一种耐高温磨损的激光熔覆铜基复合涂层及其制备方法

本发明涉及金属涂层，尤其涉及一种耐高温磨损的激光熔覆铜基复合涂层及其制备方法。

背景技术：

1、铜合金及其复合材料由于优异的导电性、导热性、力学性能和机械加工性能获得广泛应用，如新能源汽车、高速铁路、航空航天等领域。其中，铜镍合金具有较高的力学性能、抗腐蚀性和抗高温软化性能，可以用作复杂苛刻工况下的高强度零件。但由于铜镍合金摩擦学性能较差，无法满足高温、高速、重载等苛刻工况，极大地限制了其应用范围。因此在铜镍合金基础上设计制备能够在高温环境下服役的耐磨损铜基复合材料具有重要的工程应用价值。

2、激光熔覆技术作为一种重要的材料加工手段，具有涂层组织致密、晶粒细小、对基材热影响区小等优点，广泛用于改善材料的耐磨性能、耐蚀性能和抗氧化性能。专利cn117364077a公开了一种铜基激光熔覆涂层及制备方法，该涂层由质量百分比为48~67%的cu、28~47%的cr、3~7%的tio2和0.4~0.8%的ceo2组成，具有较高的硬度和耐磨性能，平均硬度在160~220 hv,质量磨损率为9~17 mg/km。专利cn117070936a公开了一种激光熔覆铜基耐磨中熵合金涂层的制备方法，通过ni、cr、fe等元素固溶强化和原位自生cu6.5sn增强相使得涂层硬度达到392 hv，但其并没有公开其高温抗磨损性能。专利cn114892167a公开了一种激光熔覆高熔点颗粒增强铜合金涂层，该制备方法使用了大量稀有金属如w、mo、ta、nb，具有成本高、经济效益低的缺点，且没有公开其高温抗磨损性能。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种在高温环境下性能优良的耐高温磨损的激光熔覆铜基复合涂层。

2、本发明所要解决的另一个技术问题是提供该耐高温磨损的激光熔覆铜基复合涂层的制备方法。

3、为解决上述问题，本发明所述的一种耐高温磨损的激光熔覆铜基复合涂层，其特征在于：该涂层按质量百分比计，由30.0~60.0%的镍包石墨粉、6.8~11.9%的ni粉、1.2~2.1%的al粉、0.4~0.7%的fe粉、0.4~0.7%的cr粉、0.4~0.7%的mn粉和0.4~0.7%的稀土氧化物以及余量cu粉组成。

4、所述涂层在室温至500 ℃的摩擦系数为0.39~0.55，磨损率为（0.34~6.69）×10-5mm3/nm。

5、如上所述的一种耐高温磨损的激光熔覆铜基复合涂层的制备方法，其特征在于：首先按照配比称重，然后将cu粉、ni粉、al粉、fe粉、cr粉、mn粉、稀土氧化物和镍包石墨粉用行星式球磨机混合均匀，所得混合粉末经干燥处理后送入送粉器，并在处理后的金属基材表面进行激光熔覆，熔覆完成后自然冷却，即得耐高温磨损的激光熔覆铜基复合涂层。

6、所述cu粉、ni粉、al粉、fe粉、cr粉和mn粉均为球形粉末，且粉末纯度均≥99.8%，粒度大小均为45~75 μm。

7、所述稀土氧化物为ceo2粉末，纯度≥99.9%，粒度大小为15~25 μm。

8、所述镍包石墨粉的粒度大小为45~90 μm；该镍包石墨粉中石墨质量百分含量为25%。

9、所述球磨条件是指采用聚四氟乙烯球磨罐和氮化硅磨球，在球料质量比为0.5:1、转速为150~200 r/min的条件下球磨2~4小时。

10、所述干燥处理的温度为80~100 ℃，时间为1小时。

11、所述处理后的金属基材按下述方法制得：在钢材表面用碳化硅砂纸打磨去除氧化层，再用氧化铝喷丸进行喷砂处理使钢材表面粗化，最后用无水乙醇对钢材表面进行清洗并吹干即得。

12、所述激光熔覆的条件是指激光功率为0.6~0.9 kw，搭接率为40~60%，扫描速度为800~1000 mm/min，送粉率为6~8 g/min，保护气与载气均为氩气，保护气流量为10~20 l/min。

13、本发明与现有技术相比具有以下优点：

14、1、本发明通过激光熔覆方法在钢材表面制备了与基体冶金结合的铜基复合涂层，该涂层具有结合强度高、晶粒细小、孔隙率低等优点。

15、2、本发明通过添加合金元素ni、al、fe、cr、mn，提高了涂层的高温力学性能，同时添加石墨改善了涂层的摩擦学性能，添加ceo2粉末改善了涂层的成形质量和综合性能。

16、3、本发明通过材料配方和工艺参数的调整，可以调控涂层性能，制备的耐高温摩擦磨损铜基复合涂层在室温至500 ℃具有稳定的摩擦系数和优异的耐磨损性能。

17、4、本发明工艺简单、生产效率高、应用前景广，适用于在高温、高速等苛刻条件下的机械运动部件表面涂层，如作为平面滑动轴承、衬套、轴瓦等关键部件。

技术特征：

1.一种耐高温磨损的激光熔覆铜基复合涂层，其特征在于：该涂层按质量百分比计，由30.0~60.0%的镍包石墨粉、6.8~11.9%的ni粉、1.2~2.1%的al粉、0.4~0.7%的fe粉、0.4~0.7%的cr粉、0.4~0.7%的mn粉和0.4~0.7%的稀土氧化物以及余量cu粉组成。

2.如权利要求1所述的一种耐高温磨损的激光熔覆铜基复合涂层，其特征在于：所述涂层在室温至500 ℃的摩擦系数为0.39~0.55，磨损率为（0.34~6.69）×10-5 mm3/nm。

3.如权利要求1或2所述的一种耐高温磨损的激光熔覆铜基复合涂层的制备方法，其特征在于：首先按照配比称重，然后将cu粉、ni粉、al粉、fe粉、cr粉、mn粉、稀土氧化物和镍包石墨粉用行星式球磨机混合均匀，所得混合粉末经干燥处理后送入送粉器，并在处理后的金属基材表面进行激光熔覆，熔覆完成后自然冷却，即得耐高温磨损的激光熔覆铜基复合涂层。

4.如权利要求3所述的一种耐高温磨损的激光熔覆铜基复合涂层的制备方法，其特征在于：所述cu粉、ni粉、al粉、fe粉、cr粉和mn粉均为球形粉末，且粉末纯度均≥99.8%，粒度大小均为45~75 μm。

5.如权利要求3所述的一种耐高温磨损的激光熔覆铜基复合涂层的制备方法，其特征在于：所述稀土氧化物为ceo2粉末，纯度≥99.9%，粒度大小为15~25 μm。

6.如权利要求3所述的一种耐高温磨损的激光熔覆铜基复合涂层的制备方法，其特征在于：所述镍包石墨粉的粒度大小为45~90 μm；该镍包石墨粉中石墨质量百分含量为25%。

7.如权利要求3所述的一种耐高温磨损的激光熔覆铜基复合涂层的制备方法，其特征在于：所述球磨条件是指采用聚四氟乙烯球磨罐和氮化硅磨球，在球料质量比为0.5:1、转速为150~200 r/min的条件下球磨2~4小时。

8.如权利要求3所述的一种耐高温磨损的激光熔覆铜基复合涂层的制备方法，其特征在于：所述干燥处理的温度为80~100 ℃，时间为1小时。

9.如权利要求3所述的一种耐高温磨损的激光熔覆铜基复合涂层的制备方法，其特征在于：所述处理后的金属基材按下述方法制得：在钢材表面用碳化硅砂纸打磨去除氧化层，再用氧化铝喷丸进行喷砂处理使钢材表面粗化，最后用无水乙醇对钢材表面进行清洗并吹干即得。

10.如权利要求3所述的一种耐高温磨损的激光熔覆铜基复合涂层的制备方法，其特征在于：所述激光熔覆的条件是指激光功率为0.6~0.9 kw，搭接率为40~60%，扫描速度为800~1000 mm/min，送粉率为6~8 g/min，保护气与载气均为氩气，保护气流量为10~20 l/min。

技术总结本发明涉及一种耐高温磨损的激光熔覆铜基复合涂层，该涂层按质量百分比计，由30.0~60.0%的镍包石墨粉、6.8~11.9%的Ni粉、1.2~2.1%的Al粉、0.4~0.7%的Fe粉、0.4~0.7%的Cr粉、0.4~0.7%的Mn粉和0.4~0.7%的稀土氧化物以及余量Cu粉组成。同时，本发明还公开了该涂层的制备方法。本发明制备工艺简单、生产效率高，所得涂层具有与基体结合强度高、硬度高、耐高温以及在室温至500℃摩擦系数稳定、耐磨损性能优异的特点，适合在高温、高速等苛刻条件下作为机械滑动部件抗磨损涂层。技术研发人员：谈辉,朱圣宇,陈志明,杨军,刘维民,程军,陈文元,陈娇受保护的技术使用者：中国科学院兰州化学物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/10/10