TiB2/Cu熔覆层质量研究

摘要：本文采用500W YAG固体激光器在纯铜表面原位合成?TiB2/Cu表面复合材料，接着对熔覆层的硬度进行了测定。结果表明，熔覆层表面的显微硬度达480～500HV；在保证界面良好的基础上，光斑直径一定，硬度随扫描速度的增大、激光功率的减小而增大。

关键词：激光熔覆 熔覆层质量 显微硬度

激光熔覆技术是一项新兴的材料表面改性技术，它具有稀释率低、热影响区小、熔覆件扭曲变形小、过程简单易行等优点，能显著改善基体表面的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性等，具有良好的应用前景。同时激光熔覆又具有急冷急热的特性，在熔覆过程中会发生相变，继而产生相应的内应力，加大熔覆层开裂的倾向[1]。本文采用激光熔覆的方法在纯铜表面获得一层TiB2/Cu熔覆层，然后对熔覆层的质量进行了研究。

1、实验部分

基底材料选择紫铜，试样尺寸为25mm×15mm×5mm，粉末材料选取Ti粉、Cu粉和B4C粉，合金粉末的配比（wt.%）为Cu：Ti：B4C=72:14:14。在搅拌式高能球磨机中对合金粉末进行高能球磨，球磨参数为：转速480转/分钟，球料比20:1，氩气保护下球磨活化2.5小时。选用硝化纤维素作为粘结剂，经丙酮稀释后加入粉末中。激光器选用500W Nd:YAG固体激光器。选取的熔覆层参数为：激光功率430W，扫描速度10mm/s，光斑直径1mm，搭接距离0.5mm。

2、实验结果与分析

2.1 熔覆层截面形貌分析

假定α、β为润湿角，H为熔覆高度，ω为熔覆宽度。α越大，涂层对基体润湿性越好；β越大基体熔化越少；当β=180°时，对应于平直的界面，基体熔化极少，是理想的熔覆状态；高宽比H/ω越小，熔覆材料的铺展能力越强；高宽比越大，熔覆材料的利用率越大。因此，在一定程度上润湿角、高宽比和宽高积Hω代表了激光熔覆层一定的熔覆行为。涂层的熔覆行为既与涂层及基体材料的性质有关，也受工艺因素的影响[2]。它们之间相互制约，对熔覆层作用复杂。只有针对实际要求，合理加以选择，才能获得高性能熔覆层。

2.2 熔覆层表面硬度分析

本试验采用HVS-1000型数显显微硬度计测量试样熔覆层内各点的显微硬度，进而分析其规律，达到研究熔覆层性能的目的。

从表层开始对熔覆层进行硬度测试，图1表示了试样熔覆层内的硬度分布，从图中可以看出，同一熔覆层内，随着距表面距离的增大，显微硬度逐渐减小，由表及里，基本上可以分为三个区域：熔覆区硬度最高，过渡区硬度居中，热影响区硬度最低，到200μm左右已接近纯铜的硬度。这是因为熔覆层内，TiB2的含量是由表面向基体逐渐减少的，熔覆层厚度约200μm。

在激光熔覆过程中，高能束作用下的固态金属不断熔化进入熔池，在张力作用下又不断离开熔池。在熔化与凝固的金属量保持动态平衡的过程中，TiB2就这样随着熔池的交错形成过程更多的被堆栈到熔覆层表面，从而使得表面硬度最大，当然其中也有TiB2轻而上浮的缘故[3]。在熔覆层过渡区及热影响区，由于增强相颗粒的上浮而残留下来的较少，即TiB2与铜结合减少，从而使得硬度逐渐降低，最后铜的百分比越来越大，硬度就接近于铜的硬度。

要获得较好的熔覆层硬度，还必须考虑到扫描速度与激光功率对熔覆层硬度的影响。激光光斑直径一定，随着扫描速度的增大或激光功率的减小，稀释率变小，熔池中基体被熔化部分就越少，涂层中复合材料颗粒相对含量增大，同时由于熔池积蓄的热量减小，凝固速度加快，形成的组织越细小，导致材料的显微硬度增大。

3、结语

(1)第二相TiB2颗粒能够显著提高铜基复合材料的硬度，熔覆区的显微硬度随着距试样表面距离的增大而不断减小并逐渐接近于纯铜的显微硬度。

(2)熔覆层质量受到稀释率因素的影响较大，选择合适的稀释率可以得到高质量的熔覆层。

参考文献

[1]孙耀宁,王晓梅,孙明,樊丁.激光熔覆在金属间化合物涂层材料制备中的应用.电焊机,2007,2(1):55-57.

[2]冯莉萍.激光多层涂敷的工艺特性研究.西安:西北工业大学硕士论文,2002.

[3]张维平,刘硕,马玉涛.激光熔覆原位生成TiB2及其组织结构研究.大连理工大学学报,2004,44(3):403-405.