一种铜合金表面高能微弧沉积层制备与激光后处理强化工艺的制作方法

本发明涉及合金材料加工及保护技术领域，具体而言是对合金构件表面损伤进行修复及防护层制备工艺，尤其涉及一种铜合金表面高能微弧沉积层制备与激光后处理强化工艺。

背景技术：

目前合金的沉积层制备多数都采用堆焊技术、电火花沉积技术、电刷镀技术和喷涂技术，虽然堆焊技术效率较高、结合强度高、成本较低，但热输入大，易造成基体变形；而电火花沉积技术虽然热影响小，但沉积效率低、沉积厚度薄；电刷镀技术修复精度高，但沉积效率较低且易造成污染；喷涂技术修复层厚度大，但沉积层内可能会存在较多缺陷。高能微弧沉积技术以其热影响小，沉积层与基体形成冶金结合等优点在铜合金修复强化中得到广泛应用，但是传统高能微弧沉积层之间结合强度低，多次沉积时容易脱落，其厚沉积层的硬度和耐磨性难以满足使役性能要求。

技术实现要素：

根据上述提出的技术问题，而提供一种合金表面高能微弧沉积层制备及激光后处理强化工艺。本发明主要利用高能微弧技术制备沉积层并对其进行激光重熔处理。

本发明采用的技术手段如下：

一种合金表面高能微弧沉积层制备与激光后处理强化工艺，包括如下步骤：

s1：首先将待加工工件表面打磨光滑；

s2：采用高能电弧熔丝沉积成型工艺在待加工工件表面形成铜合金沉积层；

s3：将所述铜合金沉积层进行磨平处理；

s4：采用激光器对磨平后的铜合金沉积层进行激光重熔，消除内部缺陷，得到重熔沉积层。

在所述步骤s4中，激光熔融的具体工艺为：

在使用保护气的条件下用激光器发出的激光束对铜合金沉积层进行扫描熔化处理，在所有铜合金沉积层全部扫描融化处理结束后，快速冷凝，得到重熔沉积层。激光器参数为：功率500～4000w，扫描速度5～30mm/s，光斑直径3mm，氩气流量5～20l/min。

高能电弧熔丝沉积成型工艺，主要采用高能微弧电源和与其连接的沉积枪，在所述步骤s2中高能电弧熔丝沉积成型工艺中采用的高能微弧电源参数为：功率2600～3800w、占空比0.65-0.95、频率1.0～2.5hz；

在所述步骤s2中形成的合金沉积层厚度为2～3mm。

本专利结合了高能微弧与激光重熔的优势，既保证了沉积层的制备效率，同时又提高了沉积层的质量。本专利可用于铜及其合金修复及防护。

基于上述理由本发明可在合金材料加工等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式中激光重熔前后硬度变化图。

图2为本发明具体实施方式中激光重熔前后磨损率变化图。

图3为本发明具体实施方式中激光重熔前后磨痕对比图：

其中图(a)表示未重熔沉积磨痕三维形貌，图(b)表示重熔沉积层磨痕三维形貌，图(c)表示未重熔沉积层磨痕整体形貌，图(d)表示未重熔沉积磨痕微观形貌，图(e)表示重熔沉积层磨痕整体形貌，图(f)表示重熔沉积层磨痕微观形貌。

图4为本发明具体实施方式中激光重熔原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1～4所示，本发明提供了一种合金表面高能微弧沉积层制备与激光后处理强化工艺，包括如下步骤：

s1：首先将待加工工件表面打磨光滑；

s2：采用高能电弧熔丝沉积成型工艺在待加工工件表面形成铜合金沉积层；

s3：将所述铜合金沉积层进行磨平处理；

s4：采用激光器对磨平后的铜合金沉积层进行激光重熔，消除内部缺陷，得到重熔沉积层。

高能电弧熔丝沉积成型工艺，主要采用高能微弧电源和与其连接的沉积枪，在所述步骤s2中高能电弧熔丝沉积成型工艺中采用的高能微弧电源参数为：功率3400w、占空比0.75、频率2.0hz；

在所述步骤s2中形成的合金沉积层厚度为2～3mm。

在所述步骤s4中激光器参数为：功率3000w，扫描速度15mm/s，光斑直径3mm，氩气流量15l/min。

激光重熔是利用激光能量将前期制备的沉积层重新加热熔化并凝固的过程。在这一过程中伴随着原子扩散，使沉积层内应力降低，减少了裂纹出现的几率，并且消除了沉积层内部的气孔、不均匀组织，提高沉积层的力学性能，其原理如图4所示。其优点如下：1、光斑直径可控，能够实现精确的选区熔化。2、功率高，能量集中，熔化速度和凝固速度非常快，热影响区小。3、熔池的凝固过程是重结晶过程，获得的组织质量良好。喷涂制备的沉积层与基体是机械结合，往往需要改善其结合界面以提高结合强度；而高能微弧沉积层与基体已形成较好的冶金结合，然而由于沉积点密集地堆积在一起，热量积累以及横向散热通道受阻，因此形成了纵向生长的粗大柱状晶，柱状晶内部为纵向生长的枝状晶。因此激光重熔主要目的是为了消除内部组织不均匀的问题，因此应该控制重熔区域的深度，避免熔池过深而造成的沉积层元素被稀释。铜合金的热导率较高，应尽量提高功率，使能量集中。若功率不足，则热量向四周散失，导致前期沉积层难以熔化。而功率如果过高，则材料表面会在热应力作用下开裂，这与高能微弧沉积工艺类似。扫描速度越慢，金属熔化越彻底，杂质与气体就有更长的时间上浮至熔池表面。但扫描时间太长不仅重熔效率降低，而且会形成热积累，使热影响区扩大。本次试验激光器参数如下：功率3000w，扫描速度15mm/s，光斑直径3mm，氩气流量15l/min。重熔之后的沉积层表面变得更为平滑，组织得到明显改善。重熔区域之内的晶粒不再具有特定的生长方向，而是转变为取向各异的等轴晶，晶粒尺寸更为细小，组织更为均匀，并消除了沉积点之间的搭接边界。重熔工艺能够对较宽的范围内的硬度提高约20～30hv，深度约1500μm。

沉积层通过后处理工艺，沉积层的耐磨性得到了较为显著的改善。重熔后的试样耐磨性较处理前下降了35.7％，重熔处理能够减少磨痕宽度，并一定程度上减轻剥落层的厚度和犁沟的密集度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。