[发明专利]一种激光与热喷涂复合工艺制备铜基钨涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钨涂层的制备方法，具体地说，是指一种采用激光与 热喷涂复合技术制备铜基钨梯度涂层的方法。

背景技术

钨具有高熔点、高硬度、高溅射阀值、低溅射率、良好的抗热冲击等 高温性能，是作为装备中热端部件的理想材料，在射线靶材、火箭喷嘴、 飞机喷管喉衬、核聚变装置中的第一壁等领域应用广泛。但钨在高温条件 下承受高通量的热辐照、热冲击作用，工况恶劣，必须对其另一面进行强 制冷却，及时释放热量才能满足使用要求。铜具有优良的导热性能、良好 的室温塑韧性，将钨、铜复合在一起，借助铜良好的传热性能快速释放热 量，是目前公认的有望实现钨在热端部件上应用的有效手段之一。现常用 热喷涂等方法制备铜、钨材料，但铜、钨的热膨胀系数相差很大，实现两 者有效复合难度很大。

中国专利申请号200610132428.7报道利用低压等离子体喷涂方法在铜 或铜合金板上制备钨涂层，并采用纯铜底层-铜钨过渡层-纯钨涂层的梯度涂 层结构，降低涂层与基体的热应力，提高涂层与基体的结合强度及涂层的 抗热震性能。

中国专利200510095156.3公开了利用真空等离子体喷涂方法在铜合金 表面制备钨涂层的方法。首先在铜合金表面喷涂NiCrAl粉作为中间适配层， 再在适配层上喷涂钨粉制备钨涂层，借助适配层的过渡作用有效解决钨涂 层与铜合金之间的残余应力问题，使涂层系统可以稳定地承受5～10MW/m² 热负荷的长期作用。

上述两种方法是采用热喷涂技术制备钨涂层。但热喷涂技术存在下列 缺点：涂层与基体为机械结合，结合强度低，涂层中存在孔洞、裂纹等缺 陷，致密度低，在高热载荷冲击作用下，易发生涂层早期剥落。虽然通过 涂层结构设计并配合工艺调整，解决了铜、钨热膨胀系数不匹配而造成的 热应力问题，提高了涂层与基体的结合强度及涂层的抗热震性能，但仍不 能满足钨涂层在高热辐照、高热冲击条件下的使用要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有热喷涂技术的不足，提供一种激光与热喷涂 复合工艺制备钨梯度涂层的方法。通过梯度涂层结构设计，解决因铜、钨 热膨胀系数不匹配而造成的热应力问题；通过高能量激光束重熔热喷涂涂 层，制备与铜基体形成良好冶金结合，表层致密的钨涂层，提高涂层与基 体及涂层内聚结合性能，以满足钨涂层在高温条件下具有良好的抗热辐照、 抗热冲击性能的要求。

本发明的目的是依次包括以下步骤的技术方案实现的：

(1)将铜板或铜合金板经除油、喷砂粗化后，采用低压等离子喷涂系 统制备厚度为0.05～0.3mm的过渡底层；

(2)采用CO₂激光束重熔过渡底层：工艺参数为：激光功率4～10kW， 光斑尺寸2～5mm，扫描速度1～4m/min，搭接率10～50％，扫描过程中通氩 气保护，铜板或铜合金板背面采用强制水冷却，使表面温度低于300℃；

(3)喷砂粗化过渡底层，采用低压等离子喷涂系统制备厚度为 0.1～1mm的中间过渡层；

(4)喷砂粗化中间过渡层，采用低压等离子喷涂系统制备厚度为 1～2mm的钨涂层；

(5)采用CO₂激光束重熔钨涂层：工艺参数为：激光功率5～10kW， 光斑尺寸1～3mm，扫描速度为0.5～2m/min，搭接率10～50％，扫描过程中 通氩气保护，铜板或铜合金板背面采用强制水冷却，使表面温度低于300℃。

所述的过渡底层为能够与铜无限固溶的镍基合金，合金中的C 0.1％， Cr1.2～2.5％，Si 0.5～1.5％，B 0.3～1.2％，Cu 30～50％，余量为Ni。

所述的中间过渡层为Ni-W合金，合金中Ni 30～70％，W 30～70％。

本发明的优点在于：(1)采用梯度涂层结构，使铜基体到涂层材料的 成分是从Cu到Ni、再从Ni到W的梯度过渡，由于Ni与Cu、W都有较 好的固溶度，从而解决了由于Cu、W热膨胀系数不匹配而造成的热应力问 题；(2)采用高能量激光束重熔热喷涂涂层，克服了热喷涂涂层与基体结 合强度低的问题，制备出的钨涂层与基体具有良好的冶金结合，表层致密， 保证涂层具有良好的抗热辐照、抗热冲击性能。

附图说明