改性是延长铜合金零部件使用寿命、降低其使用成本的有效途径。

铜合金具有许多优良的性能，广泛采用于各领域中，随着生产力的不断发展，机械设备的效率、运转速度、载荷等都在增加，这些都需要高性能零件来支撑。基于这些现状，传统的铜合金已不能满足很多条件下的使用要求，且铜合金也存在着成本高、寿命短的缺点，尤其是作为一些耐磨零件时，因磨损失效带来的经济损失是相当严重。因此，如何提高铜合金的耐磨性，使其在冶金、电力、信息、交通、能源、轻工及航天航空等高科技领域中发挥更重要的作用是研究人员的目标之一。铜合金表面改性技术既可以保持铜基体本身保持良好的导热、导电性，又可以通过表面改性的方法来增强其表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及抗电弧烧蚀性。目前对铜合金表面改性的研究很多，概括起来主要有：电镀、气相沉积(PVD、CVD、PCVD等)、铸渗、热喷涂技术、表面高能束表面改性技术等。高能束表面改性是指采用粒子束、电子束、激光束这三类高能束流对材料表面进行改性处理的一种新技术。激光熔覆技术就是高能束表面改性的一种。激光熔覆就是以大功率密度激光束做热源，将预制在金属表面的粉末材料加热，使之全部熔化，金属表面同时也在微量熔融，当激光束离开后，表面迅速凝固，形成与基体金属结合得很牢的涂覆层，基本原理与焊接相似，确保金属间为冶金结合，结合的优劣主要取决于两种金属的物理性能，化学性能，化学成分。

目前，已有多种表面强化方法(电镀、化学镀、陶瓷强化、复合强化等)，但是其又存在着各自的优点、缺点，如：镀层较厚、容易脱落、对环境有污染等，所以表面强化的技术需要进一步的改善和提高。激光表面技术为克服这些技术的难点提供了新的能量源和解决思路。

但是铜合金表面激光熔覆技术仍然存在着自身的问题：

1)铜合金的导热性能良好、比热容小、浸湿性能差、表面有坚硬的氧化膜，对光斑的反射率较大，这就使得激光产生的热量在其表面不易停留，直接熔覆功能涂层难以实现；

2)铜合金基体与涂层的材料体系之间的性能差别很大，使用过程中的界面失效问题要得到一定的重视，在中间要有相应的过渡层连接；

3)涂层内韧性不足，热裂和应力等缺陷存在于涂层内部。

铜基表面功能涂层的性能与制备工艺、涂层成分、组织形貌、界面结构等因素紧密相关，一方面要优化合金粉末的成分，提高粉末与铜基材的相容性，另一方面要优化工艺参数，降低残余应力，避免熔覆过程的不利因素。目前已有铜合金表面超音速火焰喷涂的专利(专利公开号101302619)，但超音速喷涂存在涂层和基材不是完全冶金结合，涂层和基材结合强度低的缺点，再者，该专利中喷涂后仍需800～900℃融熔真空扩散热处理，然后惰性气体保护冷却再进行1～3时效处理，能耗高，工艺复杂。沈阳大陆激光成套设备有限公司发明了一种专利(专利公开号1932982)，先进行等离子喷涂打底，再采用5kW CO₂激光器进行重熔，然后进行激光熔覆。但是该工艺略显复杂，且等离子喷涂和高功率CO₂激光器设备体积庞大，价格昂贵。另外，专利《连铸结晶器铜金属表面涂层的一种新方法》(专利公开号101294282)发明了一种在结晶器铜金属表面涂层的方法，其采用薄片或细丝，利用高峰值脉冲激光束照射金属表面，但金属薄片和细丝难于加工且对于大面积熔覆存在操作困难的特点。

发明内容

本发明的目的是针对上述背景技术及存在问题，提出一种铜及铜合金表面激光熔覆复合耐磨层，使该复合耐磨层与铜及铜合金成冶金结合，能显著提高铜及铜合金表面的耐磨、耐蚀、抗氧化特性。