一种纯铜表面激光原位自生陶瓷增强熔覆层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纯铜表面激光原位自生陶瓷增强熔覆层的制备方法，所述方法包括以下步骤：制备熔覆粉末；待熔覆的纯铜基体的表面预处理；采用同步送粉方式，利用激光熔覆装置，使熔覆粉末在纯铜基体的表面迅速熔凝，形成ZrB2‑ZrC‑Al2O3陶瓷增强熔覆层。本发明专利技术所获得的熔覆层，复合陶瓷熔覆层与基体结合良好，无气孔与杂质，合成的陶瓷增强相在熔覆层内部由基体至表面含量上升，呈梯度分布，同时生成三种不同的陶瓷相，其形态结构不同，硬度显著提高。

Preparation method of laser in-situ enhanced ceramic cladding layer on pure copper surface

The invention discloses a laser in situ ceramic reinforced copper surface preparation method of cladding layer, the method comprises the following steps: preparation of cladding powder; surface pretreatment of copper cladding for the treatment; the synchronous powder feeding system using laser cladding device, the cladding powder on the surface of pure copper the matrix rapidly melting, forming ZrB2 ZrC Al2O3 ceramic reinforced cladding layer. The cladding layer of the invention is obtained by combining the cladding layer and the substrate composite ceramics is good, no pores and impurity phase in cladding layer increases from the substrate to the surface of internal content enhanced synthesis of ceramic, gradient distribution, and generate three different ceramic phase, the morphology and structure of different hardness increased significantly.

【技术实现步骤摘要】
一种纯铜表面激光原位自生陶瓷增强熔覆层的制备方法
本专利技术属于表面工程领域，涉及一种纯铜表面激光原位自生陶瓷增强熔覆层的制备方法，即在激光作用下于纯铜表面原位反应生成ZrB2-ZrC-Al2O3增强熔覆层。
技术介绍
铜及其合金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，铜基陶瓷复合材料具有良好的导热导电性并兼具高的强度与耐磨性，提高了铜材料的应用范围。在纯铜表面制备铜基陶瓷复合材料的传统技术主要有：热喷涂、表面堆焊和物理化学气相沉积等，但这些传统技术存在一些缺陷，如热喷涂获得的涂层与基体之间为机械结合，结合力弱，受到冲击脱落；物理化学气相沉积只能获得几十微米厚度的涂层，并且涂层与基体结合性较差；表面堆焊对焊料材料要求高，可够选择的材料范围窄。并且传统方法主要为直接加入陶瓷材料制备铜基陶瓷复合材料，由于铜与陶瓷材料润湿性较差，热膨胀系数差异大，导致铜与陶瓷材料结合性差。激光熔覆技术是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表层同时熔融凝固，获得冶金结合的增强层，熔覆材料选择范围广，加工过程灵活可控。因此可以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。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少的能量，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。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。但目前关于铜基陶瓷复合材料在激光熔覆领域的研究较少，因此研究并制备出一种激光熔覆高温自蔓延反应原位合成的铜基陶瓷复合材料具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种纯铜表面原位自生陶瓷增强熔覆层的制备方法，解决直接加入陶瓷材料与铜结合性差的问题，以及利用高功率激光器在纯铜表面原位反应生成ZrB2-ZrC-Al2O3增强熔覆层的制备工艺。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种纯铜表面激光原位自生陶瓷增强熔覆层的制备方法，所述方法包括以下步骤：A：制备熔覆粉末；B：待熔覆的纯铜基体的表面预处理；C：采用同步送粉方式，利用激光熔覆装置，使熔覆粉末在纯铜基体的表面迅速熔凝，形成陶瓷增强熔覆层；其中步骤A和步骤B的顺序可调换。进一步的，所述熔覆粉末中各组份的量按重量百分比为：2.03～6.09％Al粉、6.94～20.82％ZrO2粉、1.73～5.19％Ni包B4C粉、9.30～27.90％Ni粉、余量为Cu粉。进一步的，所述Al粉、ZrO2粉和Ni包B4C粉的摩尔比为4：3：1。进一步的，所述熔覆粉末的具体制备方法是，将各原料粉末按照所述百分比充分均匀混合，然后放入烘干箱中，在120℃下烘干1h，得到熔覆粉末。进一步的，所述原料粉末充分均匀混合的具体方法是，利用V型混料机，搅拌转速为15r/min，混合时间为2h。进一步的，所述Al粉的粒度为38～75μm，纯度为99.5％；所述ZrO2粉的粒度为25～48μm，纯度为99.9％；所述Ni包B4C的粒度为25～48μm，B4C含量为60wt.％；所述Ni粉的粒度为48～106μm，纯度为99.9％；所述Cu粉的粒度为53～75μm，纯度为99.9％。进一步的，所述步骤B包括以下步骤：B1：使用砂纸打磨待熔覆的纯铜基体，以去除表面污渍、氧化物；B2：使用无水乙醇擦拭待熔覆的纯铜基体的表面；B3：在纯铜基体的表面涂刷一层碳素墨水，放入干燥箱中，在120℃下干燥10min。进一步的，步骤C中的所述激光熔覆装置包括激光器、可移动装置和旁轴送粉器，所述激光器为1.064μm的半导体光纤激光器，激光功率为1800～2600W，搭接率为30～50％；所述可移动装置用于固定纯铜基体，且移动速度为1～3mm/s；所述旁轴送粉器将熔覆粉末送到激光斑点处，载粉气体为氩气，气流量为2～6L/min，送粉量为1～3g/min。进一步的，所述纯铜基体在进行激光熔覆前还需要进行预热处理，使待熔覆的纯铜基体表面温度达到600℃。进一步的，所述预热处理的具体方法是，根据纯铜基体的尺寸大小，采用1400～1600W的低功率激光对纯铜基体表面照射5～6min。本专利技术所发生的高温自蔓延反应为：4Al+3ZrO2+B4C＝2ZrB2+ZrC+2Al2O3，获得的陶瓷增强相为ZrB2、ZrC和Al2O3。使用Ni包B4C材料可以减少B4C在熔覆过程中的烧损，加入Ni粉能改善原位合成陶瓷相与铜基体之间的润湿性，Cu粉的加入有利于熔覆层与基体的结合，以及提高熔覆层的导电性。本专利技术的有益效果是：本专利技术利用高放热的高温自蔓延反应和激光熔覆技术在纯铜基体表面合成陶瓷增强相。本专利技术原位合成的陶瓷增强相，与金属基体结合性好。本专利技术同时生成三种不同的陶瓷增强相，其形态结构不同，增强效果显著。本专利技术合成的陶瓷增强相在熔覆层内部由基体至表面含量上升，呈梯度分布，减小热应力开裂。附图说明图1为本专利技术的激光熔覆示意图；图2为本专利技术的熔覆层横截面金相图；图3为本专利技术的增强相金相图；图4为本专利技术的熔覆层横截面显微硬度分布图；图5为本明专利技术的熔覆层表面导电率变化图；图6为本专利技术的熔覆层横截面的能谱面扫描图；图7为本专利技术的熔覆层XRD图谱。图中：1-纯铜基体；2-熔覆层；3-激光束；4-激光器；5-旁轴送粉器；6-熔覆粉末。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1：一种纯铜表面激光原位自生陶瓷增强熔覆层的制备方法，包括以下步骤：制备熔覆粉末，各组份的量按重量百分比为：2.03％Al粉、6.94％ZrO2粉、1.73％Ni包B4C粉、9.30％Ni粉、80％Cu粉；精确称取上述粉末后放入V型混料机，以15r/min的转速搅拌2小时，然后将熔覆粉末放入烘干箱中，在120℃下烘干1h，去除粉末中的水分，得到熔覆粉末。待熔覆的纯铜基体的表面预处理，使用砂纸打磨待熔覆纯铜基体，以去除表面污渍、氧化物；使用无水乙醇擦拭待熔覆纯铜基体的表面；使用毛刷在纯铜表面涂刷一层碳素墨水，放入干燥箱中，在120℃下干燥10min。本实施例中选取的熔覆装置包括1.064μm的半导体光纤激光器4、数控机床和旁轴送粉器，纯铜基体1的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纯铜表面激光原位自生陶瓷增强熔覆层的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：A：制备熔覆粉末；B：待熔覆的纯铜基体的表面预处理；C：采用同步送粉方式，利用激光熔覆装置，使熔覆粉末在纯铜基体的表面迅速熔凝，形成陶瓷增强熔覆层；其中步骤A和步骤B的顺序可调换。

【技术特征摘要】
1.一种纯铜表面激光原位自生陶瓷增强熔覆层的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：A：制备熔覆粉末；B：待熔覆的纯铜基体的表面预处理；C：采用同步送粉方式，利用激光熔覆装置，使熔覆粉末在纯铜基体的表面迅速熔凝，形成陶瓷增强熔覆层；其中步骤A和步骤B的顺序可调换。2.根据权利要求1所述的一种纯铜表面激光原位自生陶瓷增强熔覆层的制备方法，其特征在于，所述熔覆粉末中各组份的量按重量百分比为：2.03～6.09％Al粉、6.94～20.82％ZrO2粉、1.73～5.19％Ni包B4C粉、9.30～27.90％Ni粉、余量为Cu粉。3.根据权利要求2所述的一种纯铜表面激光原位自生陶瓷增强熔覆层的制备方法，其特征在于，所述Al粉、ZrO2粉和Ni包B4C粉的摩尔比为4：3：1。4.根据权利要求2所述的一种纯铜表面激光原位自生陶瓷增强熔覆层的制备方法，其特征在于，所述熔覆粉末的具体制备方法是，将各原料粉末按照所述百分比充分均匀混合，然后放入烘干箱中，在120℃下烘干1h，得到熔覆粉末。5.根据权利要求4所述的一种纯铜表面激光原位自生陶瓷增强熔覆层的制备方法，其特征在于，所述原料粉末充分均匀混合的具体方法是，利用V型混料机，搅拌转速为15r/min，混合时间为2h。6.根据权利要求2所述的一种纯铜表面激光原位自生陶瓷增强熔覆层的制备方法，其特征在于，所述Al粉的粒度为38～75μm，纯度为99.5％；所述ZrO2粉的粒度为25～48μm，纯度为99.9％...

【专利技术属性】
技术研发人员：战再吉，吕相哲，曹海要，王振春，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13