一種用于鐵基合金表面激光熔覆的銅基涂層及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于材料表面改性技術領域，具體涉及一種用于鐵基合金表面激光熔覆的 銅基涂層及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 銅具有優良的導電性和導熱率，鐵基合金表面激光熔覆銅基涂層制備鐵銅雙層金 屬不僅可使其具有特殊的電學等功能特性，而且鐵基體可賦予材料整體較高的強度和韌 性。但是，銅和鐵的熱物理性質差異較大，特別是兩者之間潤濕性極差，導致激光熔覆高導 電率純銅涂層難以與鐵基體形成有效的結合，以往解決的辦法一般在熔覆用銅基粉末中添 加焊劑以提高潤濕性，但焊劑的添加會嚴重改變涂層的成分和性能。因此，生產上亟待提出 一種簡單易行的方法，提高鐵基表面激光熔覆高導電率銅涂層熔覆質量及與鐵基體的結合 性能。
[0003] 此外，金屬基體中添加高彈性模量、高硬度、高耐熱氧化物是已知的重要合金強化 方法。近年來，人們發現將納米粒子取代微米粒子添加到金屬基體中，由于納米粒子小尺寸 效應，產生的彌散強化效果更為顯著。但是，研宄同時發現納米粒子的高表面效應往往使其 在合金凝固過程中發生嚴重的團聚，而不能形成有效的彌散分布。目前，納米氧化物彌散強 化銅合金的制備主要采用的是機械合金化等固態法，中國專利公開號為CN 102560172 A， 申請日為2012年3月13日的專利申請文件公開了一種制備高強高導彌散強化銅的方法， 采用冷壓燒結工藝或熱擠壓工藝固結成型制備納米氧化物彌散強化銅材料，發現少量的納 米氧化物添加可顯著提高純銅基體的強度、抗高溫軟化性能，且導電率大于80% IACS(國 際退火（軟）銅標準）。中國專利公開號為CN 102912208 A，申請日為2012年11月8日 的專利申請文件公開了一種納米氧化物改性銅基電接觸材料的制備方法，該發明通過添加 硫酸和碳酸鈉解決氧化物彌散強化高強高導銅基電接觸材料納米相分散差的問題。可見， 如何避免納米氧化物在激光熔覆銅合金涂層凝固過程中團聚，實現其彌散分布是提高涂層 性能的重要條件。中國專利公開號為CN 1231344 A，申請日為1998年4月6日的專利申請 文件公開了一種彌散強化銅基電極合金，該合金成分為Y20 30. 1-2. 0 (重量）％，余量為銅； 制備工藝為：將Y203粉末和Cu粉末按預定比例混合，放入高能攪拌式球磨機中合金化，之后 將上述合金化的Cu - Y203粉末在固態下壓制、燒、結、擠壓，最終得到棒材或片材等半成品。 可見，固相條件下由于納米粒子團聚速度較低，有利于實現納米粒子彌散分布，但固態燒結 合金的致密度較低，孔隙率較高，合金的性能差，應用受到限制且不適用于表面涂層領域。
[0004] 綜上所述，以往文獻雖然報道了納米粒子在銅基合金中有良好的彌散強化作用， 但如何實現在鐵基合金表面激光熔覆高質量的銅基涂層，如何避免激光熔覆液相銅凝固過 程中納米粒子的團聚等，這些問題目前還沒有相關研宄，生產上急需找到一種簡單易行的 方法。
【發明內容】
[0005] 1.要解決的問題
[0006] 針對現有技術在鐵基表面激光熔覆高導電率純銅涂層存在熔覆質量差及與鐵基 體的結合性能差等問題，本發明提供一種用于鐵基合金表面激光熔覆的銅基涂層及其制備 方法。本發明在純銅粉末中添加質量分數為0. 4~2%的納米氧化物（Ce02、A1203、Sm20 3、 Y203)，能顯著提高鐵基合金表面激光熔覆純銅涂層的熔覆質量和性能。此外，本發明發現 激光熔覆工藝上采用600~1000mm/min激光掃描速度，有利于提高凝固界面前沿對外加顆 粒的吞并作用，實現納米粒子在銅涂層中的均勻分布。同時，本發明中納米氧化物的高表面 效應和異質形核作用可細化涂層界面處凝固組織10倍以上。與激光熔覆純銅涂層相比，本 發明制備的銅基涂層不僅具有良好的熔覆質量，硬度提高接近40 %，而且導電率達到82% IACS(國際退火（軟）銅標準）。
[0007] 2?技術方案
[0008] 為了解決上述問題，本發明所采用的技術方案如下：
[0009] 一種用于鐵基合金表面激光熔覆的銅基涂層，所述的銅基涂層由純銅粉末和納米 氧化物混合后經激光熔覆得到，其中納米氧化物的質量分數為0. 4~2%，所述的納米氧化 物為Ce02、A1203、Sm203、Y 203中的一種或幾種。
[0010] 優選地，所述的納米氧化物的粒度分布為20~lOOnm。
[0011] 優選地，所述的純銅粉末粒度分布為10~104 ym，純度多99. 5%。
[0012] 上述的一種能提高鐵基表面激光熔覆性能的銅基涂層的制備方法，其步驟為：
[0013] (1)按比例將純銅粉末和納米氧化物混合均勻；
[0014] (2)將步驟（1)中混合后的粉末與酒精混合，然后進行濕磨，最后真空干燥待用；
[0015] (3)清除待熔覆銅基涂層的鐵基體合金表面的污垢和鐵銹，然后于400~800°C進 行預熱；隨后采用橫流C0 2激光器在已預熱的鐵基合金表面熔覆銅基涂層。
[0016] 優選地，所述的步驟（1)中純銅粉末的粒徑大小為10~104 ym，純度彡99. 5%。
[0017] 優選地，所述的步驟（2)中酒精與粉末的體積比大于2:1 ;粉末與酒精混合后在行 星球磨儀中進行濕磨，濕磨時間為20-60min ;真空干燥溫度低于60°C。
[0018] 優選地，所述的步驟（3)中橫流0)2激光器采用同軸式送粉方式在已預熱的鐵基 合金表面熔覆銅基涂層，其中，激光掃描速度為600~1000mm/min，激光功率為1. 5~2kW。
[0019] 優選地，所述的步驟（3)中對熔覆銅基涂層的區域進行同步的惰性氣體保護。
[0020] 優選地，所述的步驟（3)中的鐵基合金為45號鋼基合金。
[0021] 上述的一種用于鐵基合金表面激光熔覆的銅基涂層在要求鐵基合金表面激光熔 覆銅基涂層后導電率達到82% IACS(國際退火（軟）銅標準），硬度提高40%以上的電工 材料領域中的應用。
[0022] 3.有益效果
[0023] 相比于現有技術，本發明的有益效果為：
[0024] (1)本發明通過長期的實驗摸索結合理論研宄發現在純銅粉末中添加少量的納米 氧化物可顯著提高激光熔覆純銅涂層的熔覆質量和性能，熔覆的涂層具有良好的連續性和 表面質量，且與鐵基體的粘結性好；
[0025](2)本發明中添加的納米氧化物由于其納米粒子的高表面效應可提高涂層與鐵基 體的潤濕性，另一方面納米粒子在涂層凝固過程中可起到異質形核的作用，有利于凝固相 在鐵基體界面處的形核和生長；同時，納米粒子的異質形核和晶界釘扎作用有利于細化銅 基涂層組織，顯著提高純銅合金的硬度，而對導電率的影響較少；
[0026] (3)本發明的一種用于鐵基合金表面激光熔覆的銅基涂層的制備方法，采用酒精 將純銅粉與納米氧化物混合，隨后在行星球磨儀中進行機械濕磨即可有效地實現納米氧化 物在激光熔覆后的銅基涂層中彌散分布，一方面，酒精可提高納米粒子與銅基粉末的潤濕 性，促進粉末均勻混合，另一方面，與常規激光熔覆采用100~400mm/min的掃描速度相比， 本發明發現采用600~1000mm/min極快的激光掃描速度，有效避免了納米粒子被液固界面 推移至晶界或枝晶間形成富集，實現了納米粒子在銅涂層中的彌散均勻；這可能是由于銅 本身是良好的導熱體，再結合本發明所用快速的激光掃描速度使銅基涂層具有極高的凝固 速度，從而極大減小了納米粒子受表面能吸引、在液相銅中移動和團聚的時間；因此，納米 粒子被快速凝固的界面前沿所吞并，實現了彌散分布。
【附圖說明】
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