專利名稱：：一種激光與熱噴涂復(fù)合工藝制備銅基鎢涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種鎢涂層的制備方法，具體地說(shuō)，是指一種采用激光與熱噴涂復(fù)合技術(shù)制備銅基鎢梯度涂層的方法。
背景技術(shù)：
：鎢具有高熔點(diǎn)、高硬度、高濺射閥值、低濺射率、良好的抗熱沖擊等高溫性能，是作為裝備中熱端部件的理想材料，在射線靶材、火箭噴嘴、飛機(jī)噴管喉襯、核聚變裝置中的第一壁等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但鎢在高溫條件下承受高通量的熱輻照、熱沖擊作用，工況惡劣，必須對(duì)其另一面進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，及時(shí)釋放熱量才能滿足使用要求。銅具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能、良好的室溫塑韌性，將鎢、銅復(fù)合在一起，借助銅良好的傳熱性能快速釋放熱量，是目前公認(rèn)的有望實(shí)現(xiàn)鎢在熱端部件上應(yīng)用的有效手段之一?，F(xiàn)常用熱噴涂等方法制備銅、鎢材料，但銅、鎢的熱膨脹系數(shù)相差很大，實(shí)現(xiàn)兩者有效復(fù)合難度很大。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00610132428.7報(bào)道利用低壓等離子體噴涂方法在銅或銅合金板上制備鎢涂層，并采用純銅底層-銅鎢過(guò)渡層_純鎢涂層的梯度涂層結(jié)構(gòu)，降低涂層與基體的熱應(yīng)力，提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度及涂層的抗熱震性能。中國(guó)專利200510095156.3公開(kāi)了利用真空等離子體噴涂方法在銅合金表面制備鎢涂層的方法。首先在銅合金表面噴涂NiCrAl粉作為中間適配層，再在適配層上噴涂鎢粉制備鎢涂層，借助適配層的過(guò)渡作用有效解決鎢涂層與銅合金之間的殘余應(yīng)力問(wèn)題，使涂層系統(tǒng)可以穩(wěn)定地承受510麗/m2熱負(fù)荷的長(zhǎng)期作用。上述兩種方法是采用熱噴涂技術(shù)制備鎢涂層。但熱噴涂技術(shù)存在下列缺點(diǎn)涂層與基體為機(jī)械結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度低，涂層中存在孔洞、裂紋等缺陷，致密度低，在高熱載荷沖擊作用下，易發(fā)生涂層早期剝落。雖然通過(guò)涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并配合工藝調(diào)整，解決了銅、鎢熱膨脹系數(shù)不匹配而造成的熱應(yīng)力問(wèn)題，提高了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度及涂層的抗熱震性能，但仍不能滿足鎢涂層在高熱輻照、高熱沖擊條件下的使用要求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有熱噴涂技術(shù)的不足，提供一種激光與熱噴涂復(fù)合工藝制備鎢梯度涂層的方法。通過(guò)梯度涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決因銅、鎢熱膨脹系數(shù)不匹配而造成的熱應(yīng)力問(wèn)題；通過(guò)高能量激光束重熔熱噴涂涂層，制備與銅基體形成良好冶金結(jié)合，表層致密的鎢涂層，提高涂層與基體及涂層內(nèi)聚結(jié)合性能，以滿足鎢涂層在高溫條件下具有良好的抗熱輻照、抗熱沖擊性能的要求。本發(fā)明的目的是依次包括以下步驟的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的(1)將銅板或銅合金板經(jīng)除油、噴砂粗化后，采用低壓等離子噴涂系統(tǒng)制備厚度為0.050.3mm的過(guò)渡底層；(2)采用0)2激光束重熔過(guò)渡底層工藝參數(shù)為激光功率410kW，光斑尺寸25mm，掃描速度14m/min，搭接率1050%，掃描過(guò)程中通氬氣保護(hù)，銅板或銅合金板背面采用強(qiáng)制水冷卻，使表面溫度低于30(TC;(3)噴砂粗化過(guò)渡底層，采用低壓等離子噴涂系統(tǒng)制備厚度為O.1lmm的中間過(guò)渡層；(4)噴砂粗化中間過(guò)渡層，采用低壓等離子噴涂系統(tǒng)制備厚度為12mm的鎢涂層；(5)采用C02激光束重熔鎢涂層工藝參數(shù)為激光功率510kW，光斑尺寸13mm，掃描速度為0.52m/min，搭接率1050%，掃描過(guò)程中通氬氣保護(hù)，銅板或銅合金板背面采用強(qiáng)制水冷卻，使表面溫度低于300°C。所述的過(guò)渡底層為能夠與銅無(wú)限固溶的鎳基合金，合金中的C0.1%，Crl.22.5%，Si0.51.5%，B0.31.2%，Cu3050%，余量為Ni。所述的中間過(guò)渡層為Ni-W合金，合金中Ni3070%，W3070%。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(l)采用梯度涂層結(jié)構(gòu)，使銅基體到涂層材料的成分是從Cu到Ni、再?gòu)腘i到W的梯度過(guò)渡，由于Ni與Cu、W都有較好的固溶度，從而解決了由于Cu、W熱膨脹系數(shù)不匹配而造成的熱應(yīng)力問(wèn)題；(2)采用高能量激光束重熔熱噴涂涂層，克服了熱噴涂涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度低的問(wèn)題，制備出的鎢涂層與基體具有良好的冶金結(jié)合，表層致密，保證涂層具有良好的抗熱輻照、抗熱沖擊性能。圖1是低壓等離子體噴涂涂層截面組織形貌的掃描照片，是依次在無(wú)氧紫銅板上噴涂Ni基合金過(guò)渡底層、Ni-W中間層及鎢涂層，Ni基合金過(guò)渡底層及鎢涂層均沒(méi)有采用激光重熔處理。圖2為實(shí)施例1激光重熔熱噴涂涂層截面組織形貌掃描照片。圖3為實(shí)施例1激光重熔后鎢涂層的X-射線衍射圖譜。圖4為采用圖1步驟制備的涂層經(jīng)50次熱震后的截面形貌掃描照片。圖5為實(shí)施例1激光重熔熱噴涂涂層經(jīng)50次熱震后截面形貌掃描照片。下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。具體實(shí)施方式實(shí)施例11)將經(jīng)丙酮除油，噴砂粗化處理的無(wú)氧紫銅板裝入低壓等離子體系統(tǒng)真空室中，抽真空至O.lkPa，充氬氣作為保護(hù)氣體，開(kāi)啟轉(zhuǎn)移弧進(jìn)行表面清理和預(yù)熱，然后噴涂鎳基合金粉，成分C0.1%，Crl.2%，Si0.5%，B0.3%，Cu30%，Ni67.9%，粒度范圍1050iim，涂層厚度為0.lmm的鎳基過(guò)渡底層；2)激光重熔步驟1)得到的鎳基過(guò)渡底層工藝參數(shù)為激光功率4kW，光斑尺寸2mm，掃描速度lm/min，搭接率30%，掃描過(guò)程中通氬氣保護(hù)，紫銅板背面采用強(qiáng)制水冷卻，使表面溫度低于30(TC，確保銅板，涂層不被氧化；3)噴砂粗化過(guò)渡底層后，低壓等離子噴涂Ni-W合金粉，成分Ni30%，W70%，粒度范圍1050iim，涂層厚度為lmm，得到Ni-W中間過(guò)渡層；4)噴砂粗化Ni-W中間過(guò)渡層后，低壓等離子噴涂鎢粉，涂層厚度為lmm，粒度范圍41050lim;5)激光重熔步驟4)得到的鎢涂層工藝參數(shù)為激光功率5kW，光斑尺寸lmm，掃描速度為0.5m/min，搭接率為10%，掃描過(guò)程中通氬氣進(jìn)行保護(hù)，紫銅板背面采用強(qiáng)制水冷卻，使表面溫度低于300°C，確保銅板，涂層不被氧化。圖1是低壓等離子體噴涂涂層截面組織形貌的SEM照片，依次是在無(wú)氧紫銅板上噴涂Ni基過(guò)渡底層、Ni-W中間層及鎢涂層，可以看出，Ni基過(guò)渡底層與基體為機(jī)械結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度低；鎢涂層有大量孔洞存在，LeicaDMIMR的圖象分析軟件測(cè)試鎢涂層的孔隙率約為4.2%。圖2是用激光重熔熱噴涂涂層截面組織形貌的SEM照片，可以看出，激光重熔的過(guò)渡底層與基體形成冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度明顯提高；激光重熔的鎢涂層孔洞明顯減少，涂層致密，LeicaDMIMR的圖象分析軟件測(cè)試?guó)d涂層的孔隙率約為0.64%。圖3是激光重熔后鎢涂層的X-射線衍射圖譜，鎢涂層僅有鎢的衍射峰出現(xiàn)，表明合金元素沒(méi)有擴(kuò)散到鎢涂層內(nèi)部。圖4為采用圖1步驟制備的涂層經(jīng)50次熱震后的截面形貌SEM照片，可以看出，50次熱震后，熱噴涂的鎢涂層開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，涂層已開(kāi)始剝落。圖5是激光重熔熱噴涂涂層經(jīng)50次熱震后截面形貌SEM照片，可以看出，由于采用激光重熔處理，使得鎢涂層的致密度和結(jié)合強(qiáng)度增加，經(jīng)50次熱震處理后，涂層沒(méi)有出現(xiàn)裂紋及剝落現(xiàn)象。實(shí)施例21)將經(jīng)丙酮除油，噴砂粗化處理的無(wú)氧紫銅板裝入低壓等離子體系統(tǒng)真空室中，抽真空至0.lkPa充氬氣作為保護(hù)氣體，開(kāi)啟轉(zhuǎn)移弧進(jìn)行紫銅板表面清理和預(yù)熱，然后噴涂Ni基合金粉，成分:C0.1%，Crl.8%，Si1.2%，B0.8%，Cu40%，Ni56.1%，粒度范圍1050iim，涂層厚度為0.lmm;2)將步驟1)中得到的涂層進(jìn)行激光重熔工藝參數(shù)為激光功率7kW，光斑尺寸3.5mm，掃描速度3m/min，搭接率10%，得到鎳基過(guò)渡底層；掃描過(guò)程中通氬氣保護(hù)，紫銅板背面采用強(qiáng)制水冷卻，使表面溫度低于30(TC，確保銅板，涂層不被氧化；3)重復(fù)步驟1)進(jìn)行低壓等離子噴涂Ni-W合金粉，成分Ni50%，W50%，粒度范圍1050iim，涂層厚度為0.5mm，得到Ni-W中間過(guò)渡層；4)重復(fù)步驟l)進(jìn)行低壓等離子噴涂鎢粉，涂層厚度為1.5mm，粒度范圍1050iim;5)將步驟4)得到的涂層進(jìn)行激光重熔工藝參數(shù)為激光功率8kW，光斑尺寸2mm，掃描速度1.5m/min，搭接率30%，得到所需鎢涂層，掃描過(guò)程中通氬氣保護(hù)，紫銅板背面采用強(qiáng)制水冷卻，使表面溫度低于300°C，確保銅板，涂層不被氧化。實(shí)施例31)將經(jīng)丙酮除油，噴砂粗化處理的無(wú)氧紫銅板裝入低壓等離子體系統(tǒng)真空室中，抽真空至0.lkPa充氬氣作為保護(hù)氣體，開(kāi)啟轉(zhuǎn)移弧進(jìn)行紫銅板表面清理和預(yù)熱，然后噴涂Ni基合金粉，成分:C0.1%，Cr2.5%，Sil.5%，B1.2%，Cu50%，Ni44.7%，粒度范圍1050iim，涂層厚度為0.lmm;2)將步驟1)得到的涂層進(jìn)行激光重熔工藝參數(shù)為激光功率IOW，光斑尺寸5mm，掃描速度4m/min，搭接率50%，得到鎳基過(guò)渡底層，掃描過(guò)程中通氬氣保護(hù)，紫銅板背面采用強(qiáng)制水冷卻，使表面溫度低于30(TC，確保銅板，涂層不被氧化；3)重復(fù)1)步驟進(jìn)行低壓等離子噴涂Ni-W合金粉，成分Ni70%，W30%，粒度范圍1050iim，涂層厚度為0.lmm得到Ni-W中間過(guò)渡層；4)重復(fù)1)步驟進(jìn)行低壓等離子噴涂鴇粉，涂層厚度為2mm，粒度范圍1050ym;5)將步驟4)中得到涂層進(jìn)行激光重熔工藝參數(shù)為激光功率10kW，光斑尺寸3mm，掃描速度2m/min，搭接率50%，得到所需鎢涂層，掃描過(guò)程中通氬氣保護(hù)，紫銅板背面采用強(qiáng)制水冷卻，使表面溫度低于300°C，確保銅板，涂層不被氧化。三個(gè)實(shí)施例的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。表1鎢涂層的熱震性能和孔隙率<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表1列出了熱噴涂涂層及激光重熔涂層的熱震性能和孔隙率，熱噴涂涂層是采用低壓等離子噴涂系統(tǒng)依次在無(wú)氧紫銅板上沉積Ni基過(guò)渡底層、Ni-W中間過(guò)渡層及鎢涂層；激光重熔涂層是用激光對(duì)Ni基過(guò)渡底層及鎢涂層進(jìn)行了重熔處理。熱震性能試驗(yàn)是將上述兩種涂層置入80(TC真空熱處理爐中，保溫15min后迅速放入水中淬火，每淬火一次是一次熱震過(guò)程?？梢钥闯?，激光處理后，涂層的抗熱震性能提高，孔隙率降低。熱震性能提高表明涂層具有較好的抗熱沖擊能力；致密度提高表明涂層具有較好的抗剝落性能及抗熱輻照性能，因此采用本發(fā)明方法制備的涂層具有較好的抗熱輻照及抗熱沖擊性能。權(quán)利要求一種激光與熱噴涂復(fù)合工藝制備銅基鎢涂層的方法，其特征是依次包括以下步驟(1)將銅板或銅合金板經(jīng)除油、噴砂粗化后，采用低壓等離子噴涂系統(tǒng)制備厚度為0.05～0.3mm的過(guò)渡底層；(2)采用CO2激光束重熔過(guò)渡底層工藝參數(shù)為激光功率4～10kW，光斑尺寸2～5mm，掃描速度1～4m/min，搭接率10～50％，掃描過(guò)程中通氬氣保護(hù)，銅板或銅合金板背面采用強(qiáng)制水冷卻，使表面溫度低于300℃；(3)噴砂粗化過(guò)渡底層，采用低壓等離子噴涂系統(tǒng)制備厚度為0.1～1mm的中間過(guò)渡層；(4)噴砂粗化中間過(guò)渡層，采用低壓等離子噴涂系統(tǒng)制備厚度為1～2mm的鎢涂層；(5)采用CO2激光束重熔鎢涂層工藝參數(shù)為激光功率5～10kW，光斑尺寸1～3mm，掃描速度0.5～2m/min，搭接率10～50％，掃描過(guò)程中通氬氣保護(hù)，銅板或銅合金板背面采用強(qiáng)制水冷卻，使表面溫度低于300℃。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光與熱噴涂復(fù)合工藝制備銅基鎢涂層的方法，其特征是所述的過(guò)渡底層為能夠與銅無(wú)限固溶的鎳基合金，合金中的C0.1%，Cr1.22.5%，Si0.51.5%，B0.31.2%，Cu3050%，余量為Ni。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光與熱噴涂復(fù)合工藝制備銅基鎢涂層的方法，其特征是所述的中間過(guò)渡層為Ni-W合金，合金中Ni3070%，W3070%。全文摘要一種激光與熱噴涂復(fù)合工藝制備銅基鎢涂層的方法。其特征是采用低壓等離子體噴涂系統(tǒng)在銅基體表面制備鎳基合金過(guò)渡底層，激光束重熔過(guò)渡底層；然后采用低壓等離子體噴涂系統(tǒng)制備Ni-W合金中間過(guò)渡層和鎢涂層，激光束重熔得到所述鎢涂層。本發(fā)明采用梯度涂層結(jié)構(gòu)，有效緩解了銅、鎢熱膨脹系數(shù)不匹配而造成的熱應(yīng)力問(wèn)題，提高了鎢涂層與基體以及鎢涂層的內(nèi)聚結(jié)合強(qiáng)度。采用激光束重熔可使涂層與基體達(dá)到冶金結(jié)合，提高結(jié)合性能，并獲得表層致密的鎢涂層。本方法制備的鎢涂層具有較好的抗熱輻照和抗熱沖擊性能，適合作為裝備中的熱端部件材料，如射線靶材、火箭噴嘴、飛機(jī)噴管喉襯、核聚變裝置中的第一壁材料等。文檔編號(hào)C23C4/08GK101717910SQ200910214018公開(kāi)日2010年6月2日申請(qǐng)日期2009年12月22日優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日發(fā)明者劉敏,周克崧,李福海,鄧暢光,鄺子奇,陳興馳,馬文有申請(qǐng)人:廣州有色金屬研究院