銅合金表面激光復(fù)合耐磨層及界面特性研究.pdf

1、銅和銅合金因具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、高的導(dǎo)熱率及良好的塑性而日益廣泛地應(yīng)用于電力、冶金、機(jī)械裝備、航空航天等領(lǐng)域。然而，銅及銅合金作為苛刻工況條件下的工件如連鑄結(jié)晶器等要求低的變形量、高耐磨、耐熱腐蝕等，其難以直接滿(mǎn)足工程要求。激光熔覆技術(shù)具有可提高零件特定工作面服役性能及整體工件壽命的特點(diǎn)。盡管激光熔覆技術(shù)在金屬表面強(qiáng)化方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，但銅合金良好的導(dǎo)熱性及對(duì)激光低的吸收率導(dǎo)致銅表面激光熔覆成為的難點(diǎn)。本文利用Nd:YAG 固體激光器作

2、為熱源，以預(yù)置粉末方法提高銅對(duì)激光能量的吸收率，在Cu-Cr-Zr 合金表面成功制備了耐磨熔覆層。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、X 射線衍射(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)、差示掃描量熱法(DSC)及干滑動(dòng)摩擦磨損測(cè)試對(duì)熔覆層形貌、微觀組織、界面結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)相生長(zhǎng)機(jī)理及摩擦磨損行為進(jìn)行了全面研究。針對(duì)Ni與Cu能夠無(wú)限互溶的特性，在銅合金表面分別進(jìn)行了4種非自熔性Ni基合金與2種自熔性Ni基合金熔覆層的制備。結(jié)果表明，純Ni、Ni-3

3、0Cu、GH-01及Ni30、Ni45與銅基材浸潤(rùn)性較差，熔覆層及界面區(qū)存在大量缺陷；B和Si等元素形成硬脆性化合物是導(dǎo)致自熔性Ni基合金裂紋萌生和擴(kuò)展的原因之一；即使合金粉末中含有適量Cu 也不能改善熔覆層與Cu基材界面相容性。含適量Al的KF-6合金在激光與反應(yīng)放熱耦合下形成了良好冶金結(jié)合界面，熔覆層組織致密呈細(xì)小枝晶狀；(Ni, Cu)固溶體是良好冶金結(jié)合界面的基礎(chǔ)，馬蘭戈尼對(duì)流和非平衡快速凝固綜合作用使界面組織局部表現(xiàn)為層狀結(jié)構(gòu)

4、.
　　 為提高銅合金抗磨、耐熱性能，在銅合金表面分別進(jìn)行了非自熔性Co基合金、自熔性Co基合金及Ni/Co 復(fù)合熔覆層的制備。結(jié)果表明，工藝參數(shù)對(duì)Co基合金與Cu基材潤(rùn)濕性有明顯影響；自熔性Co基合金中形成裂紋，將限制其工程應(yīng)用。非自熔性Co基合金HG-Co01致密而無(wú)缺陷，熔覆層由α-Co 固溶體和Cr23C6組成；其合金粉末中適量Ni 使界面形成了富Ni的（Ni, Cu）固溶體和富Co的（α-Co, Ni）固溶體，使冶金結(jié)

5、合界面形成。為顯著改善Co基合金/銅基材界面性能，以KF-6鎳基合金為中間過(guò)渡層，實(shí)現(xiàn)了Co/Ni/Cu的梯度過(guò)渡，Co/Ni、Ni/Cu 界面結(jié)構(gòu)為固溶體，均實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合；復(fù)合層組織細(xì)小，無(wú)氣孔、裂紋等缺陷。以KF-6 合金為中間過(guò)渡層，采用非自熔性Co基合金HG-Co01為金屬粘接相，在銅合金表面分別采用直接引入和原位合成的方法成功制備了Co基金屬陶瓷復(fù)合層。研究證實(shí)，Ni 包WC 增強(qiáng)Co基復(fù)合層與中間過(guò)渡層形成良好冶金結(jié)合， W

6、C顆粒分布均勻，未發(fā)生嚴(yán)重?zé)龘p，基本保持原有多角形態(tài)，部分WC 邊緣發(fā)生擴(kuò)散形成合金化層。以Ni 包WC、HG-Co01、Ti粉和石墨粉為原料，采用激光原位合成的方法成功制備了TiC+WC 增強(qiáng)Co基合金復(fù)合層。復(fù)合層中TiC 以枝晶、細(xì)小顆粒形態(tài)析出；隨著（Ti+C）含量的增加，TiC 析出量增加。原位合成復(fù)合熔覆層形成機(jī)理為：復(fù)合粉末在激光作用下首先形成共熔體，并發(fā)生Ni 包WC的表層分解和擴(kuò)散形成TiWC2 合金化層；同時(shí)，Ti、

7、C 元素在熔體中發(fā)生擴(kuò)散形成亞穩(wěn)定的TixCy 增強(qiáng)體，持續(xù)激光熱作用和反應(yīng)放熱的耦合及濃度補(bǔ)償最終形成穩(wěn)定的TiC增強(qiáng)相，TiC的長(zhǎng)大機(jī)制主要為擴(kuò)散機(jī)制和溶解—析出機(jī)制.
　　 銅合金表面熔覆層硬度較銅基材明顯提高， KF-6 合金中間過(guò)渡使復(fù)合熔覆層硬度在界面區(qū)域呈梯度下降。室溫干滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合材料熔覆層摩擦系數(shù)均小于0.25，耐磨性大幅提高。銅基材粘著磨損嚴(yán)重，相同條件下，復(fù)合熔覆層耐磨性均較Cu基材顯著提