銅和銅合金由于具備良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能及機械加工性能，在機械制造、電器電子、冶金、海洋裝備等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的銅性能已無法滿足使用條件，尤其是在一些特殊的領(lǐng)域，嚴(yán)苛的服役環(huán)境對銅件的性能提出了更高要求，例如要求高強高導(dǎo)電性的電磁炮導(dǎo)軌，要求高耐磨、高耐熱性的連鑄結(jié)晶器，鋁板軋制生產(chǎn)線的銅軋輥等，在生產(chǎn)過程中，銅表面要不斷地經(jīng)受高溫、高壓或強磨損，工作環(huán)境極其惡劣。提高銅合金表面性能的方法有電鍍、鑄滲、熱噴涂等，這些方法在一定程度上都存在一定缺陷，電鍍對環(huán)境造成較嚴(yán)重污染、鑄滲易產(chǎn)生氣孔缺陷、熱噴涂界面難以達到冶金結(jié)合，反復(fù)熱沖擊涂層易脫落。

圖1 傳統(tǒng)工藝方式存在的缺陷

激光熔覆作為表面改性的一種重要手段，具有靈活性高、對工件熱影響小、涂層與基體結(jié)合強度高等優(yōu)點，通過該技術(shù)可以得到組織細(xì)密、性能優(yōu)良的涂層。但是，由于銅表面對激光束具有較高的反射率，所以在銅表面做激光熔覆較為困難。

本文為中科煜宸針對連鑄結(jié)晶器、銅軋輥表面激光熔覆制備功能涂層所做的部分工作進行簡單闡述。

利用體式顯微鏡、金相顯微鏡對激光熔覆層表面形貌特征、涂層截面顯微組織特征和界面結(jié)合狀態(tài)進行分析，利用能譜分析（EDS，Nano Xflash Detector 5010，Bruker）對熔覆層化學(xué)成分進行研究,利用維氏顯微硬度儀（SHIMAZDZU）對涂層顯微硬度進行表征。

熔覆層宏觀形貌

（a）

（b）

圖2 不同工藝參數(shù)下激光熔覆層表面形貌

（a）

（b）

（c）

（d）

圖3 不同工藝參數(shù)下激光熔覆層截面形貌

熔覆層顯微組織及界面結(jié)合狀態(tài)

采用金相顯微鏡對Cu基體及激光熔覆層顯微組織進行觀察，分析發(fā)現(xiàn)熔覆層組織細(xì)小致密，主要由枝晶及細(xì)小的等軸晶組成。熔覆層未見氣孔、裂紋等缺陷產(chǎn)生，在界面位置熔覆層組織更加細(xì)小，且在熔覆層底部出現(xiàn)明顯的駝峰現(xiàn)象。

（a）Cu基體顯微組織50×

（b）熔覆層底部顯微組織10×

（c）熔覆層底部界面顯微組織50×

圖5 熔覆層表面顯微組織形貌及晶粒度分析50×

利用能譜分析（EDS，Nano Xflash Detector 5010，Bruker）對熔覆層及Cu基體化學(xué)成分進行研究，分析發(fā)現(xiàn)Cu元素由基體越過界面向熔覆層表面逐步擴散，元素含量逐步降低；Ni元素由熔覆層越過界面向Cu基體擴散，此外，Cr元素由熔覆層也向Cu基體擴散。因此可見，熔覆層元素與Cu基體元素在界面位置發(fā)生元素的相互擴散，實現(xiàn)了界面區(qū)域良好的冶金結(jié)合。

Cu

Ni

Cr

圖6 熔覆層能譜分析（Cu、Ni、Cr元素）

熔覆層顯微硬度

（a）不同功率P熔覆層顯微硬度值

（b）不同粉體材料熔覆層顯微硬度值

圖7 不同工藝參數(shù)熔覆層顯微硬度測試

研究了不同激光功率P、不同掃描速度v、不同送粉量S及不同Ar氣保護流量等參數(shù)對銅表面激光熔覆層性能的影響，圖7（a）為不同激光功率P條件下的熔覆層顯微硬度曲線圖，圖7（b）為不同粉體材料熔覆層顯微硬度曲線圖。

應(yīng)用案例

中科煜宸采用自主研發(fā)的銅和銅合金專用激光熔覆裝備，對鋁板軋制鈹青銅輥進行表面熔覆層制備。裝備主要包括激光器、光纖、水冷機、KUKA機械手、送粉器、專用加工頭、轉(zhuǎn)臺等。

圖8 中科煜宸銅和銅合金激光熔覆裝備

該套裝備相比傳統(tǒng)激光熔覆裝備具有以下特點：

◆自動化程度高

◆裝備性能穩(wěn)定

◆加工過程激光熔池穩(wěn)定

◆單位面積熱輸入量低

◆涂層熔覆效率高

此外，在粉體材料選擇方面，該裝備可以對Fe基、Ni基、Co基及陶瓷材料進行熔覆，解決了銅和銅合金表面對激光束高反的難題，有效實現(xiàn)了銅表面激光熔覆制備異種金屬材料。

（a）激光熔覆前

（b）激光熔覆結(jié)束

（c）磨床磨削加工

圖9 銅軋輥表面激光熔覆制備耐磨涂層