銅合金表面電火花及激光沉積制造技術(shù)的研究*

李福海，代明江，陳興馳，鄧暢光

廣東省新材料研究所激光制造研究室，廣東 廣州 510650

銅合金表面電火花及激光沉積制造技術(shù)的研究*

李福海，代明江，陳興馳，鄧暢光

廣東省新材料研究所激光制造研究室，廣東 廣州 510650

分別采用電火花沉積和激光熔覆技術(shù)在銅合金表面制備了不同組織和性能的沉積層，用SEM，XRD，OM和顯微維氏硬度計進行了組織結(jié)構(gòu)和性能分析，結(jié)果表明：在銅合金表面可采用激光熔覆的方法制備異質(zhì)的沉積層，沉積層與銅基體冶金結(jié)合，其組織致密、晶粒細小、無裂紋和孔隙夾雜等缺陷，沉積層內(nèi)部組織形貌為等軸晶、樹枝晶及胞狀晶等；電火花沉積工藝可在銅合金表面形成銅基的沉積制造層，電火花層與銅基體形成冶金結(jié)合，其組織致密、晶粒細小、無裂紋、孔隙夾雜等缺陷．

電火花沉積；增材制造；銅合金

銅及其合金具有良好的導(dǎo)熱性能，常被應(yīng)用于制作散熱零部件，但因其質(zhì)軟不耐磨，使用中受到很大的限制[1]．為了擴大使用范圍，常采用熱噴涂[2]、電鍍及激光[3]等表面強化手段制備高抗磨、耐蝕防護涂層．在這些表面強化工藝中，激光熔覆技術(shù)具有熱影響區(qū)窄、工件變形小、結(jié)合力強、效率高及無污染等優(yōu)點[4]，可在廉價的基材上形成耐磨、耐蝕、耐熱的合金層[5]，從而大大節(jié)約工業(yè)成本．在銅表面進行激光熔覆存在很大的困難，主要是由于銅基體有很高的導(dǎo)熱系數(shù)及對激光束很高的反射率，基體獲得的能量僅為激光束能量的10%左右，因此很難在銅基體上形成熔池[6-7]．近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過預(yù)置粉末的方式改善了銅表面反光率大的問題，才逐漸形成了一些銅表面強化的研究工程應(yīng)用．

金屬表面電火花沉積技術(shù)，是在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新工藝．電火花沉積工藝是將電源存儲的高能量電能在金屬電極(陽極)與金屬母材(陰極)間瞬間高頻釋放[8]，通過電極材料與母材間的空氣電離形成通道，使母材表面產(chǎn)生瞬間高溫、高壓微區(qū)，同時離子態(tài)的電極材料在微電場的作用下融滲到母材基體中形成冶金結(jié)合，從而在經(jīng)電火花沉積處理的金屬母材表層形成高硬度、高耐磨、抗腐蝕和紅硬性好的沉積層[9-10]．沉積層的力學(xué)及化學(xué)性能均超過基材的原始表面性能，顯著提高模具及一些易磨損零件的使用壽命．

本研究選擇了典型的銅合金材料，分別采用激光熔覆及電火花處理技術(shù)進行異質(zhì)和同質(zhì)沉積制造研究，通過比較兩種工藝下沉積層的結(jié)構(gòu)及性能特征，開辟出另一條低成本的沉積制造工藝途徑．

1 試驗部分

1.1 電火花沉積試驗

基體材料選擇Pb青銅，電極材料選用黃銅合金且加工成直徑3 mm的電極，二者的組織形貌如圖1所示．

圖1 Pb青銅和黃銅的組織形貌(a)Pb青銅； (b)黃銅 Fig.1 Microstructure of Pb base bronze and brass matrixes (a) Pb bronze；(b) brass

電火花沉積采用自制的電火花沉積設(shè)備，手動控制電火花槍沿銅板表面移動，同時電極在電火花槍內(nèi)作旋轉(zhuǎn)，并通Ar氣保護防止氧化，其工藝參數(shù)列于表1．完成電火花沉積后，制作金相試樣，經(jīng)腐蝕后觀測沉積層的金相結(jié)構(gòu)；在載荷50 g、加載時間15 s的條件下，測試試樣的微觀硬度．

表1 電火花沉積工藝參數(shù)

1.2 激光熔覆試驗

激光熔覆試驗選用紫銅作為基材，試樣尺寸為100 mm×100 mm×10 mm．涂層材料為NiCrBSi自熔合金粉末與碳化鎢的混合粉，其中WC的質(zhì)量百分比為30%，NiCrBSi自熔合金粉末粒度為45～109 μm，其主要成分列于表2．

首先將噴涂試樣基體經(jīng)超聲除油、噴砂預(yù)處理，再用超音速火焰噴涂系統(tǒng)制備NiCrBSi-WC自熔合金涂層，涂層厚度為0.3～0.5 mm．然后用10 kW橫流CO2激光系統(tǒng)進行激光熔覆，其激光功率為5 kW、離焦量+15 mm、掃描速度500 mm/min、搭接率為20%．

表2 NiCrBSi自熔合金粉末組成成分

2 結(jié)果及分析

2.1 沉積層截面的組織形貌

圖2為不同倍率下電火花沉積層的截面形貌．從圖2可以看出：經(jīng)電火花沉積后，在Pb青銅表面形成了與黃銅金相組織不同的沉積層；沉積層與銅合金基體形成了牢固的結(jié)合，這是在電火花放電沉積過程中工件與電極同時熔化，但以電極的熔化為主，二者混合同時凝固，從而形成了牢固的冶金結(jié)合；沉積層組織與Pb青銅基體或黃銅原始材料的組織均有很大的不同，這不僅與基體及電極材料的組織和成分有關(guān)，而且還與工藝參數(shù)有密切的關(guān)系．在常規(guī)材料的電火花沉積層中有明顯的過渡層和熱影響區(qū)，這是因電極材料中的一些組成元素熔滲擴散到基體金屬材料中，然后被迅速淬火而形成的，而銅合金基體的電火花沉積層沒有明顯的過渡層，這主要因為銅合金的導(dǎo)熱系數(shù)較高，高溫的持續(xù)時間很短，引起的基體材料本身的變化被限定在很小的范圍之內(nèi)．從圖2還可以看出，新形成的電火花沉積層的組織更加均勻，明顯不同于基體和電極材料的結(jié)構(gòu)，因此具有更好的性能．

圖2 不同倍率下Pb青銅表面電火花沉積銅合金層的組織形貌Fig.2 Microstructure of EDD deposition brass layer on Pb bronze

圖3為熱噴涂涂層及激光熔覆層斷面的組織形貌．從圖3(a)可以看出，熱噴涂NiCrBSi-WC自熔合金涂層呈層狀結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合不致密，涂層中有部分未熔顆粒及少量孔洞、裂紋，涂層與基體之間有比較明顯的分界面和夾雜．從圖3(b)可以看出，激光熔覆層組織細小均勻，無裂紋、孔洞等缺陷，熔覆層與基體為冶金結(jié)合．激光熔覆層可分為表面涂層熔覆區(qū)、熱影響區(qū)及銅合金基體三個區(qū)域．熔覆區(qū)呈枝晶形貌，熔覆層的內(nèi)部組織為等軸晶、細小枝晶和樹枝晶組織，界面區(qū)域的組織近似為胞狀晶和較粗大樹枝晶組織．在熔覆層與基體之間存在合金元素交互擴散形成的結(jié)合帶，寬約10～30 μm，電子探針(EPMA)分析結(jié)果表明，結(jié)合帶中主要富含Cu及Ni元素，說明NiCrBSi-WC激光熔覆層與銅合金表面形成了良好的冶金結(jié)合．

圖3 熱噴涂涂層(a)和激光沉積層(b)斷面的組織形貌Fig.3 Microstructure of thermal sprayed coating (a) and laser cladding layer (b)

2.2 沉積層的成分分析

由于電火花沉積層的成分不僅與電極和基體的材料有關(guān)，而且還與沉積工藝有關(guān)．以黃銅作為電極，采用優(yōu)化工藝，對Pb青銅進行電火花沉積，從沉積層的截面形貌可以判斷出沉積層的組織形貌與基體和電極的組織形貌均不同，為了研究各部分的差異，分別對它們不同部位的成分進行了檢測(圖4)，其元素分布列于表3．由表3可知：Pb青銅基體中Pb和Sn的含量較高，這種銅合金具有很好的減磨效果；電極中主要以Zn為主，因此沉積層中Zn含量高且具有一定的強度；在過渡區(qū)內(nèi)形成了基體和電極的混合物，因此過渡區(qū)含有二者的成分．由于電火花沉積不是簡單的涂鍍過程，而是組成電極和工件材料諸元素的原子在電火花沉積過程中發(fā)生劇烈的擴散和重新合金化的過程，因此電火花沉積層的組織結(jié)構(gòu)除了跟電極和工件材料有關(guān)外，隨設(shè)備的功率及沉積工藝的不同也存在差別．

圖4 沉積層截面SEM圖Fig.4 Cross section SEM of EDD deposition

表3 沉積層成分分布及含量

圖5為激光熔覆層NiCrBSi-WC界面處的X射線衍射圖譜．從圖5可以看出，熔覆層組織主要由Ni，NiCu，Cu固溶體相及少量的強化相WC，W2C和Ni3B組成．由于Ni和Cu都屬于面心立方晶體結(jié)構(gòu)，二者可以無限互溶，可在高功率激光束作用下形成(Ni，Cu)固溶體，因此在熔覆層中有Cu固溶體相存在．在熔覆過程中，涂層中原始的WC分解，并重新生成WC和W2C硬質(zhì)相，而Ni和B則生成了Ni3B硬質(zhì)相．

圖5 激光熔覆層X射線衍射圖譜Fig.5 XRD pattern of laser cladding layer

2.3 沉積層的性能分析

Cu合金電火花沉積層的硬度見圖6．從圖6可以看出，基體平均硬度值為91 Hv，黃銅電極的硬度為108 Hv，電火花沉積層的平均硬度為120 Hv，稍高于電極材料及基體的硬度．這是由于電火花沉積過程中的合金化比較充分，形成的晶粒更加細小，再加冷卻速率非?？?，可形成非晶組織，因此硬度比電極材料及基體的稍有升高，更多的性能測試有待于進一步的試驗和研究．

圖6 電火花沉積層硬度分布圖Fig.6 Microhardness distribution of EDD layer

熱噴涂NiCrBSi-WC涂層和激光熔覆NiCrBSi-WC層的顯微硬度Hv(0.2，15 s)列于表4．由表4可知，熱噴涂涂層硬度為726 Hv，激光熔覆層硬度587 Hv，而銅基材硬度最低僅為80 Hv．經(jīng)測定，熱噴涂層磨擦系數(shù)為0.7，而激光熔敷層摩擦系數(shù)為0.5，表明激光熔覆層具有更好的耐磨性．

表4 NiCrBSi-WC熱噴涂涂層和激光熔覆層的顯微硬度

Table 4 Micro-hardness of thermal sprayed coating and laser cladding layer

涂層測量值平均值熱噴涂涂層725，830，718，650，710726 60激光熔覆層603，560，610，532，632587 4基體8080

熱噴涂及激光熔覆兩種工藝相比，熱噴涂時粒子冷卻速率更快，甚至存在非晶態(tài)組織，雖然采用的是自熔合金粉末，但噴涂過程中并沒有發(fā)生有效的合金化，而經(jīng)激光熔覆處理后，自熔合金發(fā)生明顯的合金化，導(dǎo)致硬度有一定的降低．但同時W，F(xiàn)e和Si等原子熔入Ni固溶體中造成晶格畸變，又使固溶強化作用凸現(xiàn)，以及激光熔覆層中生成的WC，W2C和Ni3B硬質(zhì)相，這些因素的綜合作用有效提高了熔覆層的耐磨性，使激光熔敷層具有比噴涂層更高的耐磨性．

3 結(jié) 論

(1) Pb青銅上經(jīng)電火花沉積黃銅后，表層形成致密的銅合金組織，沉積層與基體之間沒有明顯的過渡區(qū)域．

(2) 黃銅沉積層的組織與電極材料Pb青銅和黃銅均不同，其呈現(xiàn)出更加均勻及致密的特性，硬度達到120Hv，超過基體和電極．

(3)激光熔覆NiCrBSi-WC合金的熔覆層無層狀組織、孔洞及裂紋等缺陷，與銅合金基體呈冶金結(jié)合．

(4) 激光熔覆層組織由表及里依次為等軸晶、樹枝晶及胞狀晶，同時沉積層中存在WC，W2C和Ni3B等硬質(zhì)顆粒，熔覆層平均顯微硬度為587HV，顯著提高了銅合金表面的硬度．

(5) 電火花和激光熔覆工藝均能夠在銅合金表面做沉積．

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Researchofelectricaldischargingandlasercladdingdepositionsoncopperalloy

LI Fuhai，DAI Mingjiang，CHEN Xingchi，DENG Changguang
GuangdongInstituteofNewMaterials，Guangzhou510650，China

On the surface of copper alloy, microstructure and were produced prepared by electrical discharging deposition and laser cladding processes with different depositions methods, respectively. The deposits were analyzed and measured by SEM, XRD, OM for the microstructure, element content and micro hardness property by hardness tester. The results show that the microstructure of cladding layer process by laser cladding is heterogeneous, metallurgical combination with the copper substrate, compact structure, fine grain, without crack, pore inclusions and other defects, and the cladding layer with equiaxed dendrite and columnar crystal structure. Similarly, the EDD process can form a copper based deposition on the surface of copper alloy, and the layer also forms metallurgical combination with the copper matrix, and has the defects of compact structure, fine grain, no crack, pore inclusion etc.

electrical discharging deposition；additive manufacture；copper alloy

TG174.44

：A

2017-05-23

廣州市國際合作項目(2013J4500073)；廣州市珠江新興項目(2014J2200095)；廣東省國際合作項目(2013B050800033)

李福海(1973-)，陜西渭南人，教授級高工，碩士．

1673-9981(2017)03-0172-06