一种激光-感应复合熔覆高强高导铜合金涂层专用铜合金粉末

摘要

本发明公开了一种激光－感应复合熔覆高强高导铜合金涂层专用铜合金粉末，该合金粉末的化学成分为：Ti2~5wt%；Mg1~3wt%；Zr0.1~0.5wt%；B0.2~1wt%；Al5~10wt%；Ni8~15wt%；Nb0.8~2wt%；W3~8wt%；Hf0.01~0.5wt%；Sc0.05~0.5wt%；余量为Cu。本发明的优点在于：专用铜合金粉末与激光－感应复合熔覆的工艺特征具有良好的工艺相容性，能够在高效率条件下，制备具有高耐磨、高导电以及优异的高温强韧性的无裂纹铜合金涂层，实现铜合金高强度与高导电的有效平衡与结合，在表面强化与修复铜结晶辊、铜结晶器、电磁炮导轨等领域具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于材料科学与表面工程技术领域，特别涉及一种激光－感应复合熔覆高强高导铜合金涂层专用铜合金粉末。

背景技术

高强高导铜合金具有优异的综合性能，如高强韧性、高耐磨与高耐蚀、高导电与高导热等，在集成电路引线框架、电接触材料、散热片、结晶器等工业领域的关键零部件上具有十分广阔的应用前景。因此，解决铜合金高导电与高强度之间的矛盾以及开发相关的制备技术引起了人们的高度关注。目前，在工业领域中使用的部分高强高导铜合金，通常是采用“真空熔炼－铸造－热轧开坯－冷加工－热处理”工艺制备的结构件，这种方法工艺复杂、成本昂贵，属于高能耗制备工艺技术。因此，低成本、短流程、绿色制造技术能够顺应全球化“低碳经济”的发展，成为了决策者与研究者追求的目标。

激光熔覆技术是近四十年发展起来的一种先进的绿色再制造技术，它能够在低成本的基材表面制备具有组织细小且致密、结合强度高、耐磨与耐蚀、导电与导热性能的涂层，达到基材表面改性或修复的目的，以取代大量昂贵的高性能结构件。目前，激光熔覆铜合金涂层所用的合金粉末大多为热喷涂用铜合金粉末或在这些铜合金粉末的基础上，采用机械混粉法掺入不同比例的合金元素形成铜合金粉末。因此，存在以下几个方面的问题：（1）合金元素与颗粒粒度分布不均匀，形成的激光熔覆铜合金涂层易产生组织偏析、气孔，导致铜合金涂层的强韧性、耐磨与耐蚀、导电与导热性能并不高；（2）激光熔覆快速加热与快速凝固的特点，使激光熔覆过程的温度梯度极大，而且制备的铜合金涂层与基材之间的热物理性能相差较大，导致铜合金涂层极易开裂，很大程度上限制了激光熔覆技术的发展与在工业领域中的广泛应用。

近年来，可以在高效率条件下，将涂层内的热应力降低到最小程度，从而制备高性能的无裂纹涂层的激光－感应复合熔覆制备技术（Shengfeng Zhou，Yongjun Huang，Xiaoyan Zeng. Microstructure characteristics of Ni-based WC composite coatings by laser induction hybrid rapid cladding. Materials Science and Engineering: A，2008，480（1-2）：564-572）引起了人们的广泛兴趣。但是，激光－感应复合熔覆无裂纹涂层使用的合金粉末，也通常采用热喷涂用合金粉末，虽然激光－感应复合熔覆过程中的温度梯度得到了很大程度的降低，但是热喷涂用合金粉末与基材之间热物理性能相差较大，仅能在较小的激光－感应复合熔覆加工窗口内制备少部分高性能无裂纹涂层。

发明内容

为了在高效率条件下，采用激光－感应复合熔覆的方法制备性能稳定的高强高导铜合金涂层，从而达到表面强化与修复铜结晶辊、铜结晶器、电磁炮导轨、高速列车电触头等关键零部件的目的，必须针对激光－感应复合熔覆的工艺特征，开发专用的铜合金粉末。因此，本发明的目的是提供一种激光－感应复合熔覆高强高导铜合金涂层专用铜合金粉末，该专用铜合金粉末的化学成分为：Ti 2~5wt%；Mg 1~3wt%；Zr 0.1~0.5wt%；B 0.2~1wt%；Al 5~10wt%；Ni 8~15wt%；Nb 0.8~2wt%；W 3~8wt%；Hf 0.01~0.5wt%；Sc 0.05~0.5wt%；余量为Cu。

本发明所述的专用铜合金粉末通过以下工序制备：真空高频感应熔炼－雾化－筛选－活化－水洗－干燥－化学镀镍－过滤－水洗－干燥，形成的专用铜合金粉末粒度为30~50 μm。

与现有的技术相比，本发明提供的一种激光－感应复合熔覆高强高导铜合金涂层专用铜合金粉末具有以下优点：

（1）良好的工艺相容性：本发明的专用铜合金粉末在制备过程中经过了化学镀镍处理，即在铜合金粉末外表面包覆了一层镍，形成了核－壳型结构，可以有效提高专用铜合金粉末在激光－感应复合熔覆过程中的抗高温氧化性能。此外，激光－感应复合熔覆技术能够在较大的加工窗口内高效地制备表面无氧化膜、平整光滑、无气孔与无裂纹、与基材呈冶金结合的铜合金涂层，表明该专用铜合金粉末完全适合激光－感应复合熔覆的工艺特征。

（2）具有高耐磨与高导电性能：由于Zr与Al的加入，在激光－感应复合熔覆的快速熔化与快速凝固过程中，析出强化相Cu₃Zr与过饱和α-Cu固溶体，提高铜合金的强度与硬度。另外，Mg、Ti与B的加入，在激光－感应复合熔覆快速熔化与快速凝固过程中，均匀弥散析出具有优异导电性能的第二相纳米MgB₂与TiB₂颗粒，不但可以提高铜合金的硬度与耐磨性能，而且不会大幅度降低铜合金的导电性能。

（3）具有优异的高温强韧性：由于W与Nb的加入，提高了铜合金的抗高温软化温度，稀土元素Hf与Sc加入，可以有效细化晶界、强化晶界与降低杂质，从而使激光－感应复合熔覆铜合金涂层获得优异的高温强韧性能与耐蚀性能。

具体实施方式

本发明的专用铜合金粉末的化学成分为（质量百分比）：Ti 3.2%；Mg 2.5%；Zr 0.32%；B 0.5%；Al 7.5%；Ni 10%；Nb 1.6%；W 5%；Hf 0.45%；Sc 0.35；余量为Cu。

本发明的制备工序为：真空高频感应熔炼－雾化－筛选－活化－水洗－干燥－化学镀镍－过滤－水洗－干燥，形成粒度为30~50 μm的专用铜合金粉末。另外，本发明的专用铜合金粉末在制备过程中经过化学镀镍处理形成核－壳结构，提高激光－感应复合熔覆过程中的抗高温氧化性能。另外，合金元素Ti、Mg、Zr、B、Al、Ni、Nb、W的加入，提高铜合金的强度、硬度、耐磨性能，稀土元素Hf与Sc的加入能够进一步提高铜合金的强韧性与耐蚀性，使该专用铜合金粉末适合激光－感应复合熔覆快速加热与快速凝固的工艺特征，能够在较大的激光－感应复合熔覆加工窗口内成功制备无裂纹高强高导铜合金涂层。

采用本发明的专用铜合金粉末在铜结晶器表面制备高强高导铜合金涂层时，使用的激光－感应复合熔覆工艺参数为：激光功率 2~5 KW，光斑直径4~6 mm，激光扫描速度 2~5 m/min，感应加热功率 20~100 kW，送粉率 90~300 g/min，粉末喷嘴与基材表面的夹角45~53°，搭接率40~60%，获得的无裂纹高强高导铜合金涂层的主要性能指标为：硬度 420~450HBS、电导率 82~86%IACS、软化温度600~650℃，耐磨性能相对铜结晶器提高了5~8倍。