銅材料的激光表面強(qiáng)化研究.pdf

1、銅及銅合金因其優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能而廣泛應(yīng)用于電子、電力、冶金、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。但是銅的強(qiáng)度較低，不能完全滿足工業(yè)應(yīng)用，尤其是一些極端條件下使用的零部件，如電磁炮導(dǎo)軌、高鐵機(jī)車(chē)電力線等。強(qiáng)度的提高一直是銅合金研究的主要方向，傳統(tǒng)方法制備的銅合金在強(qiáng)度顯著提高的同時(shí)，卻是以犧牲其導(dǎo)電性能為代價(jià)的，且導(dǎo)電性隨著合金化程度的提高而降低;而表面改性技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)表面強(qiáng)度且保持銅合金整體的高導(dǎo)電性，激光技術(shù)在眾多表面改性技術(shù)中因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)

2、而具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域中。但目前利用激光技術(shù)對(duì)銅合金進(jìn)行表面強(qiáng)化的研究較少，主要受銅的光反射率高、導(dǎo)熱快等特性影響。因此，如何尋找或改進(jìn)工藝，有效地提高銅材料表面強(qiáng)度是目前激光強(qiáng)化銅合金技術(shù)研究的重點(diǎn)。
　　 本論文研究目的是利用激光技術(shù)對(duì)純銅進(jìn)行表面強(qiáng)化，使其兼具表面高耐磨性和整體高導(dǎo)電性。基于此，通過(guò)對(duì)激光表面強(qiáng)化的工藝設(shè)計(jì)，選擇相對(duì)激光熔覆而言對(duì)導(dǎo)電性影響更小的激光合金化工藝，并使用預(yù)置粉末法來(lái)提高基

3、體的光吸收;根據(jù)合金化材料的選擇原則使用潤(rùn)濕性較好的Ni基合金粉末作為強(qiáng)化材料。通過(guò)大量前期實(shí)驗(yàn)進(jìn)行工藝優(yōu)化，獲得了最佳參數(shù)，不同樣品尺寸對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)略有不同，重點(diǎn)研究了掃描速度對(duì)合金強(qiáng)化層的組織和性能的影響。在此基礎(chǔ)上，使用Ni基合金對(duì)純銅進(jìn)行表面強(qiáng)化，然后利用激光原位合成技術(shù)分別將兩種陶瓷顆粒（TaC和NbC）加入Ni基合金強(qiáng)化層以提高其耐磨性，分析了不同合金強(qiáng)化層的組織特征和形成機(jī)理，研究了樣品的顯微硬度、耐磨性能和導(dǎo)電性能的變

4、化。主要結(jié)論如下:
　　 1.通過(guò)預(yù)涂粉末方法提高純銅對(duì)CO2激光的吸收，有效完成銅基材的激光表面強(qiáng)化，工藝參數(shù):基材尺寸50mm×30 mm×5 mm，激光功率2.2kW，掃描速度4 mm/s，離焦量50 mm，預(yù)涂層厚度0.9 mm，搭接率40％。而在基材尺寸為50mm×25 mm×5 mm，只需激光功率改為2 kW即可。
　　 2.掃描速度是本論文工藝中的關(guān)鍵參數(shù)，隨掃描速度在一定范圍內(nèi)的增加，晶粒細(xì)化，硬度提高，

5、合金化程度高，稀釋率大，因此可以制備出表面高耐磨的高導(dǎo)電銅基材料。
　　 3.強(qiáng)化層均無(wú)裂紋，組織細(xì)小、致密，均勻彌散分布在基體中，具有典型的快速凝固特征。(Cu，Ni，F(xiàn)e)固溶體的形成表明Ni基合金與銅材料有很好的浸潤(rùn)性，為冶金結(jié)合。
　　 4.Ni合金強(qiáng)化層的平均硬度高達(dá)HV0.1650，是純銅基材的7倍;耐磨性提高了4倍，主要是顆粒強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化共同作用的結(jié)果。而兩種陶瓷顆粒強(qiáng)化層的硬度和耐磨性均有顯著

6、提高，其中TaC顆粒強(qiáng)化層效果更好，平均硬度是Ni基合金強(qiáng)化層的1.56倍;磨損失重僅為Ni基合金強(qiáng)化層的2/5。這主要?dú)w因于原位生成的細(xì)小的高硬度的陶瓷顆粒及其彌散分布。
　　 5.激光表面強(qiáng)化技術(shù)并未使銅基材的導(dǎo)電性能明顯降低，而導(dǎo)電性能的下降程度取決于合金化程度（稀釋率）的影響，稀釋率大，則導(dǎo)電率高，合適的稀釋率可以保持導(dǎo)電率在90％IACS以上。因此，優(yōu)化工藝參數(shù)控制合適的稀釋率是制備出表面高耐磨高導(dǎo)電銅基復(fù)合材料的關(guān)鍵

7、。
　　 6.銅材料的導(dǎo)電性能主要受Ni基合金的影響，而受陶瓷顆粒的加入影響很小。不同的陶瓷顆粒對(duì)導(dǎo)電性能的影響有所差別，就本文兩種陶瓷顆粒比較而言，NbC顆粒的加入影響略小。適量加入陶瓷顆?？梢源蠓岣咩~材料的表面性能而對(duì)導(dǎo)電性能僅有微小的影響，為制備陶瓷顆粒增強(qiáng)表面改性銅基復(fù)合材料提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　 7.相對(duì)于其他表面技術(shù)，激光表面強(qiáng)化使合金層與基材形成了牢固的冶金結(jié)合，而且極大地提高了表面性能，甚至賦予表面特殊