紫铜上激光熔覆镍基自熔合金组织和性能研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年4 期 4 1 紫铜上激光熔覆镍基自熔合金组织和性能研究 李福海，邝子奇，马文有，刘敏，陈兴驰，陈志坤 广州有色金属研究院，广州5 1 0 6 5 1 摘要采用万瓦横流C 0 2 激光器在紫铜表面熔覆镍基自熔合金熔敷层，并采用S E M 、X R D 、0 M 和显微 维氏硬度计进行组织结构和硬度分析。结果表明在紫铜表面完全可采用激光熔覆的方法制备镍基自 熔合金的熔覆层，熔覆层与铜基体形成冶金结合，组织致密、晶粒细小、无裂纹、孔隙夹杂等缺陷，熔敷层 内具有等轴晶、树枝晶及胞状晶等不同结构，并有W C 、W z C 、N i 。B 等强化相颗粒。同时，与采用超音速 火焰喷涂 H V A F 涂层进行对比，结果表明激光熔覆层硬度虽然低于喷涂涂层，但磨擦系数小，耐磨损 性能有明显的提高。 关键词激光熔覆；N i C r B S i ；超音速火焰热喷涂；铜合金；结晶器 中图分类号T G l 7 4 ．2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 0 0 4 - - 0 0 4 1 - - 0 4 M i c r o s t r u c t u r ea n dP r o p e r t i e so fL a s e rC l a d d i n g N i C r B S i - W CC o a t i n go nC o p p e rS u b s t r a t e L IF u - h a i ，K U A N GZ i - q i ，M AW e n - y o u ，L I UM i n ，C H E NX i n g c h i ，C H E NZ h i k u n G u a n g z h o uR e s e a r c hI n s t i t u t eo fN o n - f e r r o u sM e t a l s G u a n g z h o u5 1 0 6 5 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h eN i C r B S ic o a t i n gw a sc a r r i e do u to nc o p p e rs u r f a c eb yt e n t h o u s a n d - w a t tl a s e rc l a d d i n g p r o c e s s ．A f t e rt h a tt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sw e r es t u d i e db ym e a n so fS E M ，X R D ，o p t i c a Im i c r o s c o p e ，a n dm i c r o - h a r d n e s sm e t e r ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a ti tw a sp o s s i b l ei ni n d u s t r yt og e tl a s e rc l a d d i n g l a y e ro nc o p p e rs u b s t r a t e ，a n dt h el a s e rc l a d d i n gl a y e rh a da d v a n c e dp r o p e r t i e ss u c ha sd e n s e rs t r u c t u r e ， s m a l l e rg r a i n ，c r a c k f r e e ，p o r o s i t y f r e e ，a n ds l a gi n c l u s i o nf r e e ，e t c ，b e c a u s eo ft h ef u l l ya l l o y i n gf u n e t i o n ．T h el a s e rc l a d d i n gl a y e r ，w h i c hc o n s i s t e do fi s o m e t r i cg r a i n ，d e n d r i t i cs t r u c t u r ea n dp a r a s p o r a lc r y s t a l ，i n c l u d i n ge n f o r c e dp a r t i c l e ss u c ha sW C ，W 2C ，a n dN i 3B ，e t c ，w a sm e t a l l u r g i c a l l yb o n d e de a c ho t h e r a n dw i t ht h ec o p p e ra l l o ys u b s t r a t e ．T h el a s e rc l a d d i n gp r e s e n t e dr e m a r k a b l yw e a r - r e s i s t a n c ec h a r a c t e r c o m p a r e dt ot h ec u p p e rs u b s t r a t eo rH V A Fs p r a y e dc o a t i n ga l t h o u g ht h em i c r o h a r d n e s sd e c r e a s e dal i t t l e b i t ，b u tt h ef r i c a t i o nc o e f f i c i e n td e c r e a s e d ．T h ew e a rm e c h a n i s mo ft h el a y e r sw a st y p i c a lg r a i n a b r a s i o n ． K e y w o r d s L a s e rc l a d d i n g ；N i C r B S i ；H V A F ；C o p p e ra l l o y ；C r y s t a l l i z e r 铜及其合金具有良好的导热性能，常被应用于 散热零部件[ 1 _ 2 】。然而，铜具有硬度低和耐磨性差 等缺点，大大限制了它的应用场合。工程中常采用 热喷涂、电镀、激光表面强化技术等表面强化手段， 制备高抗磨、耐蚀防护涂层[ 3 - 6 ] ，比较这几种方法， 激光熔覆技术具有明显的优势激光熔覆具有热影 作者简介李福海 1 9 7 3 - - ，男，陕西人，硕士。高级工程师． 响区窄、工件变形小、结合力强、效率高、无污染等优 点，通过激光熔覆可以在廉价的基材上形成耐磨、耐 蚀、耐热的合金化层，从而大大节约工业成本。然 而，在铜表面激光熔覆存在很大困难。主要是由于 铜基体有很高的导热系数和对激光束很高的反射 率，基体获得的能量仅l o ％左右，很难形成熔池。 万方数据 4 2 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年4 期 近年来，国内外学者通过预置粉末的方式改善了铜 表面反光率大的问题[ 3 叫] 。但针对铜表面热喷涂和 激光熔覆镍基自熔合金添加W C 增强颗粒的组织 与耐磨性能分析的较少。本文采用镍基自熔合金粉 末添加一定量的W C 强化颗粒，通过超音速火焰喷 涂方式和激光熔覆涂层，对比分析喷涂层和熔覆层 组织形貌、物相以及硬度对耐磨性能的影响，在铜基 体上制作出低磨擦系数、高耐磨性的强化层，强化层 与铜基体形成冶金结合，对拓展铜及其合金在工业 的应用起到一定的作用。 1试验方法 试验选用紫铜作为基材，试样尺寸为1 0 0m m 1 0 0m m X1 0m m 。涂层材料为N i C r B S i 自熔合 金粉末与碳化钨的混合粉，N i C r B S i 自熔合金粉末 粒度为0 ．0 4 3 “ ～0 ．1 0 5m m ，主要成分 ％ C0 ．6 ～ 0 ．7 、S i2 ．8 ～3 ．0 、B2 ．0 ～2 ．1 、C r1 4 ．1 ～1 4 ．2 、F e 3 ．1 “ - 3 ．2 、N i 余量。混合粉末中，W C 质量百分比 为3 0 ％。对比的H V A F 喷涂试样基体经超声除 油、喷砂预处理后，采用U n i q u eC o a t 超音速火焰喷 涂 H V A F 系统制备N i C r B S i W C 自熔合金涂 层，涂层厚度为0 ．3 ～0 ．5m m 。激光熔覆采用 l o k w 横流C o 。激光系统进行，工艺参数为激光功 率5k W 、离焦量 1 5m m 、扫描速度5 0 0m m ／m i n 、 搭接率2 0 ％。 分析采用J LS M 5 9 1 0 型扫描电子显微镜 S E M 分析涂层显微组织；R i g a k uD ／m a x2 5 5 0 型 全自动X 射线衍射仪 X R D 进行物相分析；J C X A - 7 3 3E P M A 一1 6 0 0 型电子探针 E P M A 分析微区成 分；M H 一5 D 型显微硬度计测定涂层的显微硬度，载 荷2 0 0g ，加载时间1 5s ，测量5 次取平均值。 室温千滑动磨损试验在M M W - 1 A 型销一盘摩 损试验机上进行，试样尺寸Q 3 1 ．7m m X1 0m m ，对 磨件为4 5 8 钢，硬度H R C 3 5 ～4 0 ，测试载荷2 0N ， 线速度0 ．0 7 5m ／s ，磨损时间1 0m i n ，测量5 次取平 均值。 2 结果与讨论 2 ．1 涂层显微组织与结构表征 图1 分别为热喷涂N i C r B S i - W C 自熔合金涂层 和激光熔覆层横截面的S E M 照片。从图1 可以看 出，热喷涂涂层呈层状结构，层间结合不致密，涂层 中有部分未熔颗粒、并有少量孔洞及裂纹，涂层与基 体之间有比较明显的分界面。激光熔覆层组织细小 均匀，无裂纹、孔洞等缺陷，熔覆与基体为冶金结合。 图1热喷涂涂层 a 和激光熔敷层 b 断面组织形貌 F i g ．1 M i c r o s t r u c t u r eo ft h e r m a ls p r a y i n gc o a t i n g a a n dl a s e rc l a d d i n gl a y e r b 更进一步的观察 图2 表明激光熔敷层的典 型组织为表面涂层熔覆区、热影响区及铜合金基体 三个区域。熔覆区呈枝晶形貌，熔覆层的内部组织 图2 a 为等轴晶和细小枝晶和树枝晶组织、界面区 域 图2 b 形貌近似为胞状晶、及较粗大树枝晶组 织，同时在熔覆层与基体之间存在合金元素交互扩 散形成的结合带，宽约1 0 ～3 0 ／．t m ，电子探针 E P M A 分析表明，结合带区域主要富含C u 及N i 元 - 素，说明N i C r B S i W C 激光熔覆层与铜合金表面形 成了良好的冶金结合。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年4 期 4 3 图2 激光熔敷层内部 a 与界面 b 组织形貌 F i g ．2 M i c r o s t r u c t u r eo fi n t e r i o r a a n di n t e r f a c e b o ft h el a s e rc l a d d i n gl a y e r 图3 是激光熔覆层N i C r B S i W C 界面处的X 射线衍射图谱。可以看出，熔覆层组织主要由N i 、 N i C u 、C u 固溶体相及少量的强化相W C 、W C 、 N i 。B 组成。N i 、C u 都属于面心立方晶体结构，二者 可以无限互溶，在高功率激光束作用下形成 N i ，C u 固溶体。激光束使C u 扩散到熔覆层中，因 此有C u 固溶体相存在。熔覆过程中，涂层中原始 的W C 分解，并重新生成W C 、W 2 C 硬质相，而N i 、B 则生成了N i 。B 硬质相。 l O2 03 04 05 ‘lo o7 08 09 0 2 0 ／ 。 图3 激光熔覆层x 射线衍射图谱 F i g ．3X R Dp a t t e r no fl a s e rc l a d d i n gl a y e r 2 ．2 显微硬度和磨损性能 热喷涂N i C r B S i W C 涂层和激光熔覆N i C r B S i - W C 层的显微硬度 H V 0 ．2 ，1 5 s 和磨损失重量测试 数据表明热喷涂涂层硬度为7 2 6 H V ，失重量1 8 m g ，激光熔覆层硬度5 8 7H V ，失重量1 0m g ，而铜 基材硬度最低，仅为8 0 H V ，失重量达到了8 0m g ， 热喷涂N i C r B S i W C 涂层是基体耐磨性能的4 ．4 倍，而激光熔敷层耐磨性能是基体的8 倍；热喷涂层 磨擦系数为0 ．7 ，而激光熔敷层摩擦系数为0 ．5 ，激 光熔覆层表现出更好的耐磨性。 热喷涂和激光熔覆两种工艺相比，热喷涂时粒 子冷却速度更快，甚至存在非晶态组织，虽然采用的 是自熔合金粉末，但喷涂过程中并没有发生有效的 合金化；而激光熔覆处理后，自熔合金的发生明显的 合金化，因此硬度有一定的降低。但同时使W 、F e 、 S i 等原子熔入N i 固溶体中，产生晶格畸变，固溶强 化作用凸现；此外，激光熔覆层中生成的W C 、W 。C 、 N i 。B 硬质相不仅本身具有较高的硬度，还可以弥散 强化基体；这些因素的综合作用有效提高熔覆层的 耐磨性，使激光熔敷层具有比喷涂层更高的耐磨性。 2 ．3 磨损性能 图4 是对热喷涂层 A 。、A 。 和激光熔覆层 B 。、 B 2 磨损表面的光学 A 。和B ． 和电镜照片 A 。和 琏 。由S E M 图可以看出，激光熔覆层表面仅受到 轻微磨损，只有较浅的犁削沟槽，磨损面没有出现大 量剥落、黏附现象，为典型的磨粒磨损；热喷涂涂层 在磨损过程中存在结合层剥落的现象，犁沟内有大 量疲劳磨损面，裂纹较多，磨痕明显，这是由于喷涂 粒子之间为结合力弱的机械结合，呈层状结构，而激 光熔覆层完全熔化形成了合金，结合力强，热喷涂粒 子更容易脱落，因此热喷涂涂层磨擦系数较高，而熔 覆层仅出现极少的剥落，摩擦系数降低，从而熔覆层 的耐磨性较高。同时，在激光熔覆过程中，原有硬质 相W C 分解，重新形成W C 、W 。C 、N i 。B 等高耐磨硬 质相，同时由于激光作用使熔覆层组织细化、固溶强 化结果，在这些效果共同作用下发生磨损时，在磨损 初期由于W 、F e 、S i 等原子对镍基固溶体的固溶强 化，组织细化及熔覆层冶金结合，使得镍固溶体的强 度、硬度提高，具有一定的磨损抗力；当镍基固溶体 磨损到一定程度时，熔覆层中的W C 、N i 。B 等硬质 相凸显，承担着主要的磨损抗力，因此激光熔覆镍基 自熔合金呈现出很好的耐磨擦磨损性能。 3结论 1 激光熔覆N i C r B S i W C 合金层具有比超音 万方数据 4 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年4 期 图4 热喷涂涂层 A 1 和A 2 和激光熔覆层 B l 和B 2 磨损后表面形貌 F i g ．4 S u r f a c ep r o f i l e so ft h e r m a ls p r a y i n g c o a t i n g A a n dl a s e rc l a d d i n gl a y e r a f t e ra b r a s i o n B 速火焰喷涂涂层更好的熔覆组织，熔覆层无层状组 织、孔洞、裂纹等缺陷，与铜合金基体呈冶金结合。 2 激光熔覆层由表及里依次为等轴晶、树枝晶 及胞状晶形貌，同时具有W C 、W 。C 、N i 。B 等硬质颗 粒，熔覆层平均显微硬度为5 8 7 H V ，显著提高了铜 合金的表面硬度。 3 激光熔覆层具有更加致密的组织，硬度较 高，同时具有高硬度耐磨相W C 、W 。C 、N i 。B 组织， 在室温干滑动磨损条件下激光熔覆层具有小的磨擦 系数和优异的耐磨性能。 参考文献 [ 1 3 万安元．国内外板坯结晶器镀层情况简介[ J ] ．材料保 护，2 0 0 1 ，3 4 4 3 7 ． [ 2 ] 刘芳，刘常升，陶兴启，等．结晶器铜板表面处理的研究 进展[ J ] ．表面技术，2 0 0 6 ，3 5 3 1 - - 3 ． [ 3 ] 霍树斌，王佳杰，王吉孝，等．Z r C r C u 铜合金表面高速火 焰喷涂涂层对其疲劳性能的改善[ J ] ．焊接，2 0 0 6 6 6 1 6 4 ． [ 4 ] D e h mG ，M e d r eB ，e ta 1 ．M i c r o s t r u c t u r ea n dt r i b o i o g i - c a lp r o p e r t i e so fN i b a s e dc l a d d i n g so nC us u b s t r a t e s 口] ．W e a r ，1 9 9 9 ，2 2 5 - - 2 2 9 1 9 2 6 ． [ 5 ] F a n gL i u ，C h a n g s h e n gL i u ，X i n g q iT a o ，e ta 1 ．L a s e r c l a d d i n go fN i - b a s e da l l o yo nc o p p e rs u b s t r a t e [ J ] ． J o u r n a lo fU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 0 6 ， 1 3 4 3 2 9 3 3 2 ． [ 6 ] G o n z d l e zR ，C a d e n a sM ，F e r n f n d e zR ，e ta 1 ．W e a rb e h a v i o u ro ff l a m es p r a y e dN i C r B S ic o a t i n gr e m e l t e db y f l a m eo rb yl a s e r [ J ] ．W e a r ，2 0 0 7 ，2 6 2 3 0 1 3 0 7 ． [ 7 3G u o j i a nX u ，M u n e h a r uK u t s u n a ，Z h o n g j i eL i u ，e ta 1 ． C h a r a c t e r i s t i c so fN i - b a s e dc o a t i n gl a y e rf o r m e db yl a s e r a n dp l a s m ac l a d d i n gp r o c e s s e s [ J ] ．M a t e r i a ls c i e n c ea n d e n g i n e e r i n gA ，2 0 0 6 ，4 1 7 6 3 7 2 ． 上接第3 2 页 参考文献 [ 1 3M u k h e r j e eTK ，C h a k r a b o r t ySP ，B i d a y eAC ，e ta 1 ． R e c o v e r yo fP u r eV a n a d i u mO x i d ef r o mB a y e rS l u d g e [ J ] ．M i n e r ．E n g ．，1 9 9 0 ，3 3 ／4 3 4 5 3 5 3 ． [ 2 ] M u k h e r j e eTK ，G u p t aCK ．E x t r a c t i o no fV a n a d i u m f r o ma nI n d u s t r i a lW a s t e [ J ] ．H i g hT e m p ．M a t e r ． P r o c e s s e s ，1 9 9 3 ，1 1 1 ／4 1 8 9 2 0 5 ． [ 3 ] M e h r aOK ，G u p t aCK ．O nt h eA l u m i n o t h e r m i cR e d u e t i o no fC a l c i u mV a n a d a t e [ J ] ．M e t a l l ．T r a n s ．，1 9 7 7 ， 8 8 6 8 3 8 5 ． [ 4 3P a t t n a i kSP ，M u k h e r j e eTK ．F e r r o v a n a d i u mf r o ma S e c o n d a r yS o u r c eo fV a n a d i u m [ J ] ．M e t a l l ．T r a n s ．， 1 9 8 3 ，1 4 B 1 3 3 1 3 6 ． [ 5 ] W i e n c e kJM ，Q u t u b u d d i n M i c r o e m u l s i o nl i q u i d m e m b r a n e ．LA p p l i c a t i o nt oa c e t i ca c i dr e m o v a lf r o m w a t e r [ J ] ．S e pS e iT e c h n o l ，1 9 9 2 ，2 7 i 0 1 2 1 1 1 2 2 8 ． [ 6 ] W i e n c e kJM ，Q u t u b u d d l n M i c r o e m u l s i o nl i q u i d m e m b r a n e ．I I ．C o p p e ri o nr e m o v a lf r o mb u f f e r e da n d u n b u f f e r e da q u e o u sf e e d [ J ] ．S e pS e iT e c h n o l ，1 9 9 2 ，2 7 n 1 4 0 7 1 4 2 2 ． [ 7 3 李艳，张亦飞，杨超。等．铝酸钠溶液中和制备纳米丝状 氨氧化铝[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 8 ，E 0 1 1 0 0 4 一 】0 0 9 ． 万方数据