[发明专利]铜合金表面激光熔覆铜基金刚石颗粒增强复合涂层的方法

说明书

本发明属于金属材料表面改性领域，公开了一种在铜及铜合金表面采用激光熔覆技术制备铜基金刚石颗粒增强复合涂层的方法。采用金属铬和银依次镀覆在金刚石颗粒表面，形成铬/银双镀层金刚石颗粒，将所述铬/银双镀层金刚石颗粒与紫铜粉进行混合配制金刚石/紫铜混合粉末，所述金刚石/紫铜混合粉末铺于铜合金基板，再铺上紫铜粉，进行烧结固化成型，然后采用激光熔覆的方法熔化预置的所述金刚石/紫铜混合粉末，凝固后形成铜基金刚石颗粒增强复合涂层。本发明采用双镀层预处理金刚石颗粒，有效避免了金刚石颗粒在加工中出现的结构损伤，同时解决了金刚石与铜基体的结合问题。

技术领域

本发明涉及金属材料表面改性领域，尤其涉及一种铜合金表面激光熔覆铜基金刚石颗粒增强复合涂层的方法。

背景技术

铜及其合金具有优良的导电和导热性能，在电子封装、大型散热器件中得到广泛应用。然而，随着技术升级造成装备服役环境的愈发恶劣，要求散热器件不仅具备较高的导热导电性能，同时具备较高的耐磨性能，如钢铁生产行业中使用的钢铁连铸结晶器，承受着钢铁连铸生产中的超高温和强摩擦作用；电磁炮作为下一代先进动能杀伤武器，其导轨材料既要承受炮弹发射时热损耗而产生的高温，还要承受炮弹在导轨上运动时的高速摩擦作用。传统的单质铜及铜合金材料已经无法满足这些高技术装备的综合要求和高指标要求。因此铜基材料的表面复合化是其发展的必然趋势，亟需在铜合金表面制备出高耐磨性能的涂层材料，同时不降低铜合金表面与外界的热传导效率。

金刚石是自然界中导热性能最高的材料，导热系数约在2000W/(m·K)左右，同时金刚石的原子结构决定了它具备极高的硬度和较低的热膨胀系数，已被广泛应用在高摩擦工况的切割刀具表面。因此，如果能将金刚石颗粒作为弥散强化相与铜粉混合并在传统导热材料表面制备一种复合材料涂层，则会在确保材料整体导热性能不下降的情况下，极大地提升材料表面的耐磨性能。

目前，对于铜基金刚石颗粒增强复合材料及其激光熔覆涂层已经有一定的研究，例如：在《.铬包覆的金刚石颗粒增强铜基复合材料的热物理性能研究》中，朱聪旭等人通过混合熔盐法对金刚石表面进行镀铬处理，并采用放电等离子烧结技术制备了镀铬金刚石颗粒增强铜基复合材料，结果表明金刚石与铜基体的界面结合得到优化，复合材料的密度和热导率获得较大提升，放电等离子烧结工艺下较长的高温停留时间极易造成金刚石表面镀层厚度的增加，从而导致镀层出现开裂等现象，进而导致金刚石石墨化以及界面结合的恶化；在《激光熔覆/熔注法制备金属基金刚石复合涂层研究》中，吴佳采用激光熔覆技术在45钢表面分别制备了铁基和镍基的金刚石颗粒增强涂层，结果显示铁/镍基金刚石颗粒涂层的应用分别提升了基体表面60％和30％的耐磨性能，但是涂层内部的金刚石颗粒均发生了较大程度的石墨化相变，未镀覆的金刚石颗粒在激光的辐照下极易发生石墨化相变，且镍、铁等传统耐磨材料作为基体粉末在提高涂层耐磨性能的同时牺牲了涂层的导热性。然而，在铜基合金表面激光熔覆制备金刚石颗粒增强铜基涂层材料还存在较多困难，主要存在以下几个问题：

(1)铜基体导热系数很高，而且对于激光的反射率较高，不利于涂层与基体的熔化和界面有效结合；

(2)金刚石在激光照射的高温下易发生石墨化转变，原子结构遭到破坏从而丧失金刚石的物理性质，同时在有氧环境下，金刚石石墨化的温度会进一步降低；

(3)铜在高温下对氧含量较为敏感，易形成氧化物，造成铜基体与金刚石颗粒之间难以形成有效界面结合。

因此，本发明致力于优化激光熔覆工艺方案，以及开发金刚石颗粒界面优化的方法，提供了一种铜合金表面激光熔覆铜基金刚石颗粒增强复合涂层的方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是避免金刚石颗粒在加工中出现的石墨化转变而导致原子结构损伤，同时解决金刚石与铜基体的界面结合问题。