一种具有高硬导电表面的铜基复合材料及其激光增材制造方法技术

本发明专利技术公开了一种具有高硬导电表面的铜基复合材料的激光增材制造方法，其中所述高硬导电表面的铜基复合材料指Cu/Fe/Cr复合覆层，即以铜为基体、在铜基体表面依次为Fe基覆层和Cr基覆层。本发明专利技术采用激光熔覆装置、通过高速激光熔覆法，通过优化激光熔覆过程中的各工艺，比如Fe基覆层制备采用正离焦激光、铬基覆层采用负离焦激光等工艺，而实现了在铜基体表面依次制得具有高稀释率的Fe基覆层和低稀释率的Cr基覆层，获得具有特定成分、结构分布及高硬度高导电性的Cu/Fe/Cr复合覆层，其电导率最高达16.8%IACS、显微维氏硬度达到420HV。显微维氏硬度达到420HV。显微维氏硬度达到420HV。

【技术实现步骤摘要】
一种具有高硬导电表面的铜基复合材料及其激光增材制造方法


[0001]本专利技术具体涉及一种具有高硬导电表面的铜基复合材料及其激光增材制造方法。

技术介绍

[0002]铜及铜合金具有高导电性和高导热性，因而被广泛应用于机械制造、电气电子、航空航天、海洋工业、汽车工业和军事工业等，是国民经济和科技发展的重要基础材料，但是铜的硬度低、耐磨性较差、不耐高温、不耐电弧烧蚀等问题突出，很大程度影响了其应用范围，制约了铜及铜合金在引线框架、电磁导轨、电触头等领域的发展。
[0003]铁铬合金是常见的不锈钢模型合金材料，具有较高的硬度和延展性，不易生锈耐腐蚀，耐高温腐蚀，常用于污染较重的工业区及海洋工业。同时，铁铬还具有良好的导电性和耐电弧烧蚀的性能，因此在电触头、电磁轨道等领域均存在较大应用前景。
[0004]激光熔覆是材料表面改性的重要手段。然而由于铜优异的导热性和高反射率，使得常规激光熔覆技术难以在铜基表面实现熔覆。

技术实现思路

[0005]为了克服常规激光熔覆难以在铜表面制备出具有高硬度铬基覆层的技术问题，本专利技术公开一种利用铁作为过渡和强化媒介的高硬度铬基覆层的材料设计和制备方法。
[0006]本专利技术之所以在铜表面制备铬覆层前增加熔覆Fe基覆层，是考虑到铬在铜中固溶度极低（最大固溶度仅0.56 wt.%），在铜表面熔覆铬往往得到铜相+铬相的混合组织，铜相的存在使得覆层硬度难以提高。若直接采用类似电镀铬的方法，虽然能够在铜表面获得一层厚度仅数十微米的硬铬层，然而由于硬铬层与铜基体物性差异极大，弹性模量和热导率在界面处突变，经受有限次力、热交变服役，即在界面处诱发微裂纹导致硬铬层破损脱落。若能在铜和铬之间设计一种过渡层，能够显著缓解铜与铬的物性差异，使弹性模量和热导率梯度式渐变，提高覆层在交变力热负载服役环境的可靠性；同时若该过渡层还能强化铬层，则可以进一步提高表层铬的硬度，提高铜工件的耐磨性能。因此，该过渡层一方面应当与铜具有较大固溶度形成双相组织，另一方面应该与铬形成单相组织。而铁在铜中具有4.6 wt.%的最大固溶度，同时铁与铬互溶形成固溶体。由此，本申请人选择铁作为过渡覆层，一方面利用铁作为中间过渡层，可以弥合铬与铜两种材料巨大的物性差异，同时部分铁固溶到铬中显著地提高了铬层硬度，通过设计铜/铁/铬复合体系，保障各层的结合强度。
[0007]但本领域技术人员知道，即使设计了Fe过渡层，如果采用常规工艺，与制成单独的Fe/Cu结合结构、或者单独的Fe/Cr固溶体的制备方法一样，由于硬铬层与铜基体物性差异极大，对过渡层Fe与基体铜、以及在Fe过渡层形成高硬度铬基覆层的会有致命的影响，从而无法获得理论上的Cu/Fe/Cr结构的高硬导覆层。
[0008]基于以上现有技术的问题，本专利技术探索了通过高速激光熔覆制备方法、通过制备过程中各种工艺参数的设计，最后实现了具有特定成分、结构分布的Cu/Fe/Cr的高硬导电
覆层。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术申请人选用高速激光熔覆制备铜/铁/铬复合覆层，由于高速激光熔覆能够克服铜热导率高反射率高的问题，同时，申请人通过优化熔覆工艺在铜表面制备具有特定成分及结构的铁层、进而制备铬层。本专利技术提供的技术方案如下。
[0010]一种具有高硬导电表面的铜基复合材料的激光增材制造方法，其中所述高硬导电表面的铜基复合材料指Cu/Fe/Cr结构的复合覆层，即以铜为基体、在铜基体表面依次为Fe基覆层和Cr基覆层，采用激光熔覆装置、通过高速激光熔覆法，包括如下步骤：(1)去除铜表面氧化层并清洁表面；(2) 固定铜工件于激光熔覆装置的激光熔覆位；(3) 启动激光熔覆装置的高速激光熔覆光纤激光器，同时同步送铁粉至熔覆表面，制得具有高稀释率的铁基覆层；在本步骤中，制备铁层时由于铁与铜有限固溶，申请人采用正离焦0.8
‑
1 mm模式获得高稀释率的铁层确保良好冶金结合，即激光聚焦在待熔覆面正上方0.8
‑
1 mm的位置。激光采用正离焦激光束以确保在正离焦状态下激光能量密度高，获得熔池深，从而能够获得高稀释率的铁层，也即在铁覆层中含有较高浓度的铜，保障铁覆层具有良好的塑性和导电性，为后续制备高硬导电的铬基覆层提供良好的物性缓冲过渡层。同时所用激光功率按照如下原则渐变：在熔覆最初的10s内采用3200W功率，之后按照20W/s的速率持续降低功率，直到功率为2700W，保持该功率至本次熔覆结束。激光功率采用渐变模式，是由于铜导热性极佳，在熔覆铁层初期需要使用高能量密度的激光，然而在中后期应当逐步降低激光能量密度，避免熔池过热剧烈蒸发而产生气孔。由于铜工件对激光反射率高且导热快，在熔覆初期需要采用高能量密度确保铁粉和铜表层熔化，形成铜铁熔池；随着熔覆的进行，工件待熔覆区在前序熔池传热的作用下已经充分预热，因此需要逐步减小激光功率，避免熔池温度过高而产生铜蒸发，直到激光功率降至稳定值使工件实现热输入和热输出的动态平衡。
[0011](4)利用激光除锈模式去除铁基覆层表面的氧化层和残渣；采用激光除锈模式，可以原位地去除熔覆层表面的氧化层和熔渣，为后续熔覆铬层提供良好质量表面，且原位激光除锈操作便捷，还同时给工件表面提供预热，有利于降低后续熔覆铬层的激光输入能量需求。
[0012](5)启动激光熔覆装置的高速激光熔覆光纤激光器，并同步送铬粉至熔覆面，获得低稀释率的铬层；在本步骤中，由于在铁层上制备铬层时由于铁与铬无限互溶，申请人使用激光负离焦0.8
‑
1 mm模式避免过度重熔铁层而产生返铜现象；负离焦光束能量均匀，有利于制备出厚度较大的均匀覆层。同时，所用激光功率按照如下原则渐变：在熔覆最初的10s内采用2800W功率，之后按照20W/s的速率持续降低功率，直到功率为2400W，保持该功率至本次熔覆结束。采用明显比步骤（3）低的激光功率由于经过步骤4）激光除锈的预热，且表面已经有一层铁基覆层，铁对激光的反射弱于铜对激光的反射，且铁基覆层导热能力不如铜，因此相对较低的激光功率即可熔化铁层和铬粉末。由于铬与铁润湿性良好，固溶度高，容易形成结合良好的铁铬固溶体；而逐步降低激光功率的使熔覆件实现热输入和热输出的动态平衡。
[0013](6) 熔覆结束，将工件在300
±
10℃保温不少于2小时后自然冷却。因为即使设计了铁过渡层，但是铜与铬巨大的物性差异还是会导致工件内部存在较大热应力，需要通过
保温释放该内应力，避免铬基覆层在快速冷却过程中产生裂纹。
[0014]进一步地，步骤(3)激光扫描速度为60
‑
120 mm/s，扫描方式为搭接扫描，搭接率为60%~80%；送粉速度为1.25
‑
3.75 g/min，保护气11
‑
12 L/min；步骤(4)所用激光正离焦0.2~0.5 mm，扫描速度为100~300 mm/s，扫描方式为搭接扫描，搭接率≤10%；无粉末送出，激光功率为1000 W。
[0015]步骤5)所用激光扫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高硬导电表面的铜基复合材料的激光增材制造方法，其特征在于，其中所述高硬导电表面的铜基复合材料指Cu/Fe/Cr复合覆层，即以铜为基体、在铜基体表面依次为Fe基覆层和Cr基覆层；所述激光增材制造方法采用激光熔覆装置、通过高速激光熔覆法，包括如下步骤：1)去除铜表面氧化层并清洁表面；2) 固定铜工件于激光熔覆装置的激光熔覆位；3) 启动激光熔覆装置的激光，同时同步送铁粉至熔覆表面，制得具有高稀释率的铁基覆层；其中所述激光采用正离焦0.8
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1 mm模式；同时激光功率在熔覆最初的10s内采用3200W、之后按照20W/s的速率持续降低、直到功率为2700W，保持该功率至铁基覆层熔覆结束；4)激光除锈模式去除铁基覆层表面的氧化层和残渣；5)启动激光熔覆装置的激光，并同步送铬粉至熔覆面，获得低稀释率的铬层；其中激光采用负离焦0.8
‑
1 mm模式；所用激光功率熔覆最初的10s内采用2800W功率、之后按照20W/s的速率持续降低功率，直到功率为2400W，保持该功率至铬基覆层熔覆结束；6) 熔覆结束，将工件在300
±
10℃保温不少于2小时后自然冷却。2.根据权利要求1所述一种具有高硬导电表面的铜基复合材料的激光增材制造方法，其特征在于：步骤3)激光扫描速度为60
‑
120 mm/s，扫描方式...

【专利技术属性】
技术研发人员：麻自超，楼瀚予，沈漪杰，高铭余，李顺超，薛一正，徐浩程，王宏涛，方攸同，刘嘉斌，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：