铜板上激光熔覆制备Co_Ni_Cu梯度涂层
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[ 7- 8]
且二者晶格结构十分相似 , 能形成无限固溶体, 增 加了界面结合强度; 一方面由于基材是铜, 涂层中 含有一定量的铜, 所以从这一角度上可认为基体 和涂层的成分和性能呈一定的梯度变化 , 使得激 光熔覆过程中涂层和基材的相容性得到了改善, 从而缓解了组织应力和热应力, 抑制了激光熔覆 常见的裂纹, 解决了界面失效的问题
董 江, 刘
1
芳 , 陈岁元 , 刘常升
2
1
1
( 1. 东北大学 材料各向异性与织构教育部重点实验室 , 辽宁 沈阳 110004; 2. 大连交通大学 材料学院 , 辽宁 大连 116028)
摘
要 : 用 10 kW CO2 激光器 , 通过优化激光快速熔覆工艺参数 , 先在铜合金上制备镍基韧性过渡层 , 再
, 从而减缓或抑制裂纹 , 解决激光熔覆技
术面临的关键问题
1
研究材料和方法
1. 1 材料 激光熔覆基体材料选用结晶器实材铜合金; 熔覆材料选取镍基自熔 合金粉末 , 成分 ( 质量分 数, % ) 为 : C 0. 03, Si 2. 0, B 1. 1, Fe 0. 5, Cu 20. 0, 其余为 Ni; 钴 基自 熔合 金粉 末 的成 分 ( 质 量分 数, % ) 为: C 1. 1, Si 1. 0, B 1. 1, Cr 25, Ni 9, Cu 4, W 30, Fe 5, 其余为 Co 1. 2 方法及工艺条件 首先对除锈除油后的铜基材进行喷砂处理, 采用 GP 80 型等离子体喷涂设备, 在铜合金表面 预沉积镍基 合金 粉末, 预制涂 层厚度 0 2~ 0 3 mm, 然后采用 DL H L T 10000 CO2 激光器对镍基 喷涂层进行激光熔覆 首先以慢速激光扫描试样 表面 , 对其进行一定温度的预热 激光熔覆工艺参 数为: 功率 3 9 kW, 扫描速度 1 5 m / min, 光斑直 径 1 mm, 搭接率 30% 在熔覆后的镍基过渡层表 面采取自动送粉方式熔覆钴基硬化层 , 激光熔覆 工艺参数为 : 功率 3 5 kW, 扫描速度 0 5 m/ min, 光斑直径 3 mm, 搭接率 30%
[ 6]
2
结果与分析
2. 1 涂层的微结构 图 1 为 Co Ni Cu 梯度涂层组织形貌 镍基合 金与铜基体已经形成良好的冶金结合, 只是不同 部位镍 - 铜界面参差不齐 , 这说明对铜基体的稀 释程度不同 , 需要在以后的实验中进一步改进和 完善熔覆工艺 表层的钴基合金组织均匀致密, 无 裂纹无孔洞, 与镍基合金的界面平直, 界面处结合 特别好, 无缺陷 , 这就为以后的工艺应用提供了很 重要的技术支持
本实验选用的镍基合金含有一定成分的
铜, 一方面由于镍和铜的热膨胀系数比较接近 , 而
第 11 期
董
江等 : 铜板上激光熔覆制备 Co Ni Cu 梯度涂层
1583
图 3 Co Ni Cu 梯度涂层 的 SEM 及对应的 Cu, Ni 和 Co 元素成分分布图 Fig. 3 SEM i mages of morphologies and vertical composition distribution of Co Ni Cu gr adi ent coati ng ( a) SEM 形貌 ; ( b) Cu; ( c) Ni; ( d) Co
Preparation of Co Ni Cu Gradient Coatings by CO2 Laser Cladding on Copperplate
DON G Ji ang 1 , LI U Fang 2 , CH EN Sui y uan 1 , L I U Chang sheng 1
( 1. K ey Labor ator y for Anisotr opy & T ex ture of M aterials, M inistr y of Education, Nor theastern U niv ersity, Shenyang 110004, China; 2. School of M ater ials, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China. Correspondent: L IU Chang sheng, professor, E mail: csliu @ mail. neu. edu. cn)
[ 1]
激光熔覆与其他结晶器表面强化方法[ 2] 相比 , 最 大的优点[ 3] 是可以制 备完全致密均 匀且与基体 呈良好冶金结合的功能涂层 , 从而显著改善基体 材料表面的耐磨性等 目前, 在铜基体上进行激光
而
收稿日期 : 2007 11 15 基金项目 : 国家自然科学基金与上海宝钢集团公司联合资助项目 ( 50574020) 作者简介 : 董 江 ( 1963- ) , 男 , 吉林通化人, 东北大学博士 研究生 , 沈阳 造币厂高 级工程师 ; 刘常升 ( 1963- ) , 男 , 内 蒙古奈曼 旗 人 , 东北大学教授 , 博士生导师
在其表层采用同步送粉工艺 , 在上述镍基涂层表 面制备了结合良好且组织细小致密、 无缺陷的钴基合金 涂层 , 成功制备了 Co N i Cu 梯度涂层 铜基体 - 镍基过 渡层 - 钴基 工作 层的成 分、 组织 和热物 理性 能呈现 梯度 分 布 , 使熔覆过程中的热应力被缓解 , 完全避免了裂纹的产生 M 7C 3 和 M 23C 6 型碳化 物及钴基固 溶体的形 成使 钴基 工作层显微硬度高达 655 HV , 是铜合金硬度 ( 90 HV) 的 7. 3 倍 , 而且 从铜合金 基体至镍基 过渡层再 到钴 基工作层 , 显微硬度也呈梯度平缓增大 , 因此涂层具有无裂纹、 内韧外硬的特性 关 键 词 : 铜 ; 激光熔覆 ; 功能梯度涂层 ; 镍基合金 ; 钴基合金 文献标识码 : A 文章编号 : 1005 3026( 2008) 11 1581 04 中图分类号 : T G 142
第 29 卷第 11 期 2 00 8 年 11 月
东 北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) Journal of Nort heastern U niversity( Natural Science)
Vol 29, No. 11 Nov . 2 0 0 8
铜板上激光熔覆制备 Co Ni Cu 梯度涂层
Abstract: A 10 kW CO 2 laser w as used to prepare the Ni Cu t oughness transition coat ings on copper substrate w it h the fast laser cladding process parameters optimized. T hen, a Co base coat ing w as deposit ed on t he t ransit ion coat ing surf ace by pow der fed for laser cladding to form a Co Ni Cu funct ional gradient coating ( FGC) w hose m icrost ruct ure is f ine, dense and def ect f ree. T he vert ical graded distribut ion of t he composit ion, structure and t hermal propert ies of t he coat ing composed of 3 layers, i. e. , t he copper subst rat e, Ni base t ransit ion lay er and Co base w orking layer, enables the thermal st ress during laser cladding to be relaxed, thus avoiding complet ely t he format ion of cracks. T he reason is t hat t he format ion of M 7C 3 / M 23 C 6 t ype carbides and Co base solid solut ion can provide a maximum microhardness value for Co base w orking layer up to 655 HV, about 7. 3 t imes higher t han copper subst rate ( 90 HV only ) . F urt hermore, t he vert ical microhardness distribut ion of the coat ing reveals t he slow increase in g radient from substrate t o top layer. It thus verified t hat t he Co Ni Cu coating is crack free and hard on surface w it h toug h at core. Key words: Cu; laser cladding; funct ional g radient coat ing; Ni base alloy; Co base alloy 铜及铜合金具有良好的导热性、 耐腐蚀性等 优点 , 被广泛用于连铸机的结晶器上 但是由于铜 的硬度很低, 使得耐磨性能较差 通过制备表面涂 层来改善铜的耐磨性能成为新的研究热点
1582 熔覆的研究 很少[源自文库45]
东北大学学报 ( 自然科学版 ) , 且涂层的 裂纹倾向 较大,
第 29 卷
致使涂层和基体间界面失效 为了解决界面失效 问题 , 主要从抑制裂纹的角度 , 本文引入功能梯度 材料的设计思想, 通过激光熔覆制备功能梯度涂 层, 使得涂层的构成和性能沿厚度方向呈现梯度 变化
Fig. 4
图 4 钴基熔覆表层的 TEM 明场像及选区电子衍射图 Bri ght field TEM micrographs and thei r correspondi ng SAD patterns of the surface of Co base clading coating ( a) Co, ( Fe, N i) 23 C6 ; ( b) Cr7 C3 , Co25Cr25W 8C, Co3 M o2Si
图 2 Co Ni Cu 梯度涂层扫描电镜形貌 Fig. 2 SEM images of mor phologies of different l ayers of Co Ni Cu gr adi ent coati ng
图 3 是 Co Ni Cu 梯度涂层的 SEM 形貌及对 应的 Cu, Ni 和 Co 元素成分分布图 从中可以看 出, Cu, Ni 和 Co 元素成分呈一定梯度变化 在过渡层 镍基和铜基体界 面处的物 相图谱 中, 除 了 铜之 外, 涂 层 中还 形 成 了铜 - 镍固 溶 体
1584
东北大学学报 ( 自然科学版 )
第 29 卷
图 4 为钴基熔覆表层的 T EM 明场像及选区 电子衍射图 可以观察到熔覆表层有面心立方结 构的 Co 基固溶 体、 正交结构的 Cr7 C 3 、 面心立方 结构 的 ( F e, Ni ) 23 C 6 、 体 心 立方 结 构的 Co 25 Cr 25 W 8 C 及六方结构 的 Co 3M o 2 Si 形成 这 些物质的 生成 , 使得钴基涂层具有更高的红硬性、 高温耐磨 性和抗氧化性 2. 2 涂层的显微硬度 图 5 为熔覆层的显微硬度 从图中可见镍基 合金涂层较铜基体有所提高, 而表层钴基涂层的 硬度最 高能达 到 655 HV, 是 铜基 体 ( 90 H V) 的 7 3 倍左右 钴基涂层硬度的显著提高主要归因 于 M 7 C 3 和 M 23 C6 型碳化物的形成 而且从熔覆 层到铜基体, 显微硬度逐渐减小 , 而没有突变 , 这 就会使熔覆层与基体之间的应力平稳过渡 , 不会 在磨损过程中发生涂层的剥落 另外, 硬度在很大 程度上和耐磨性有一定的正比关系, 所以钴基涂 层高的显微硬度使得其耐磨性比铜基体会有很大 改善和提高 再者, 钴基熔覆涂层致密均匀的组织 也会提高其耐磨性能
图 1 Co Ni Cu 梯度涂层组织形貌 Fig. 1 Optical mi crostructure of Co Ni Cu gradient coating
图 2 为 Co Ni Cu 梯度涂层组织扫描电镜形 貌 从钴基表层至铜基体不同组织的视野里组织 致密 , 无缺陷, 而且钴- 镍界面、 镍- 铜界面都非 常平滑, 无裂纹等缺陷
且二者晶格结构十分相似 , 能形成无限固溶体, 增 加了界面结合强度; 一方面由于基材是铜, 涂层中 含有一定量的铜, 所以从这一角度上可认为基体 和涂层的成分和性能呈一定的梯度变化 , 使得激 光熔覆过程中涂层和基材的相容性得到了改善, 从而缓解了组织应力和热应力, 抑制了激光熔覆 常见的裂纹, 解决了界面失效的问题
董 江, 刘
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芳 , 陈岁元 , 刘常升
2
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( 1. 东北大学 材料各向异性与织构教育部重点实验室 , 辽宁 沈阳 110004; 2. 大连交通大学 材料学院 , 辽宁 大连 116028)
摘
要 : 用 10 kW CO2 激光器 , 通过优化激光快速熔覆工艺参数 , 先在铜合金上制备镍基韧性过渡层 , 再
, 从而减缓或抑制裂纹 , 解决激光熔覆技
术面临的关键问题
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研究材料和方法
1. 1 材料 激光熔覆基体材料选用结晶器实材铜合金; 熔覆材料选取镍基自熔 合金粉末 , 成分 ( 质量分 数, % ) 为 : C 0. 03, Si 2. 0, B 1. 1, Fe 0. 5, Cu 20. 0, 其余为 Ni; 钴 基自 熔合 金粉 末 的成 分 ( 质 量分 数, % ) 为: C 1. 1, Si 1. 0, B 1. 1, Cr 25, Ni 9, Cu 4, W 30, Fe 5, 其余为 Co 1. 2 方法及工艺条件 首先对除锈除油后的铜基材进行喷砂处理, 采用 GP 80 型等离子体喷涂设备, 在铜合金表面 预沉积镍基 合金 粉末, 预制涂 层厚度 0 2~ 0 3 mm, 然后采用 DL H L T 10000 CO2 激光器对镍基 喷涂层进行激光熔覆 首先以慢速激光扫描试样 表面 , 对其进行一定温度的预热 激光熔覆工艺参 数为: 功率 3 9 kW, 扫描速度 1 5 m / min, 光斑直 径 1 mm, 搭接率 30% 在熔覆后的镍基过渡层表 面采取自动送粉方式熔覆钴基硬化层 , 激光熔覆 工艺参数为 : 功率 3 5 kW, 扫描速度 0 5 m/ min, 光斑直径 3 mm, 搭接率 30%
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结果与分析
2. 1 涂层的微结构 图 1 为 Co Ni Cu 梯度涂层组织形貌 镍基合 金与铜基体已经形成良好的冶金结合, 只是不同 部位镍 - 铜界面参差不齐 , 这说明对铜基体的稀 释程度不同 , 需要在以后的实验中进一步改进和 完善熔覆工艺 表层的钴基合金组织均匀致密, 无 裂纹无孔洞, 与镍基合金的界面平直, 界面处结合 特别好, 无缺陷 , 这就为以后的工艺应用提供了很 重要的技术支持
本实验选用的镍基合金含有一定成分的
铜, 一方面由于镍和铜的热膨胀系数比较接近 , 而
第 11 期
董
江等 : 铜板上激光熔覆制备 Co Ni Cu 梯度涂层
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图 3 Co Ni Cu 梯度涂层 的 SEM 及对应的 Cu, Ni 和 Co 元素成分分布图 Fig. 3 SEM i mages of morphologies and vertical composition distribution of Co Ni Cu gr adi ent coati ng ( a) SEM 形貌 ; ( b) Cu; ( c) Ni; ( d) Co
Preparation of Co Ni Cu Gradient Coatings by CO2 Laser Cladding on Copperplate
DON G Ji ang 1 , LI U Fang 2 , CH EN Sui y uan 1 , L I U Chang sheng 1
( 1. K ey Labor ator y for Anisotr opy & T ex ture of M aterials, M inistr y of Education, Nor theastern U niv ersity, Shenyang 110004, China; 2. School of M ater ials, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China. Correspondent: L IU Chang sheng, professor, E mail: csliu @ mail. neu. edu. cn)
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激光熔覆与其他结晶器表面强化方法[ 2] 相比 , 最 大的优点[ 3] 是可以制 备完全致密均 匀且与基体 呈良好冶金结合的功能涂层 , 从而显著改善基体 材料表面的耐磨性等 目前, 在铜基体上进行激光
而
收稿日期 : 2007 11 15 基金项目 : 国家自然科学基金与上海宝钢集团公司联合资助项目 ( 50574020) 作者简介 : 董 江 ( 1963- ) , 男 , 吉林通化人, 东北大学博士 研究生 , 沈阳 造币厂高 级工程师 ; 刘常升 ( 1963- ) , 男 , 内 蒙古奈曼 旗 人 , 东北大学教授 , 博士生导师
在其表层采用同步送粉工艺 , 在上述镍基涂层表 面制备了结合良好且组织细小致密、 无缺陷的钴基合金 涂层 , 成功制备了 Co N i Cu 梯度涂层 铜基体 - 镍基过 渡层 - 钴基 工作 层的成 分、 组织 和热物 理性 能呈现 梯度 分 布 , 使熔覆过程中的热应力被缓解 , 完全避免了裂纹的产生 M 7C 3 和 M 23C 6 型碳化 物及钴基固 溶体的形 成使 钴基 工作层显微硬度高达 655 HV , 是铜合金硬度 ( 90 HV) 的 7. 3 倍 , 而且 从铜合金 基体至镍基 过渡层再 到钴 基工作层 , 显微硬度也呈梯度平缓增大 , 因此涂层具有无裂纹、 内韧外硬的特性 关 键 词 : 铜 ; 激光熔覆 ; 功能梯度涂层 ; 镍基合金 ; 钴基合金 文献标识码 : A 文章编号 : 1005 3026( 2008) 11 1581 04 中图分类号 : T G 142
第 29 卷第 11 期 2 00 8 年 11 月
东 北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) Journal of Nort heastern U niversity( Natural Science)
Vol 29, No. 11 Nov . 2 0 0 8
铜板上激光熔覆制备 Co Ni Cu 梯度涂层
Abstract: A 10 kW CO 2 laser w as used to prepare the Ni Cu t oughness transition coat ings on copper substrate w it h the fast laser cladding process parameters optimized. T hen, a Co base coat ing w as deposit ed on t he t ransit ion coat ing surf ace by pow der fed for laser cladding to form a Co Ni Cu funct ional gradient coating ( FGC) w hose m icrost ruct ure is f ine, dense and def ect f ree. T he vert ical graded distribut ion of t he composit ion, structure and t hermal propert ies of t he coat ing composed of 3 layers, i. e. , t he copper subst rat e, Ni base t ransit ion lay er and Co base w orking layer, enables the thermal st ress during laser cladding to be relaxed, thus avoiding complet ely t he format ion of cracks. T he reason is t hat t he format ion of M 7C 3 / M 23 C 6 t ype carbides and Co base solid solut ion can provide a maximum microhardness value for Co base w orking layer up to 655 HV, about 7. 3 t imes higher t han copper subst rate ( 90 HV only ) . F urt hermore, t he vert ical microhardness distribut ion of the coat ing reveals t he slow increase in g radient from substrate t o top layer. It thus verified t hat t he Co Ni Cu coating is crack free and hard on surface w it h toug h at core. Key words: Cu; laser cladding; funct ional g radient coat ing; Ni base alloy; Co base alloy 铜及铜合金具有良好的导热性、 耐腐蚀性等 优点 , 被广泛用于连铸机的结晶器上 但是由于铜 的硬度很低, 使得耐磨性能较差 通过制备表面涂 层来改善铜的耐磨性能成为新的研究热点
1582 熔覆的研究 很少[源自文库45]
东北大学学报 ( 自然科学版 ) , 且涂层的 裂纹倾向 较大,
第 29 卷
致使涂层和基体间界面失效 为了解决界面失效 问题 , 主要从抑制裂纹的角度 , 本文引入功能梯度 材料的设计思想, 通过激光熔覆制备功能梯度涂 层, 使得涂层的构成和性能沿厚度方向呈现梯度 变化
Fig. 4
图 4 钴基熔覆表层的 TEM 明场像及选区电子衍射图 Bri ght field TEM micrographs and thei r correspondi ng SAD patterns of the surface of Co base clading coating ( a) Co, ( Fe, N i) 23 C6 ; ( b) Cr7 C3 , Co25Cr25W 8C, Co3 M o2Si
图 2 Co Ni Cu 梯度涂层扫描电镜形貌 Fig. 2 SEM images of mor phologies of different l ayers of Co Ni Cu gr adi ent coati ng
图 3 是 Co Ni Cu 梯度涂层的 SEM 形貌及对 应的 Cu, Ni 和 Co 元素成分分布图 从中可以看 出, Cu, Ni 和 Co 元素成分呈一定梯度变化 在过渡层 镍基和铜基体界 面处的物 相图谱 中, 除 了 铜之 外, 涂 层 中还 形 成 了铜 - 镍固 溶 体
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东北大学学报 ( 自然科学版 )
第 29 卷
图 4 为钴基熔覆表层的 T EM 明场像及选区 电子衍射图 可以观察到熔覆表层有面心立方结 构的 Co 基固溶 体、 正交结构的 Cr7 C 3 、 面心立方 结构 的 ( F e, Ni ) 23 C 6 、 体 心 立方 结 构的 Co 25 Cr 25 W 8 C 及六方结构 的 Co 3M o 2 Si 形成 这 些物质的 生成 , 使得钴基涂层具有更高的红硬性、 高温耐磨 性和抗氧化性 2. 2 涂层的显微硬度 图 5 为熔覆层的显微硬度 从图中可见镍基 合金涂层较铜基体有所提高, 而表层钴基涂层的 硬度最 高能达 到 655 HV, 是 铜基 体 ( 90 H V) 的 7 3 倍左右 钴基涂层硬度的显著提高主要归因 于 M 7 C 3 和 M 23 C6 型碳化物的形成 而且从熔覆 层到铜基体, 显微硬度逐渐减小 , 而没有突变 , 这 就会使熔覆层与基体之间的应力平稳过渡 , 不会 在磨损过程中发生涂层的剥落 另外, 硬度在很大 程度上和耐磨性有一定的正比关系, 所以钴基涂 层高的显微硬度使得其耐磨性比铜基体会有很大 改善和提高 再者, 钴基熔覆涂层致密均匀的组织 也会提高其耐磨性能
图 1 Co Ni Cu 梯度涂层组织形貌 Fig. 1 Optical mi crostructure of Co Ni Cu gradient coating
图 2 为 Co Ni Cu 梯度涂层组织扫描电镜形 貌 从钴基表层至铜基体不同组织的视野里组织 致密 , 无缺陷, 而且钴- 镍界面、 镍- 铜界面都非 常平滑, 无裂纹等缺陷