纯铜表面脉冲激光熔覆Ni60涂层的结构与性能研究

发布时间：2019-08-04 12:50

【摘要】：为了克服纯铜表面激光熔覆时热量难以积聚的困难,得到冶金结合良好的Ni60熔覆层,采用预热辅助脉冲激光熔覆的方法,在纯铜表面进行了Ni60合金粉末的熔覆实验,并建立了纯铜表面预热辅助脉冲激光熔覆过程的3维瞬态热弹塑性模型,对温度场及残余应力进行了仿真。预热温度达到573K时,Ni60熔覆层中裂痕完全消除;预热温度为673K时,激光熔覆的加工效率提升了2.2倍;预热辅助脉冲激光熔覆得到的Ni60熔覆层平均硬度达到800HV0.2;常温下,Ni60熔覆层与ASTM52100钢相对耐磨性为4.45,摩擦系数约是铜和ASTM 52100钢的57%。结果表明,随着预热温度的升高,Ni60熔覆层中裂纹减少,激光熔覆效率提高;Ni60熔覆层有效地提高了表面硬度,减小了摩擦系数。通过预热辅助脉冲激光熔覆技术,在纯铜表面制备得到无裂纹、无气孔的Ni60熔覆层,可有效地提高铜基材的硬度与耐磨性。
【图文】：

fNi60powderw(C)w(B)w(Si)w(Cr)w(Fe)w(Ni)0．007～0．0110．030～0．0400．035～0．0500．150～0．170≤0．05balance脉冲激光器，激光光斑半径为0．6mm，激光脉宽为10ms，激光频率为10Hz，激光平均功率为750W，峰值功率为7500W;激光光束扫描速率为5mm/s，送粉速率为0．46g/s，基材预热温度为573K或873K。采用同轴送粉的方法，使用氩气将Ni60粉末从喷嘴吹入熔池内，喷嘴距离熔池的距离为20mm。硬度检测及磨擦磨损性能检测采用的试样通过多道熔覆制成，搭接率为33%。Fig.1Schematicgraphoflasercladdinginstruments图2是根据上述工艺参量在铜表面得到的Ni60熔覆层试样。图2a是预热温度分别为293K，473K，673K，873K，1073K时得到的单道激光熔覆试样;图2b是预热温度为573K下的多道熔覆试样，熔覆层厚度为2mm。Fig.2SamplesofNi60coatingdepositedonpurecopperbylasercladdinga—singletrackb—multi-track实验中得到的Ni60熔覆试样经过标准金相处理后，使用王水腐蚀30s～40s后，采用ZEISSAxioLab．A1型光学显微镜观察微观组织。熔覆层的硬度测量采用HVS-1000型维氏显微硬度计，负载为200g，负载保持15s。熔覆层的室温摩擦磨损性能测量采用BＲUKEＲUTM-TriboLab型摩擦实验平台进行测试，采用点面接触式往复摩擦的方法，上摩擦副为直径为6．35mm的Si3N4陶瓷材料磨球，磨球与Ni60熔覆层进行往复摩擦，加载负载45N，往复速率10mm/s，时间3h，总距离108m。使用ASTM52100钢作为实验对比材料，测试实验均在293K(室温)下进行。采用精度为0．1mg的天平对每次试验的磨损量进行称重，计算相对磨损量，从而计算出熔覆层的耐磨性能。在实验结果的基础上，本文中对纯铜表面预热辅助脉冲激光熔覆Ni60合金粉末的过程进行了有限元

纯铜表面脉冲激光熔覆Ni60涂层的结构与性能研究

热温度升高，熔池冷却速率降低，晶粒的生长时间更长，因此晶粒尺寸更大。3．2预热温度对熔覆层尺寸和激光熔覆加工效率的影响图9为不同预热温度下的熔池的宽度与深度仿真值，随着预热温度的升高，熔池的深度和宽度增加，预热温度为873K时，熔覆层深度为单纯采用激光熔覆深度的2倍左右。这是因为基材预热温度提高后，熔覆区域温度梯度下降，热量扩散速度减慢，使得熔池的尺寸变大，这就克服了铜的热导率过大导致热量难以积聚的困难。Fig.9Simulatedwidthanddepthofsinglecladunderdifferentpreheatedtemperatures图10为实验得到的不同送粉速率vp下，熔覆层高度和宽度随预热温度的变化曲线。从图中可以看出，增加预热温度可以有效地提高熔覆层的宽度与高度，预热温度为873K时，，熔覆层深度为单纯采用激光熔覆高度的2倍左右，与熔覆层深度的仿真结果一致。原因主要是预热温度升高后，熔池的尺寸变大，同时熔池存在的时间变长，因此在熔覆过程中能够够吸收熔化更多的粉末，从而使熔覆层的宽度与高度增加。在激光的扫描速率相同情况，本文中将熔覆层宽度与高度的乘积作为激光熔覆效率的标准，见下:Fig.10Measurementheightandwidthofsinglecladunderdifferentpowderratesandpreheatedtemperaturesη1η2=W1·H1W2·H2(3)式中，η1，η2分别为两次熔覆的熔覆效率，W1和W2分别为两次熔覆的熔覆层宽度，而H1和H2分别为两次熔覆的熔覆层高度。在此定义下，根据图10中的实验数据，与不预热相比，在预热温度分别为473K，673K，873K和1073K情况下，激光熔覆效率分别提升了0．6倍、2．2倍、3．1倍、3．6倍。因此感应预热有效地提升了脉冲激光熔覆的效率。3．3预热温度对熔覆层裂?
【作者单位】：华中科技大学光学与电子信息学院激光加工国家工程研究中心;
【分类号】：TG174.4

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