专利名称：一种激光－感应复合熔覆制备高强高导铜基合金涂层的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备高强高导铜基合金涂层的方法，尤其涉及一种激光一感应复合熔覆制备高强高导铜基合金涂层的方法。
背景技术：
在具有一定强度的基材表面制备出高强高导铜基合金涂层，既可以充分发挥基材的塑性、韧性或者高比强度的优势，也可以充分利用高强高导铜基合金涂层的高导电与高导热、闻硬度、闻耐磨与闻耐蚀性能，从而大幅度提升基材的整体性能(闻强度、闻朝性、闻比强度、高比刚度、高硬度与高耐磨、高导电与高导热性能的结合)。因此，高强高导铜基合金涂层在航空、航天、汽车、冶金、电力等广泛使用铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金的表面强化与修复领域具有广阔的应用前景。
目前，制备铜基合金涂层的方法主要有等离子喷涂、冷喷涂与激光熔覆。其中，在等离子喷涂制备铜基合金涂层过程中，铜基合金粉末存在高温易氧化以及涂层内存在大量气孔、显微裂纹、与基材之间结合力差等问题，导致制备的铜基合金涂层存在耐磨与耐蚀性能较差，以及在使用过程中易剥落等缺点(王智平，刘俊钊，路阳，杨效田.超音速等离子制备多元铝青铜合金涂层的组织，特种铸造及有色合金，2012，32 (I) :9 — 12)。冷喷涂技术是一种新兴的表面工程技术，具有喷涂温度低、无相变及氧化现象，形成的涂层致密与孔隙率低等优点而被广泛关注。尽管冷喷涂制备铜基合金涂层过程中可以克服铜基合金粉末高温易氧化的问题，但是制备的铜基合金涂层与基体之间的结合强度仍不高，很大程度上限制了铜基合金涂层的应用领域(肖正涛.冷喷涂铜合金涂层制备工艺及其防护性能研究，硕士学位论文，中国海洋大学，2011 )。相对于等离子喷涂与冷喷涂而言，激光熔覆制备铜基合金涂层具有组织致密、稀释率低、与基材呈结合强度高的冶金结合等优点。但是，在激光熔覆铜基合金涂层过程中，铜基合金粉末也存在高温易氧化的问题，而且由于基体(铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金)具有较高的反射率与导热率，导致对激光束能量的吸收率较低，无法实现自动送粉式激光熔覆。因此，通常采用两步法进行激光熔覆首先采用粘结剂将铜基合金粉末预置于基体表面，然后用激光束加热使其熔化而获得与基体呈冶金结合的铜基合金涂层(魏广玲.铝合金表面激光熔覆铜基复合涂层研究，硕士学位论文，大连理工大学，2010)。这种方法虽然简单易操作，克服了基体对激光束反射率高的问题，但是该方法的加工窗口窄与加工效率低，通常仅局限于平整表面的工件，对于复杂曲面零部件难以获得厚度均匀、组织与性能一致的铜基合金涂层，而且粘结剂在激光熔覆过程中易因为挥发或燃烧，在铜基合金涂层内形成诱导涂层开裂的气孔。
众所周知，铜合金的强度与导电、导热呈相互矛盾的关系。因此，到目前为止，上述的三种方法(等离子喷涂、冷喷涂与激光熔覆)很难在高效率条件下，制备不但具有组织致密、无气孔与裂纹，而且还具备闻强度与闻朝性、闻导电与闻导热、闻耐磨与闻耐蚀等综合性能优异的高强高导铜基合金涂层。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一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 (I — 2)564 — 572)引起了人们的广泛兴趣。但是，关于激光一感应复合熔覆制备高强高导铜基合金涂层的方法并未见文献报道。发明内容
本发明的目的在于提供一种激光一感应复合熔覆制备高强高导铜基合金涂层的方法。本发明所用的专用铜基合金粉末经过化学镀镍处理形成具有核一壳结构的镍包铜基合金粉末后，具有流动性好、抗高温氧化性能优异等特点，克服了激光一感应复合熔覆过程中高温易氧化的问题。另外，基体(铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金)经过化学镀镍以及感应预热之后，大幅度提高了对激光束能量的吸收率，同时，也大幅度地降低了激光一感应复合熔覆过程中的温度梯度，消除了铜基合金涂层中的气孔与裂纹等缺陷，而且制备的铜基合金涂层与经过化学镀镍处理的基体具有良好的相容性与润湿性，大幅度提高了铜基合金涂层与基体之间的结合强度。因此，采用本发明的方法可以在熔覆效率提高5 10倍的条件下，制备兼具高强度与高硬度、高耐磨与高耐蚀、高导电与高导热的高强高导铜基合金涂层。
本发明是这样来实现的，其方法与步骤为(I)将专用铜基合金粉末进行酸洗、活化、化学镀镍与烘干处理，形成具有核一壳结构的镍包铜基合金粉末，提高其抗高温氧化性能，然后放置于旁轴自动送粉器的装料斗内；(2 )对基体表面进行除油、除锈、活化与化学镀镍处理，提高基体表面对激光束能量的吸收率；(3)将高频感应加热线圈与基体表面之间的距离控制在2 15mm内，调节感应加热功率，使基体表面被感应加热的温度为50(T900°C，同时利用铜管对感应加热区吹入Ar气；(4)将CO2激光器产生的激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用粉末喷嘴将具有核一壳结构的镍包铜基合金粉末吹入激光一感应复合熔覆热源形成的熔池内，当激光一感应复合熔覆热源移开后，熔融的镍包铜基合金粉末快速凝固结晶形成高强高导铜基合金涂层。其中，激光功率2 5 kff,激光扫描速度为1000 5000 mm/min，粉末喷嘴直径3 5. 8 mm，激光光斑直径4 6 mm，粉末流量60 180 g/min，粉末喷嘴与基体表面化学镀镍层表面法向间的夹角为37 45°，粉末喷嘴与基体表面化学镀镍层垂直距离为12 20 mm ；(5)当激光一感应复合熔覆制备完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为激光光斑直径的40 60% ；(6)检测高强高导铜基合金涂层的厚度是否达到预期的要求，如果没有，将激光头沿Z 轴方向上升一段距离ΛΖ，该距离ΛΖ为上一铜基合金涂层的厚度，重复步骤(3) —(5)，直到高强高导铜基合金涂层达到所要求的厚度。
本发明所述的合金粉末为专用铜基合金粉末，其化学成分为A1 2. (Γ15. O wt. %， Cr O. 2 2. O wt. %, Zr O. 03 I. O wt. %, Ni 2 5 wt. %, Fe 5 30 wt. %，余量为 Cu，粒径为 20 60 μ mD
本发明在进行所述的步骤(I)时，专用铜基合金粉末酸洗与活化配方为将 40°/Γ60%盐酸与O. 5°/Γ2%硝酸形成的混合酸液洗涤专用铜基合金粉末，1(Γ20分钟后用去离子水清洗，然后用8% 15%的盐酸活化经酸洗的专用铜基合金粉末，15^30分钟后用去离子水清洗至中性。
本发明在进行所述的步骤(I)时，专用铜基合金粉末化学镀镍的配方为硫酸镍 20 50 g/Ι，联胺60 85 ml/1，焦磷酸钾30 70 g/Ι，醋酸钯O. 05 g/1，25% 30%氨水5 20 ml/1, pH值为11 14，温度75 90°C，时间20 60 min，机械搅拌转速120 250 r/min, 超声分散频率3(T80 kHZ，专用铜基合金粉末表面形成镍包覆层的厚度为f 15
本发明在所述的步骤(2)时，基体是铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金。
本发明在进行所述的步骤(2)时，铝及铝合金进行两次化学镀镍与退火处理。其中，第一次化学镀镍配方为硼酸5 10 g/Ι，硫酸镍2(T40 g/1，次亚磷酸钠2(T35 g/1, 焦磷酸钠5 18 g/Ι，柠檬酸三钠20 50 g/L，氯化铁25 35 g/Ι，三乙醇胺8 16 ml/1, pH 值8 12，温度4(T65°C，时间3 10 min ;第二次化学镀镍配方为硫酸镍15 25 g/Ι，次亚磷酸钠20 35 g/Ι，醋酸钠10 30 g/Ι，焦磷酸钠5 18 g/Ι，柠檬酸三钠15 25 g/Ι，硫脲 O. 0008、. 0015 g/Ι，十二烷基硫酸钠 O. 008、. 02 g/l，pH 值 8 12，温度 60 85°C，时间4(T90 min。另外，铝及铝合金化学镀镍之后进行30(T50(TC+2 4h退火。
本发明在进行所述的步骤(2)时，镁及镁合金活化配方为铬酐11(T140 g/1，硝酸10(Tl20 ml/1，氢氟酸35(T400 ml/1 ;化学镀镍配方为硫酸镍2(T30 g/1，磷酸二氢钠20 40 g/Ι，乳酸20 35 g/Ι，氢氟酸8 20 ml/1，硫脲O. Tl mg/1, pH值7. 5 9，温度 80 95°C，时间 I. 5 3 ho
本发明在进行所述的步骤(2)时，铜及铜合金化学镀镍配方为硫酸镍2(T40 g/ 1，柠檬酸钠10 30 g/Ι，次亚磷酸钠25 35 g/Ι，碘酸钾I 10 mg/l，pH值7 10，温度 40-60。。。
本发明的优点是(1)专用铜基合金粉末经化学镀镍处理后，形成具有核一壳结构的镍包铜基合金粉末，克服了激光一感应复合熔覆过程中铜基合金粉末高温易氧化的问题；(2)具有高反射率与高热导率特性的基材，如铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金，经化学镀镍与感应加热处理后，极大地提高了对激光束能量的吸收率，同时大幅度降低了激光一感应复合熔覆过程中的温度梯度，可以在熔覆效率提高5 10倍的条件下，制备稀释率低、组织致密、与基材呈冶金结合、无气孔与无裂纹的铜基合金涂层；(3)制备的铜基合金涂层具有高强度与高硬度、高耐磨与高耐蚀、高导电与高导热、较高的软化温度以及优异的抗高温氧化等综合性能。
图I激光一感应复合熔覆制备高强高导铜基合金涂层装置示意图。
图2专用铜基合金粉末化学镀镍装置示意图。
图3具有核一壳结构的镍包铜基合金粉末的结构示意图。
图4基材表面化学镀镍装置示意图。
图5基材表面化学镀镍后结构示意图。
具体实施方式
实施例I在LY12铝合金(Al-4. 4Cu-l. 5Mg-0. 6Mn)表面采用激光一感应复合熔覆，制备尺寸为80 mmX50mmXl. 2 mm (长X宽X高)高强高导铜基合金涂层，检测的性能为硬度达300HBS、抗拉强度820MPa、电导率78%IACS、软化温度550°C、稀释率8. 5%、耐磨性能相对 LY12铝合金可以提高2. 5倍、显微组织致密、无气孔与裂纹、与基体形成冶金结合。具体实施过程如图I、图2、图3、图4与图5所示(1)首先，对专用铜基合金粉末20进行酸洗、活化处理。其中，专用铜基合金粉末20的化学成分为A1 5. O wt. %, Cr O. 8 wt. %, Zr O. 05 wt. %, Ni 2 wt. %, Fe 10 wt.%，余量为 Cu,平均粒径为20 μ m ;酸洗与活化工艺为将40%盐酸与O. 8%硝酸形成的混合酸液洗涤专用铜基合金粉末20，30分钟后用去离子水清洗。其次，用8%的盐酸活化经酸洗的专用铜基合金粉末20，18分钟后用去离子水清洗至中性，再将专用铜基合金粉末20放置于装有化学镀镍液25的化学镀槽27内，机械搅拌器22对放置有温度计21的化学镀镍液25进行搅拌，搅拌转速为180 r/min，化学镀槽27放置于恒温水浴锅23的水26内，恒温水浴锅23放置于装配有加热功能的超声分散仪24的上面，超声分散频率40 kHz。其中，化学镀镍液25 的配方为硫酸镍25 g/Ι，联胺65 ml/1，焦磷酸钾38 g/Ι，醋酸钯0.05 g/l，25% 30% 氨水8 ml/l，pH值为11，温度75°C，时间30 min。专用铜基合金粉末20经过化学镀镍后， 在120°C + 2h的条件下烘干，形成具有核一壳结构且镍包覆层厚度为5 μ m的镍包铜基合金粉末8，再将镍包铜基合金粉末8放置于自动送粉器9的装料斗7内；(2)首先，用10%Na0H溶液在55°C条件下，对LY12铝合金19表面进行除油、除锈处理。 其次，将LY12铝合金19在32%HN03溶液中浸蚀25s进行表面活化处理。最后，将经过活化处理的LY12铝合金19放置于装有化学镀镍液30的化学镀槽32内进行两次化学镀镍处理，温度计21放置于化学镀镍32内监测化学镀液32的温度，化学镀槽32放置于恒温水浴锅28内的水31内，恒温水浴锅28放置于加热器29的上面。其中，第一次化学镀镍时化学镀液32的配方为硼酸5 g/Ι、硫酸镍22 g/Ι、次亚磷酸钠23 g/Ι、焦磷酸钠8 g/Ι、柠檬酸三钠28 g/L、氯化铁25 g/Ι、三乙醇胺10 ml/l，pH值8. 5，温度为45°C，时间5 min ;第二次化学镀镍时化学镀液32的配方为硫酸镍17 g/Ι、次亚磷酸钠25 g/Ι、醋酸钠16 g/ L、焦磷酸钠8 g/Ι、柠檬酸三钠18 g/Ι、硫脲O. 0008 g/Ι、十二烷基硫酸钠O. 001 g/1,pH 值到9，温度65°C，时间50 min。LY12铝合金19经过化学镀镍之后进行300°C +4h退火处理，在LY12铝合金19表面形成厚度为10 μ m的化学镀镍层14 ；(3)将LY12铝合金19表面化学镀镍层14与感应加热线圈10之间的距离调整为5.5 _，通入电流至感应加热线圈10,并利用计算机I调节感应加热线圈10的感应加热功率,使 LY12铝合金19表面的化学镀镍层14被感应加热的温度为570°C，同时利用铜管18向感应加热区11吹入氮气作为保护气体，防止感应加热区11的高温氧化；(4)C02激光器2发出的激光束经过导光系统3传输到位于激光头4内的聚焦镜5形成光斑直径为4 mm的圆形光斑,然后将圆形光斑与自动送粉器9的粉末喷嘴6定位于感应加热区11内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用粉末喷嘴6将镍包铜基合金粉末8吹入激光一感应复合熔覆热源形成的熔池17内，镍包铜基合金粉末8在熔池17内发生熔化并在LY12铝合金19上面的镀镍层14的表面铺开，当激光束与感应加热源移开后，熔融层7冷却并凝固结晶形成高强高导铜基合金涂层15。其中，激光功率2. 5 kW，激光扫描速度为 2200mm/min,粉末喷嘴直径3. 5 mm,激光光斑直径4_，粉末流量85 g/min,粉末喷嘴6与 LY12铝合金19表面的化学镀镍层14法向间的夹角为37°，粉末喷嘴6与LY12铝合金19 表面的化学镀镍层14垂直距离为15 mm ；(5)当激光感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向(Y轴方向)移动数控机床13，其移动的距离为2. 4 mm，从而控制涂层的搭接率为40% ；(6)检测高强高导铜基合金涂层15的厚度是否达到预期的要求，如果没有，将激光头沿Z轴方向上升一段距离ΛΖ，该距离ΛΖ为上一铜基合金涂层的厚度，重复步骤(3) —(5)，直到高强高导铜基合金涂层15达到所要求的厚度。
实施例2在 AM60B 镁合金(Mg-8. 5A1-0. 2Μη_0· 55Ζη_0· lSi-0. 03Cu_0. 002Ν -0. 005Fe)表面采用激光一感应复合熔覆，制备尺寸为60 mmX30mmX2.0 mm (长X宽X高)高强高导铜基合金涂层，检测的性能为硬度达350HBS、抗拉强度850MPa、电导率82%IACS、软化温度 580°C、稀释率7. 5%、耐磨性能相对AM60B镁合金可以提高4倍、显微组织致密、无气孔与裂纹、与基体形成冶金结合。具体实施过程如图I、图2、图3、图4与图5所示(O首先，对专用铜基合金粉末20进行酸洗、活化处理。其中，专用铜基合金粉末20 的化学成分为A1 10 wt. %，Cr O. 5 wt. %，Zr O. 08 wt. %，Ni 3. 5 wt. %，Fe 15 wt. %，余量为Cu，平均粒径为30 μ m ;酸洗与活化工艺为将50%盐酸与I. 2%硝酸形成的混合酸液洗涤专用铜基合金粉末20，28分钟后用去离子水清洗。其次，用12%的盐酸活化经酸洗的专用铜基合金粉末20，20分钟后用去离子水清洗至中性，再将专用铜基合金粉末20放置于装有化学镀镍液25的化学镀槽27内，机械搅拌器22对放置有温度计21的化学镀镍液25 进行搅拌，搅拌转速为220 r/min,化学镀槽27放置于恒温水浴锅23的水26内，恒温水浴锅23放置于装配有加热功能的超声分散仪24的上面，超声分散频率60 kHz。其中，化学镀镍液25的配方为硫酸镍35 g/Ι，联胺72 ml/1，焦磷酸钾52 g/Ι，醋酸钯0.05 g/1, 25% 30%氨水15 ml/l，pH值为12. 5，温度82°C，时间45 min。专用铜基合金粉末20经过化学镀镍后，在100°C + 3h的条件下烘干，形成具有核一壳结构且镍包覆层厚度为10 μ m的镍包铜基合金粉末8，再将镍包铜基合金粉末8放置于自动送粉器9的装料斗7内；(2)首先，用55g/l1^207、258/1謂03与18g/lK2C03组成的溶液在75°C条件下浸蚀 AM60B镁合金19表面lOmin，对AM60B镁合金19表面进行除油、除锈处理。其次，将AM60B 镁合金19表面进行活化处理，活化配方为铬酐130 g/Ι，硝酸110 ml/1，氢氟酸380 ml/ I。最后，将经过活化处理的AM60B镁合金19放置于装有化学镀镍液30的化学镀槽32内进行化学镀镍处理，温度计21放置于化学镀镍32内监测化学镀液32的温度，化学镀槽32 放置于恒温水浴锅28内的水31内，恒温水浴锅28放置于加热器29的上面。其中，化学镀镍时化学镀液32的配方为硫酸镍28 g/Ι，磷酸二氢钠35 g/Ι，乳酸30 g/Ι，氢氟酸16 ml/1，硫脲0.8 mg/l，pH值为8，温度85°C，时间2 h。AM60B镁合金19经过化学镀镍之后进行350°C +3h退火处理，在AM60B镁合金19表面形成厚度为15 μ m的化学镀镍层14 ；(3)将AM60B镁合金19表面化学镀镍层14与感应加热线圈10之间的距离调整为7 _，通入电流至感应加热线圈10,并利用计算机I调节感应加热线圈10的感应加热功率,使 LY12铝合金19表面的化学镀镍层14被感应加热的温度为615°C，同时利用铜管18向感应加热区11吹入氮气作为保护气体，防止感应加热区11的高温氧化；(4)C02激光器2发出的激光束经过导光系统3传输到位于激光头4内的聚焦镜5形成光斑直径为5 mm的圆形光斑,然后将圆形光斑与自动送粉器9的粉末喷嘴6定位于感应加热区11内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用粉末喷嘴6将镍包铜基合金粉末8吹入激光一感应复合熔覆热源形成的熔池17内，镍包铜基合金粉末8在熔池17内发生熔化并在AM60B镁合金19上面的镀镍层14的表面铺开，当激光束与感应加热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成高强高导铜基合金涂层15。其中，激光功率3. 5 kW，激光扫描速度为 3500mm/min，粉末喷嘴直径4. 5 _，激光光斑直径5_，粉末流量120 g/min，粉末喷嘴6与 AM60B镁合金19表面的化学镀镍层14法向间的夹角为40 °，粉末喷嘴6与AM60B镁合金 19表面的化学镀镍层14垂直距离为18 mm ；(5)当激光感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向(Y轴方向)移动数控机床13，其移动的距离为2. 5 mm，从而控制涂层的搭接率为50% ；(6)检测高强高导铜基合金涂层15的厚度是否达到预期的要求，如果没有，将激光头沿Z轴方向上升一段距离ΛΖ，该距离ΛΖ为上一铜基合金涂层的厚度，重复步骤(3) —(5)，直到高强高导铜基合金涂层15达到所要求的厚度。
实施例3在QA15铜合金(CU-7A1)表面采用激光一感应复合熔覆，制备尺寸为120 mmX60mmX2. 5 mm(长X宽X高)高强高导铜基合金涂层，检测的性能为硬度达400HBS、 抗拉强度870MPa、电导率85%IACS、软化温度600°C、稀释率7. 0%、耐磨性能相对QA15铜合金可以提高5倍、显微组织致密、无气孔与裂纹、与基体形成冶金结合。具体实施过程如图I、图2、图3、图4与图5所示(1)首先，对专用铜基合金粉末20进行酸洗、活化处理。其中，专用铜基合金粉末20 的化学成分为A1 15 wt. %, Cr I. 5 wt. %, Zr I. O wt. %, Ni 4. 5 wt. %, Fe 5 wt. %,余量为 Cu,平均粒径为45 μ m ;酸洗与活化工艺为将55%盐酸与I. 5%硝酸形成的混合酸液洗涤专用铜基合金粉末20，10分钟后用去离子水清洗。其次，用15%的盐酸活化经酸洗的专用铜基合金粉末20，15分钟后用去离子水清洗至中性，再将专用铜基合金粉末20放置于装有化学镀镍液25的化学镀槽27内，机械搅拌器22对放置有温度计21的化学镀镍液25进行搅拌，搅拌转速为250 r/min,化学镀槽27放置于恒温水浴锅23的水26内，恒温水浴锅23 放置于装配有加热功能的超声分散仪24的上面，超声分散频率80 kHz。其中，化学镀镍液 25的配方为硫酸镍35 g/Ι，柠檬酸钠20 g/Ι，次亚磷酸钠30 g/Ι，碘酸钾8 mg/1，pH值 9，温度58°C，时间3h。专用铜基合金粉末20经过化学镀镍后，在110°C+ 2. 5h的条件下烘干，形成具有核一壳结构且镍包覆层厚度为18 μ m的镍包铜基合金粉末8，再将镍包铜基合金粉末8放置于自动送粉器9的装料斗7内；(2)首先，用40%Na0H溶液在80°C条件下浸蚀QA15铜合金19表面20min，然后用70°C 热水清洗5min，对QA15铜合金19表面进行除油、除锈处理。其次，将QA15铜合金19表面进行预镀镍活化处理，活化配方为氯化镍250 g/l、32%盐酸350 ml/1、阳极为镍板、QA15 铜合金19作为阴极、电流密度6.5 A/dm2，时间4min。最后，将经过活化处理的QA15铜合金19放置于装有化学镀镍液30的化学镀槽32内进行化学镀镍处理，温度计21放置于化学镀镍32内监测化学镀液32的温度，化学镀槽32放置于恒温水浴锅28内的水31内，恒9温水浴锅28放置于加热器29的上面。其中，化学镀镍时化学镀液32的配方为硫酸镍30 g/Ι，柠檬酸钠20 g/Ι，次亚磷酸钠30 g/Ι，碘酸钾18 1^/1，？!1值9，温度551，时间2.511。 QA15铜合金19经过化学镀镍之后进行400°C +2h退火处理，在QA15铜合金19表面形成厚度为25 μ m的化学镀镍层14 ；(3)将QA15铜合金19表面化学镀镍层14与感应加热线圈10之间的距离调整为10 _，通入电流至感应加热线圈10,并利用计算机I调节感应加热线圈10的感应加热功率,使 QA15铜合金19表面的化学镀镍层14被感应加热的温度为820°C，同时利用铜管18向感应加热区11吹入氮气作为保护气体，防止感应加热区11的高温氧化；(4)C02激光器2发出的激光束经过导光系统3传输到位于激光头4内的聚焦镜5形成光斑直径为6mm的圆形光斑,然后将圆形光斑与自动送粉器9的粉末喷嘴6定位于感应加热区11内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用粉末喷嘴6将镍包铜基合金粉末8吹入激光一感应复合熔覆热源形成的熔池17内，镍包铜基合金粉末8在熔池17内发生熔化并在QA15铜合金19上面的镀镍层14的表面铺开，当激光束与感应加热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成高强高导铜基合金涂层15。其中，激光功率4. 7 kW，激光扫描速度为 4800mm/min，粉末喷嘴直径5. 5 _，激光光斑直径6_，粉末流量150 g/min，粉末喷嘴6与 QA15铜合金19表面的化学镀镍层14法向间的夹角为45°，粉末喷嘴6与QA15铜合金19 表面的化学镀镍层14垂直距离为20 mm ；(5)当激光感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向(Y轴方向)移动数控机床13，其移动的距离为2. 4 _，从而控制涂层的搭接率为60% ；(6)检测高强高导铜基合金涂层15的厚度是否达到预期的要求，如果没有，将激光头沿Z轴方向上升一段距离ΛΖ，该距离ΛΖ为上一铜基合金涂层的厚度，重复步骤(3) —(5)，直到高强高导铜基合金涂层15达到所要求的厚度。
权利要求
1.一种激光一感应复合熔覆制备高强高导铜基合金涂层的方法，其特征是方法与步骤为(I)将专用铜基合金粉末进行酸洗、活化、化学镀镍与烘干处理，形成具有核一壳结构的镍包铜基合金粉末，然后放置于自动送粉器的装料斗内；(2 )对基体表面进行除油、除锈、活化与化学镀镍处理，提高基体表面对激光束能量的吸收率，其中基体表面化学镀镍层厚度为8 30 μ m ；(3)将高频感应加热线圈与基体表面之间的距离控制在2 15mm内，调节感应加热功率，使基体表面被感应加热的温度为50(T900°C，同时利用铜管对感应加热区吹入Ar气；(4)将CO2激光器产生的激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用粉末喷嘴将具有核一壳结构的镍包铜基合金粉末吹入激光一感应复合熔覆热源形成的熔池内，当激光一感应复合熔覆热源移开后，熔融的镍包铜基合金粉末快速凝固结晶形成高强高导铜基合金涂层；其中，激光功率2 5 kW，激光扫描速度为1000 5000 mm/min，粉末喷嘴直径3 5. 8 mm，激光光斑直径4 6 mm，粉末流量60 180 g/min，粉末喷嘴与基体表面化学镀镍层表面法向间的夹角为37 45°，粉末喷嘴与基体表面化学镀镍层垂直距离为12 20 mm ；(5)当激光一感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为激光光斑直径的4(Γ60% ；(6)检测高强高导铜基合金涂层的厚度是否达到预期的要求，如果没有，将激光头沿Z 轴方向上升一段距离ΛΖ，该距离ΛΖ为上一铜基合金涂层的厚度，重复步骤(3) —(5)，直到高强高导铜基合金涂层达到所要求的厚度。
2.根据权利要求I所述的一种激光一感应复合熔覆制备高强高导铜基合金涂层的方法，其特征在于所用合金粉末为专用铜基合金粉末，其化学成分为Al 2. 0^15.0 wt. %, CrO.2 2. O wt. %，Zr O. 03 I. O wt. %，Ni 2 5 wt. %，Fe 5 30 wt. %，余量为 Cu，粒径为 20 60 μ m0
3.根据权利要求I所述的一种激光一感应复合熔覆制备高强高导铜基合金涂层的方法，其特征在于进行所述的步骤(I)时，专用铜基合金粉末酸洗与活化配方为将409Γ60% 盐酸与O. 59Γ2%硝酸形成的混合酸液洗涤专用铜基合金粉末，1(Γ20分钟后用去离子水清洗，然后用8% 15%的盐酸活化经酸洗的专用铜基合金粉末，15^30分钟后用去离子水清洗至中性。
4.根据权利要求I所述的一种激光一感应复合熔覆制备高强高导铜基合金涂层的方法，其特征在于进行所述的步骤(I)时，专用铜基合金粉末化学镀镍的配方为硫酸镍 20 50 g/Ι，联胺60 85 ml/1，焦磷酸钾30 70 g/Ι，醋酸钯O. 05 g/1，25% 30%氨水5 20 ml/l，pH值11 14，温度75 90°C，时间20 60 min，机械搅拌转速120 250 r/min，超声分散频率3(T80 kHz，专用铜基合金粉末表面形成镍包覆层的厚度为1 20
5.根据权利要求I所述的一种激光一感应复合熔覆制备高强高导铜基合金涂层的方法，其特征在于进行所述的步骤(2)时，基体是铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金。
6.根据权利要求I所述的一种激光一感应复合熔覆制备高强高导铜基合金涂层的方法，其特征在于进行所述的步骤(2)时，铝及铝合金进行两次化学镀镍与退火处理，其中， 第一次化学镀镍配方为硼酸5 10 g/Ι，硫酸镍2(T40 g/1，次亚磷酸钠2(T35 g/1，焦磷酸钠5 18 g/Ι，柠檬酸三钠20 50 g/Ι，氯化铁25 35 g/Ι，三乙醇胺8 16 ml/1, pH {t 8 12，温度4(T65°C，时间3 10 min ;第二次化学镀镍配方为硫酸镍15 25 g/Ι，次亚磷酸钠20 35 g/Ι，醋酸钠10 30 g/L，焦磷酸钠5 18 g/Ι，柠檬酸三钠15 25 g/Ι，硫脲O.0008 O. 0015 g/Ι，十二烷基硫酸钠 O. 008、. 02 g/l，pH 值 8 12’温度 60 85°C，时间 40^90 min，另外，铝及铝合金化学镀镍之后进行30(T50(rC +2 4h退火。
7.根据权利要求I所述的一种激光一感应复合熔覆制备高强高导铜基合金涂层的方法，其特征在于进行所述的步骤(2)时，镁及镁合金活化配方为铬酐11(T140 g/1，硝酸10(Tl20 ml/1，氢氟酸35(T400 ml/1 ;化学镀镍配方为硫酸镍2(T30 g/1，磷酸二氢钠20 40 g/Ι，乳酸20 35 g/Ι，氢氟酸8 20 ml/1，硫脲O. Tl mg/1, pH值7. 5 9，温度 80 95°C，时间 I. 5 3 ho
8.根据权利要求I所述的一种激光一感应复合熔覆制备高强高导铜基合金涂层的方法，其特征在于进行所述的步骤(2)时，铜及铜合金化学镀镍配方为硫酸镍2(T40 g/1，柠檬酸钠10 30 g/Ι，次亚磷酸钠25 35 g/Ι，碘酸钾I 10 mg/1，pH值7 10，温度40-60。。， 时间2 3h。
全文摘要
一种激光－感应复合熔覆制备高强高导铜基合金涂层的方法，该方法的特点是首先，对专用铜基合金粉末进行化学镀镍处理，形成具有核－壳结构的镍包铜基合金粉末，然后，对基体表面进行除油、除锈与表面活化以及化学镀镍处理；最后，采用激光－感应复合熔覆的方法在基体表面制备高强高导铜基合金涂层。本发明具有加工效率高、成本低以及技术经济效益好等优点，在航空、航天、汽车、冶金、电力等广泛使用铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金的表面强化与修复领域具有广阔的应用前景。
文档编号C23C24/10GK102912342SQ20121044968
公开日2013年2月6日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者周圣丰, 戴晓琴, 张天佑, 吴超 申请人:南昌航空大学