[发明专利]一种Cr3C2-Cu复合材料构件的激光成形方法

说明书

技术领域

本发明属于激光成形领域，涉及一种Cr₃C₂-Cu复合材料部件的激光成形方法。

背景技术

滑动摩擦电接触材料广泛应用于电动机上的电刷，电力传输设备的导电弓、受电靴、电拔插头等。电弧放电和摩擦磨损是滑动摩擦电接触材料主要失效形式。滑动摩擦电接触材料主要有纯金属、碳滑板、粉末冶金复合材料、浸铜碳滑板等几种类型。金属滑板导电性好，但容易引发放电现象造成电弧灼烧。碳滑板润滑性好，但电阻率高且机械强度低，自身磨损比较严重。粉末冶金复合材料硬度较高，但对摩擦副磨损比较严重，且本身成本较高。浸铜碳滑板是目前比较优秀的导电弓网滑板材料，但面临着抗冲击性能差，维护成本高等问题。

Cr₃C₂-Cu复合材料是在Cu合金的基础上，通过液相Cr与石墨C反应原位生成Cr₃C₂金属碳化物来增强Cu基复合材料。Cr3C2-Cu是具有优秀的综合力学性能的铜基复合材料，成为电力传输应用中的新型滑动摩擦电接触材料的新选择。

MMC的制备技术依据增强颗粒的加入方式的不同，可分为原位自生和强制加入两种。外加Cr₃C₂颗粒的激光加工复合材料，会导致材料中Cr₃C₂分解，并重新生成Cr₇C₃等碳化物，成为Cr₃C₂复合材料激光加工的难点之一。原位自生技术借助合金设计，在基体金属内原位反应成核，生成一种或几种热力学稳定的增强相，这种方法避免了外加增强体的分解、节约能源、资源并能够减少排放，材料的增强体表面无污染，制品性能优良。但其工艺过程要求严格、较难掌握、且增强相的成分和体积分数不易控制。

激光成形工艺利用小体积累积成形的方法，可以在宏观控制增强相的均匀分布，为送粉激光原位成形颗粒增强MMC提供可能。金属粉与石墨粉的堆积密度相差较大，在激光成形过程中，容易因为粉体密度相差较大而造成分层，在成形部件中造成增强相的分布不均，而且会改变增强相的设计成分，大幅降低Cr₃C₂-Cu复合材料部件的性能。因此本发明采用在线连续送粉激光原位复合成形的方法，制备Cr₃C₂-Cu复合材料部件，实现形部件的增强相分布的连续可控。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种增强相分布可控的Cr₃C₂-Cu复合材料构件的激光成形方法。本发明方法从原位合成路线着手，利用多料斗激光成形工艺，使Cr₃C₂增强相在Cu基复合材料中均匀分布，实现性能优良的Cr₃C₂-Cu复合材料部件的激光成形。

本发明方法主要包括以下步骤：

（1）原料配方与预处理

原料配方为：石墨3.87~5.22wt.%，Cr26.73~34.53wt.%，稀土氧化物0.48~0.65wt.%，Cu59.6~68.9wt.%；原料采用粉体形式，金属Cu、Cr粉和石墨的颗粒尺寸50~200微米；将金属Cr粉和稀土氧化物粉末混合球磨0.5~5小时；

（2）送粉与混料

采用多料斗螺旋送粉混合系统进行送粉和及时混合，所述多料斗螺旋送粉混合系统由三个送粉器分别通过送粉管与一个共同的激光头连接组成，将Cr粉和稀土氧化物的混合粉末放入第1个料斗中，Cu粉置于第2料斗中，石墨粉置于第3个料斗中，3个送粉器同时送粉，并通过调整螺杆转速控制粉体的比例；

（3）激光成形

所述激光头采用3管同轴不连续喷嘴，对熔池环抱送粉，使熔池各成分均匀分布；对设计部件的数字图形分层切片，并建立激光扫描路径，在数控机床上进行激光成形；成形过程中，调节螺杆转速，使得局部生成的增强相Cr₃C₂比例成梯度连续变化，即构件外层为Cr₃C₂-Cu复合材料，内层为金属基体材料，并最终使用的原料符合步骤（1）的比例要求。