[发明专利]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

说明书

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。

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℃；