[发明专利]一种铜表面激光原位合成稀土氧化物陶瓷熔覆层的制备方法

说明书

本发明公开了一种铜表面激光原位合成稀土氧化物陶瓷熔覆层的制备方法，属于表面工程技术领域，其步骤如下：(1)原位自生陶瓷增强熔覆粉末的制备：根据6Al+6ZrO₂+2LaB₆＝6ZrB₂+La₂O₃+3Al₂O₃反应方程式，配置固定摩尔比的增强相粉末，即Al:ZrO₂:LaB₆＝3:3:1，配制增强相含量为4～12wt.％的熔覆粉，(2)纯铜基板的制备；(3)铜表面激光原位合成稀土氧化物陶瓷熔覆层的制备：利用旁轴送粉器送达熔覆基体表面，并在激光作用下发生高温自蔓延反应，生成陶瓷相和稀土氧化物。本发明的方法中的陶瓷相可以提升熔覆层的力学性能，稀土氧化物可以明显改善熔覆层的组织和性能，进而在纯铜表面获得性能优异的熔覆层。

技术领域

本发明涉及一种铜表面激光原位合成稀土氧化物陶瓷熔覆层的制备方法；属于表面工程技术领域。

背景技术

纯铜具有高的导热导电性能和优异的塑性与韧性，但其强度及耐磨性能较差，不适合在高负荷的条件下工作；陶瓷材料具有高的硬度、良好的耐磨性与高温稳定性；将两者结合，即制备铜基陶瓷复合材料，使其有良好的导热导电性并兼具高的耐磨性，提高了铜材料的使用寿命，扩大适用范围。

激光熔覆技术作为一种先进的表面增材制造技术，通过高能激光束使熔覆材料与基体同时熔融凝固，获得冶金结合的增强层。

激光熔覆技术相比其它表面改性技术有如下优点：(1)激光加热迅速，冷却速度快，冷却组织为典型快速凝固组织。(2)激光作用时间短，热畸变小，稀释低，且熔覆层与基体为冶金结合。(3)激光熔覆范围精确，操作灵活，原料使用少。(4)熔覆粉末选择范围广。(5)易于实现自动化控制。

因此，如何利用激光熔覆技术在铜表面制备具有良好综合性能的铜基陶瓷复合熔覆层面临一系列的技术障碍需要克服。铜具有较低的激光吸收率与高的导热性能，使得铜相较于铁、钛等金属在同等激光功率下只能吸收较低的能量，同时由于导热迅速，所能达到的最高温度也较低。铜对不同波长的激光吸收率不同，半导体光纤激光器所发射的激光波长为1.064μm，CO₂激光器所发射的激光波长为10.6μm，铜在相同条件下对前者的吸收率约为后者的7倍，因此使用半导体光纤激光器有利于铜表面的激光熔覆。

高温自蔓延反应是一种通过反应物大量放热来自我维持反应进行并合成陶瓷材料的原位合成反应。反应过程中会放出大量的热有利于激光熔覆过程，同时激光可以作为热源诱发高温自蔓延反应，在铜表面原位生成增强相。在高温自蔓延反应过程中，由于陶瓷相材料的熔点高，会在熔池中优先形核，在接下来的凝固过程中可以作为形核质点，提高形核率，并且如果在熔池中存在多种金属时，与陶瓷材料润湿好的金属材料会首先在陶瓷形核点周围结晶，形成一种包裹结构进一步改善陶瓷相与金属基体之间的结合性，由于金属基体导热迅速，熔池又以热辐射的形式向外部环境放出大量的热，熔池温度下降快，能够抑制晶粒的长大，继而获得晶粒细小的熔覆层。

稀土氧化物可作为改性材料应用在激光熔覆中，可以提高形核率，吸附于晶界阻止晶粒长大，细化枝晶组织，提高高温抗氧化性能和耐腐蚀性能。

原位合成陶瓷材料相较于直接加入陶瓷材料，原位合成陶瓷相与金属基体之间的结合更好。但目前关于铜表面合成稀土氧化物陶瓷复合材料在激光熔覆领域的研究处于空白状态。

因此，提供一种铜表面激光原位合成稀土氧化物陶瓷熔覆层的制备方法就成为该技术领域急需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铜表面激光原位表面合成稀土氧化物陶瓷复合熔覆层的制备方法，利用高功率激光器在纯铜表面原位反应生成ZrB₂-La₂O₃-Al₂O₃增强熔覆层的制备工艺。