一种铜基激光熔覆材料、粉体、涂层和制备方法

技术领域

本发明属于铜合金基体表面激光熔覆技术技术领域，具体涉及一种铜基激光熔覆材料、粉体、涂层和制备方法。

背景技术

铜合金因具有良好的导电导热性能，被广泛应用于电子、电气、机械制造等工艺部门。但随着各行业的不断发展，传统铜合金的性能已经无法满足一些特殊工作环境下的使用需求，所以需要采用激光熔覆这种材料表面改性手段进一步提高铜合金的使用性能。同轴送粉激光熔覆是一种广泛应用于金属材料表面改性的技术手段，可以有效达到改善金属基体表面性能，使之适应特殊工作环境。

张维平,马海波.铜合金表面激光熔覆研究现状.机械工程材料, 2009(9):4.DOI:CNKI:SUN:GXGC.0.2009-09-003.公开了：鉴于铜合金自身的物理化学性质，目前用于铜合金表面激光熔覆材料主要有镍基合金、钴基合金、铁基合金和金属陶瓷。前三种为自溶性合金粉。这些材料中加入了具有强烈脱氧和自熔作用的硅、硼等元素，在激光熔爱过程中，硅和硼等元素具有造渣功能，它们优先与合金粉中的氧和工件表面氧化物一起熔融生成低熔点的硼硅酸盐等覆盖在熔池表面，防止液态金属过度氧化，从而改善熔体对基体金属的润湿能力，减少熔覆层中的夹杂物和氧含量，提高熔覆层的工艺成型性能。

镍基自熔性合金粉以其良好的润湿性、耐蚀性、高温自淮滑性能，主要适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗疲劳的零件；钴基自熔性合金粉具有良好的高温性能和耐蚀、耐磨性能；铁基合金粉适用于要求局部耐磨且容易变形的雾件；陶瓷粉在高温下能获得较高的强度，热稳定性好，化学稳定性高，适用于要求耐磨耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。

在以上几种材料体系中，镍基合金熔覆层应用最多，除了镍基合金本身较好的耐磨、耐蚀性且具有一定的韧性和良好的润湿润滑性能之外，还有铜和镍的原子半径、密度、此热都很接近，并且铜和镍均具有面心立方结构，在固态和液态都能形成无限或有限互溶，有利于在基体和熔覆层之间形成良好的冶金结合。Liu等采用先热喷涂再激光重熔的方法在镍基合金粉里加入铜粉制成的熔覆材料熔覆在纯铜表面，不但增加了熔覆层与基体的结合力，而且减少了裂纹、气孔等缺陷的产生。

CN113388832A公开了一种具有高硬导电表面的铜基复合材料及其激光增材制造方法，以铜为基体、在铜基体表面依次为Fe基覆层和Cr基覆层；克服了铜与铬巨大的物性差异，解决了铜工件表面制备高结合力的铬层难题，使铜工件表面具有高硬导电特性，在保持足够的电气特性下有效提高了铜工件的耐磨性能。相比于常见的304不锈钢，电导率提高5倍以上，最高可达16.8%IACS，显微维氏硬度达到420HV。

电接触材料，如电触头，需要具有高耐磨性及一定导电率。提升耐磨性需要对Cu基金属进行掺杂强化，会增强金属基体中的电子散射效果，影响电导率。一般覆层能保持25%IACS以上为佳，具备一定硬度200HV以上，耐磨性越高越好。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种铜基激光熔覆材料、粉体、涂层和制备方法，其能同时具有较好的硬度、耐磨性能和导电性。

本发明实施例提供一种铜基激光熔覆材料，由如下重量百分含量组分组成，Cu 48~67%，Cr 28~47%，TiO

优选的，铜基激光熔覆材料由如下重量百分含量组分组成，Cu 48~55%，Cr 40~47%，TiO

作为一个实施例，所述Cu、Cr、TiO

本发明提供一种铜基激光熔覆粉体，制备方法为，所述的铜基激光熔覆材料混合，加入分散剂和粘结剂，混合均匀，然后采用喷雾干燥方式进行造粒，造粒后的粉体在300~400℃下（加热速度为2℃/min）烧结（保温时间为4h），得到激光熔覆粉体，直径为50-70μm。

优选的，所述分散剂为水，所述粘结剂为聚乙烯醇。

铜基激光熔覆材料、分散剂和粘结剂的混合物中，优选粘结剂含量为0.6-0.8wt%，分散剂含量为49.2-49.4 wt%，固含量为50%。优选采用球磨使其混合均匀。

作为一个实施例，所述喷雾干燥方式中，进风口温度为280~320℃，出风口温度为70~90℃，雾化器转动频率为35Hz。

本发明提供一种铜基激光熔覆涂层的制备方法，将所述的铜基激光熔覆粉体喷射到铜合金基体表面（优选采用同轴送粉激光熔覆设备，氮气我载体），通过激光熔覆的方式将铜基激光熔覆粉体融化并覆着到铜合金基体表面，得到铜基激光熔覆涂层，涂层厚度为1.5~2.8mm。

作为一个实施例，所述铜合金基体的温度为300~400℃，可以采用加热激光源或乙炔焰对铜合金基体进行预热，使其达到上述温度。所述铜合金基体用砂纸进行打磨以清除油污氧化物。

作为一个实施例，所述激光熔覆的工作参数为：熔覆光斑直径5 mm，激光功率为4200 ~5200 W，送粉率8-28g/min，扫描速度25~45 mm/s，搭接率45-85%，熔覆次数2-4次。

本发明提供一种铜基激光熔覆涂层，采用所述的铜基激光熔覆涂层的制备方法得到。

本发明的有益效果是，本发明的覆层采用Cu粉、Cr粉、TiO

使用喷雾干燥技术进行激光熔覆粉体制备，能制备球形度高，流动性强的熔覆粉体，有效避免了输粉管堵塞，同时有助于粉体均匀融化，能形成均匀熔池，与基体形成冶金结合。

本发明采用Cu、Cr、TiO

本发明采用喷雾干燥结合激光熔覆技术，能有效提高粉体流动性，优化覆层融化效果，生产速度快，产品质量稳定性高，适用于大批量工业化制造。

附图说明

图1为喷雾干燥设备示意图。

图2为激光熔覆原理图。

图3为实施例1（左）、实施例2（中）和实施例3（右）的激光熔覆Cu-Cr-TiO

图4为实施例1的激光熔覆Cu-Cr-TiO

图5为实施例1的激光熔覆Cu-Cr-TiO

图6为实施例1的激光熔覆Cu-Cr-TiO

图7为实施例1、实施例2、实施例3和对比例1的激光熔覆Cu-Cr-TiO

图8为实施例1、实施例2、实施例3和对比例1的激光熔覆Cu-Cr-TiO

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，应当指出的是，具体实施方式只是对本发明的详细说明，不应视为对本发明的限定。

本发明在铜合金基体上采用同轴送粉激光熔覆制得Cu-Cr-TiO

（1）使用试验天平称取相应质量的Cu粉、Cr粉、TiO

（2）以去离子水作为分散剂，加入称量好的粉末，以聚乙烯醇（PVA）作为粘结剂制备Cu-Cr-TiO

（3）采用喷雾干燥方式制备适合激光熔覆的Cu-Cr-TiO

（4）用砂纸对铜合金基体表面进行打磨以清除油污氧化物，将激光熔覆粉体加入同轴送粉激光熔覆设备的料筒之中；

（5）用加热激光源或乙炔焰对铜合金基体进行预热，通过加热使基体温度达到300℃；使用同轴送粉激光熔覆设备将料筒中的粉体以氮气作为载气从喷嘴喷射于基体，熔覆激光将粉体融化并覆着到铜合金基体表面，参数为：熔覆光斑直径5 mm，激光功率为4200 W~5200 W，送粉率8-28g/min，扫描速度25 mm/s~45 mm/s的，搭接率45%-85%，熔覆次数2-4次，最终得到覆层厚度为1.5 mm~2.8 mm的耐磨Cu-Cr-TiO

实施例1

（1）使用试验天平称取相应质量的Cu粉、Cr粉、TiO

（2）以去离子水作为分散剂，加入称量好的粉末，以聚乙烯醇（PVA）作为粘结剂制备Cu-Cr-TiO

（3）采用喷雾干燥方式制备适合激光熔覆的Cu-Cr-TiO

（4）用砂纸对铜合金基体表面进行打磨以清除油污氧化物，将激光熔覆粉体加入同轴送粉激光熔覆设备的料筒之中；

（5）用加热激光源对铜合金基体进行预热，通过加热使基体温度达到300℃；使用同轴送粉激光熔覆设备将料筒中的粉体以氮气作为载气从喷嘴喷射于基体，熔覆激光将粉体融化并覆着到铜合金基体表面，参数为：熔覆光斑直径5 mm，激光功率为4200 W，送粉率12g/min，扫描速度25 mm/s，搭接率50%，熔覆次数2次，最终得到覆层厚度为1.7 mm的耐磨Cu-Cr-TiO

（6）对所得到的熔覆覆层进行性能测试，使用维氏硬度计测试得出其硬度为158.3HV，使用干滑动摩擦磨损试验设备（参照GB/T 12444-2006），在20N加载压力下，以面粗糙度为0.8、外径40mm的GCr15钢环作为摩擦配副，测得摩擦系数为0.38，质量磨损率为18mg/km，电导率为28.2 IACS。

实施例2

（1）使用试验天平称取相应质量的Cu粉、Cr粉，TiO

（2）以去离子水作为分散剂，加入称量好的粉末，以聚乙烯醇（PVA）作为粘结剂制备Cu-Cr-TiO

（3）采用喷雾干燥方式制备适合激光熔覆的Cu-Cr-TiO

（4）用砂纸对铜合金基体表面进行打磨以清除油污氧化物，将激光熔覆粉体加入同轴送粉激光熔覆设备的料筒之中；

（5）用加热激光源对铜合金基体进行预热，通过加热使基体温度达到350℃；使用同轴送粉激光熔覆设备将料筒中的粉体以氮气作为载气从喷嘴喷射于基体，熔覆激光将粉体融化并覆着到铜合金基体表面，参数为：熔覆光斑直径5 mm，激光功率为4800 W，送粉率18g/min，扫描速度30 mm/s，搭接率70%，熔覆次数4次，最终得到覆层厚度为2.6mm的耐磨Cu-Cr-TiO

（6）对所得到的熔覆覆层进行性能测试，使用维氏硬度计测试得出其硬度为182.2HV，使用干滑动摩擦磨损试验设备（参照GB/T 12444-2006），在20N加载压力下，以面粗糙度为0.8、外径40mm的GCr15钢环作为摩擦配副，测得摩擦系数为0.23，质量磨损率为15mg/km，电导率为27.3 IACS。

实施例3

（1）使用试验天平称取相应质量的Cu粉、Cr粉，TiO

（2）以去离子水作为分散剂，加入称量好的粉末，以聚乙烯醇（PVA）作为粘结剂制备Cu-Cr-TiO

（3）采用喷雾干燥方式制备适合激光熔覆的Cu-Cr-TiO

（4）用砂纸对铜合金基体表面进行打磨以清除油污氧化物，将激光熔覆粉体加入同轴送粉激光熔覆设备的料筒之中；

（5）用加热激光源对铜合金基体进行预热，通过加热使基体温度达到350℃；使用同轴送粉激光熔覆设备将料筒中的粉体以氮气作为载气从喷嘴喷射于基体，熔覆激光将粉体融化并覆着到铜合金基体表面，参数为：熔覆光斑直径5 mm，激光功率为5000 W，送粉率20g/min，扫描速度35 mm/s，搭接率80%，熔覆次数4次，最终得到覆层厚度为2.8mm的耐磨Cu-Cr-TiO

（6）对所得到的熔覆覆层进行性能测试，使用维氏硬度计测试得出其硬度为196.7HV，使用干滑动摩擦磨损试验设备（参照GB/T 12444-2006），在20N加载压力下，以面粗糙度为0.8、外径40mm的GCr15钢环作为摩擦配副，测得摩擦系数为0.21，质量磨损率为14mg/km，电导率为26.8IACS。

对比例1

（1）使用试验天平称取相应质量的Cu粉、Cr粉，TiO

（2）用砂纸对铜合金基体表面进行同向擦拭以清除油污氧化物；

（3）将用混粉机混合均匀的粉末加入同轴送粉激光熔覆设备的料筒之中，将砂纸清洁后的铜合金基体固定于同轴送粉激光熔覆设备工作台上，开启激光熔覆设备并完成熔覆前各系统的检查；

（4）用加热激光源对铜合金基体进行预热，通过加热使基体温度达到300℃；使用同轴送粉激光熔覆设备将料筒中的粉体以氮气作为载气从喷嘴喷射于基体，熔覆激光将粉体融化并覆着到铜合金基体表面，参数为：熔覆光斑直径5 mm，激光功率为4200 W，送粉率12g/min，扫描速度25 mm/s，搭接率50%，熔覆次数2次，最终得到覆层厚度为1.7 mm的耐磨Cu-Cr-TiO

（5）对所得到的熔覆覆层进行性能测试，使用维氏硬度计测试得出其硬度为137.8HV；使用干滑动摩擦磨损试验设备（参照GB/T 12444-2006），在20N加载压力下，以面粗糙度为0.8、外径40mm的GCr15钢环作为摩擦配副，测得摩擦系数为0.37，质量磨损率为19 mg/km。由于为进行喷雾造粒，激光熔覆粉体流动性差，熔覆效率低，熔覆过程多次发生送粉管堵塞现象，电导率为17.2 IACS。

对比例2

对比例2和实施例3相比，区别在于，粉体的配比不同，对比例2的配比为：Cu粉49.2%，Cr粉 45%，ZrO

对比例3

对比例3和实施例3相比，区别在于，粉体的配比不同，对比例3的配比为：Cu粉45%，Cr粉 39%，TiO

对比例4

对比例4和实施例3相比，区别在于，造粒后的粉体经600℃烧结4小时，得到激光熔覆粉体。其他和实施例3相同。采用和实施例3相同的测试方法进行测试，其硬度为137.3，质量磨损率为29 mg/km，电导率为22.3 IACS。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的保护范围限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请中一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本申请中一个或多个实施例旨在涵盖落入本申请的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请中一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。