激光熔覆技術(shù)在銅合金表面處理中的應(yīng)用

激光熔覆技術(shù)在銅合金表面處理中的應(yīng)用

0銅及合金加工技術(shù)銅合金具有良好的耐導(dǎo)電性、良好的塑性和良好的耐腐蝕性。然而，由于銅合金零件的腐蝕和磨損，其耐腐蝕性通常很差。因此，提高耐腐蝕性是一個(gè)吸引人的焦點(diǎn)。近年來(lái),激光技術(shù)得到了迅速發(fā)展,已成為材料焊接、切割加工、成型制造和表面改性的一種有效手段。激光熔覆是表面改性技術(shù)的一種,它以激光束作為熱源,在基體材料表面熔覆一層新材料,從而將基體材料的強(qiáng)韌性與熔覆層材料的耐磨、耐蝕和抗氧化等性能有機(jī)地結(jié)合在一起,能夠大幅度提高零件的使用壽命。與其他表面改性技術(shù)相比,激光熔覆技術(shù)具有瞬間加熱溫度高、冷卻速率快、對(duì)工件的熱影響小、熔覆層與基體結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),尤其適用于一些在極端條件下應(yīng)用的關(guān)鍵部件的強(qiáng)化。隨著科技的不斷發(fā)展,在銅合金上進(jìn)行激光熔覆處理得到了廣泛應(yīng)用。銅基體導(dǎo)熱率高、浸潤(rùn)性差,表面有堅(jiān)固的氧化膜,而且銅對(duì)激光的反射率很高,所以目前國(guó)內(nèi)外對(duì)在銅及其合金上成功進(jìn)行激光熔覆的研究報(bào)道不是很多,尤其還未見(jiàn)其綜述性的報(bào)道。如何在銅及其合金基體上采用激光技術(shù)制備無(wú)裂紋、冶金結(jié)合、耐蝕耐磨性好、強(qiáng)度高、導(dǎo)電性高的熔覆層成為了研究者共同關(guān)心的問(wèn)題。作者擬就目前銅合金表面激光熔覆處理的特點(diǎn)工藝技術(shù)、發(fā)展等進(jìn)行綜述,提出了存在的主要問(wèn)題以及改進(jìn)的途徑,并闡明了今后努力的方向,以便為銅合金表面的激光熔覆研究提供一定的參考。1在潤(rùn)滑性能方面的應(yīng)用鑒于銅合金自身的物理化學(xué)性質(zhì),目前用于銅合金表面激光熔覆的材料還不多,主要有鎳基合金、鈷基合金、鐵基合金和金屬陶瓷等。其中前三種為自熔性合金粉,這些材料中加入了具有強(qiáng)烈脫氧和自熔作用的硅、硼等元素,在激光熔覆過(guò)程中,硅和硼等元素具有造渣功能,它們優(yōu)先與合金粉中的氧和工件表面氧化物一起熔融生成低熔點(diǎn)的硼硅酸鹽等覆蓋在熔池表面,防止液態(tài)金屬過(guò)度氧化,從而改善熔體對(duì)基體金屬的潤(rùn)濕能力,減少熔覆層中的夾雜物和氧含量,提高熔覆層的工藝成型性能。鎳基自熔性合金粉以其良好的潤(rùn)濕性、耐蝕性、高溫自潤(rùn)滑性能,主要適用于要求局部耐磨、耐熱腐蝕及抗疲勞的零件;鈷基自熔性合金粉具有良好的高溫性能和耐蝕、耐磨性能,常被應(yīng)用于石化、電力、冶金等工業(yè)領(lǐng)域;鐵基合金粉適用于要求局部耐磨且容易變形的零件,但與鎳基、鈷基自熔性合金粉相比,鐵基自熔性合金粉存在自熔性較差、熔覆層易開(kāi)裂、易氧化、易產(chǎn)生氣孔等缺點(diǎn)。陶瓷粉在高溫下能獲得較高的強(qiáng)度,熱穩(wěn)定性好,化學(xué)穩(wěn)定性高,適用于要求耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性的零件。在以上幾種材料體系中,鎳基合金熔覆層應(yīng)用最多,除了鎳基合金本身較好的耐磨、耐蝕性且具有一定的韌性和良好的潤(rùn)濕、潤(rùn)滑性能之外,還有銅和鎳的原子半徑、密度、比熱都很接近,并且銅和鎳均具有面心立方結(jié)構(gòu),在固態(tài)和液態(tài)都能形成無(wú)限或有限互溶,有利于在基體和熔覆層之間形成良好的冶金結(jié)合。Liu等采用先熱噴涂再激光重熔的方法在鎳基合金粉里加入銅粉制成的熔覆材料熔覆在純銅表面,不但增加了熔覆層與基體的結(jié)合力,而且減少了裂紋、氣孔等缺陷的產(chǎn)生。只有在激光功率密度很高的熔覆層表面搭接處才會(huì)出現(xiàn)裂紋,并且深度小于0.1mm,經(jīng)過(guò)打磨后即可消除此裂紋,對(duì)材料的應(yīng)用沒(méi)有影響。Dehm等先用等離子噴涂技術(shù)在純銅表面噴涂一層鎳-硼-硅合金粉,厚度約100μm,再在表面激光熔覆一層鎳-硼-硅-鉻-鐵-碳合金。熔覆層中出現(xiàn)的硼化物相的熱膨脹系數(shù)與其他相的巨大差異造成了內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生以至裂紋的出現(xiàn)。Bysakh等使用了10kW的CO2激光機(jī)在功率8kW的情況下采用同步送粉法才將銅-鐵-鋁-硅合金粉熔覆在銅基體上,從中可看出在銅合金表面上激光熔覆存在一定的難度,且熔覆材料的選擇對(duì)熔覆結(jié)果的好壞起著很大的作用,因此找到更多的適合在銅合金表面進(jìn)行激光熔覆的材料體系顯得尤為重要。2掃描速度和激光功率對(duì)熔覆層稀釋率的影響激光熔覆處理時(shí)熔覆材料供給方式可分為預(yù)置粉末法和同步送粉法。由于銅的反射率很高,若采用同步送粉法,就必須使用高能量密度的熱源,因此在銅合金表面采用預(yù)置法熔覆吸收率高的粉體材料是比較合適的,同時(shí)預(yù)置粉后選擇一定的噴涂方法或合適的粘結(jié)劑形成涂層是非常必要的。因?yàn)閺娜鄢匦纬傻膭?dòng)態(tài)結(jié)果可以看出,噴涂層或使用粘結(jié)劑的涂層首先被激光照射而融化,由于涂層與銅基體的附著性高、導(dǎo)熱性也好,熔融粒子與基材的潤(rùn)濕性良好,有利于熔融粒子均勻分散于基體上,在銅基體上濕潤(rùn)然后形成熔池,這樣有利于形成良好的冶金結(jié)合界面。掃描速度是保證獲得優(yōu)質(zhì)熔覆層的關(guān)鍵因素。掃描速度增大到一定值后,激光能量?jī)H能使覆層材料熔化,而基體幾乎不熔化,在基體上形成不連續(xù)的淚珠狀熔覆層,此時(shí)的掃描速度稱(chēng)為熔覆極限速度。不同的熔覆材料和基體材料其極限速度不同,激光熔覆的必要條件是掃描速度應(yīng)小于熔覆極限速度。研究表明,在其他參數(shù)保持不變的條件下,掃描速度增大對(duì)熔化深度、熔化橫截面積的影響最大,對(duì)熔覆層寬度的影響最小,而且存在著線(xiàn)性關(guān)系。熔覆層厚度與掃描速度的平方成反比。激光功率的改變對(duì)于熔覆層厚度的影響是有限的,功率的增大造成熔覆層寬度的適當(dāng)增加。對(duì)于預(yù)置粉涂層的激光熔覆,熔覆層的稀釋率隨激光功率的增大而增大,隨掃描速度和光斑直徑的增加而降低;當(dāng)采用同步送粉法時(shí),在功率和光斑直徑不變的條件下,稀釋率主要取決于激光束的掃描速度和送粉率。在相同的激光工藝參數(shù)下,送粉率越大,稀釋率越小,可以認(rèn)為送粉率是決定熔覆層稀釋率的最關(guān)鍵因素。郭曉琴等采用500W的Nd:YAG固體激光器在純銅表面成功制備了Cu-TiB2熔覆層。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)光斑直徑一定時(shí),隨著掃描速度的降低或激光功率的增大,稀釋率增大,熔池中基體被熔化部分就越多,熔覆層中增強(qiáng)顆粒相對(duì)含量減少,同時(shí)由于熔池積蓄的熱量增多,凝固速度減慢,形成的組織粗大,導(dǎo)致顯微硬度降低。在磨損試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率一定時(shí),在極限熔覆速度內(nèi),掃描速度越大,顆粒融化比較充分,熔覆層結(jié)合良好,耐磨性越好;當(dāng)掃描速度一定時(shí),功率越小,耐磨性越好。劉芳等用5kWCO2激光器在結(jié)晶器銅板上熔覆鎳基合金,發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率密度為1.58×102kW/cm2時(shí),最佳的掃描速度為3～4m·min-1,此時(shí),熔覆層表面質(zhì)量最好,顯微硬度最高。3納米顆粒相復(fù)合熔覆層經(jīng)過(guò)激光熔覆處理后,銅合金表面硬度和耐磨性顯著提高,由于激光熔覆時(shí)極快的冷卻速率使許多元素來(lái)不及析出,從而產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用;同時(shí)快速冷卻使晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大,促使組織細(xì)化,熔覆層中存在的大量細(xì)小硬質(zhì)顆粒相還可以起到彌散分布的強(qiáng)化作用,提高熔覆層表面硬度,硬質(zhì)顆粒相在磨損過(guò)程中也阻礙了位錯(cuò)和裂紋的擴(kuò)展,使得材料表面不易變形和剝落,提高了耐磨性。文獻(xiàn)制備了TiB2/Cu復(fù)合熔覆層,在此熔覆層內(nèi)存在大量細(xì)小的TiB2增強(qiáng)顆粒,隨著增強(qiáng)顆粒由外到內(nèi)數(shù)量的逐漸減少,熔覆層的顯微硬度也逐漸降低至基體銅的硬度。熔覆層的顯微硬度達(dá)380HV,平均顯微硬度為240HV左右,是基體純銅(75HV)的3～4倍;而熔覆層的磨損率為0.062～0.098mg·km-1,同樣試驗(yàn)條件下純銅的磨損率為0.512mg·km-1,耐磨性提高了5～8倍。Zhang等通過(guò)激光熔覆技術(shù)在純銅表面成功制備了鎳基合金涂層,研究發(fā)現(xiàn),熔覆層與基體形成良好的冶金結(jié)合,熔覆層中無(wú)氣孔和裂紋,熔覆層主要由γ-(Ni,Cr,Mo,W)固溶體和碳或硅的硬質(zhì)顆粒相組成。熔覆層的平均顯微硬度為360HV,約為純銅的5倍,在干摩擦條件下的耐磨性同時(shí)也顯著提高。4主要問(wèn)題4.1固體熱容量激光器與材質(zhì)的匹配純銅基材對(duì)CO2激光吸收率約為2%,經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間照射達(dá)到的最高溫度T,可用下式進(jìn)行計(jì)算。T=1.77P(1?γ)πkD(1)Τ=1.77Ρ(1-γ)πkD(1)式中:P為激光輸出功率,W;k為基材的熱傳導(dǎo)率,W·k-1·m-1;D為激光束直徑,mm;T為照射后基體的最高溫度,K;γ為基材表面的激光反射率。以黃銅為例,達(dá)到熔覆要求的最低溫度至少為1207K,經(jīng)計(jì)算要求1-γ>0.68,也就是說(shuō),用2.5kW的CO2激光器在黃銅表面進(jìn)行激光熔覆,黃銅表面的激光吸收率要超過(guò)68%,這比純銅2%的CO2激光吸收率高很多,顯然很難做到。而銅對(duì)波長(zhǎng)為1.06μm的Nd:YAG固體激光器激光的吸收率是波長(zhǎng)為10.6μmCO2激光器的7倍。因此在其他試驗(yàn)條件相同的條件下,同CO2激光器相比,使用Nd:YAG固體激光器更有利于在銅合金表面形成良好的激光熔覆層。4.2熔覆層裂紋的消除機(jī)理銅合金的導(dǎo)熱率較高,因加熱和冷卻速率較快使涂層中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,當(dāng)局部拉應(yīng)力超過(guò)涂層材料的強(qiáng)度時(shí),就會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。預(yù)熱和緩冷是降低熔覆層熱應(yīng)力的有效方法。激光熔覆前對(duì)基體材料進(jìn)行一定溫度的預(yù)熱,將會(huì)有效地降低溫度梯度,降低熱應(yīng)力,有利于抑制熔覆層中裂紋的產(chǎn)生。激光熔覆后緩冷,可以降低或消除熔覆層內(nèi)的殘余應(yīng)力,避免熔覆層在使用過(guò)程中由于外界因素的誘導(dǎo)而產(chǎn)生裂紋。優(yōu)化工藝參數(shù)也可減少熔覆層中的裂紋。激光熔覆層中的裂紋與掃描速度關(guān)系很大,掃描速度越快,熔覆層中裂紋數(shù)目越多;當(dāng)掃描速度低于一定值時(shí)可獲得無(wú)裂紋的涂層。這說(shuō)明增加激光熔覆過(guò)程中的線(xiàn)能量可有效地降低熔覆開(kāi)裂的敏感性。另外,多道熔覆的搭接率越大,熔覆層開(kāi)裂傾向越小。在獲得同樣厚度熔覆層的情況下,熔覆次數(shù)越多,熔覆層開(kāi)裂傾向越大。較高的激光能量密度便于實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)相在熔覆層中的原位自生,增強(qiáng)相在熔覆層和基體間的原位自生使涂層與基體具有良好的浸潤(rùn)性能和界面結(jié)合性能,可以消除裂紋等缺陷。劉芳等的研究表明,激光掃描使鎳基熔覆層組織內(nèi)原位生成了彌散分布的花瓣?duì)?、塊狀以及柱狀的W2C顆粒熔覆層的顯微硬度達(dá)到了838HV,是銅基體的8倍。碳化鎢的原位生成不但實(shí)現(xiàn)了對(duì)鎳基熔覆層的強(qiáng)化,而且抑制了裂紋的產(chǎn)生。4.3非自熔性合金熔覆層的氣孔控制氣孔也是激光熔覆層中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷。在采用粘結(jié)法預(yù)置涂層材料時(shí),如粘結(jié)劑選擇不當(dāng),可能在激光加熱過(guò)程中產(chǎn)生氣體,形成氣孔;另外由于銅的導(dǎo)熱性能好,熔池凝固快,熔池中的氣體來(lái)不及逸出而形成氣孔。對(duì)自熔性合金,由于合金中含有的大量脫氧劑硼和硅將優(yōu)先同金屬表面氧化物進(jìn)行脫氧反應(yīng),形成可上浮的硼硅酸鹽,并起到隔絕空氣的作用。當(dāng)脫氧造渣過(guò)程進(jìn)行不充分時(shí),使得熔體內(nèi)有氧或氧化物殘留,導(dǎo)致高溫下碳與氧發(fā)生反應(yīng),生成CO或CO2氣體。非自熔性合金由于沒(méi)有硼、硅元素的脫氧造渣作用,因而熔覆層中更易形成氣孔。一般來(lái)說(shuō),激光熔覆層中的氣孔是難以完全避免的,但可以采用一些措施加以控制。常用的方法有:(1)嚴(yán)格防止合金粉儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的氧化,在使用前要烘干去濕;(2)激光熔池存在的時(shí)間應(yīng)盡量延長(zhǎng),增加氣體逸出時(shí)間;(3)熔覆層應(yīng)盡量薄,以便于氣體逸出;(4)增加保護(hù)氣體的流量。5固體激光器與熔覆材料目前,對(duì)銅合金進(jìn)行激光熔覆處理提高其表面性能的研究并不多,其研究和應(yīng)用還有很大發(fā)展空間,可以對(duì)如下幾方面進(jìn)一步進(jìn)行研究:(1)提高表面吸收率。銅合金反射