[发明专利]一种具有高硬导电表面的铜基复合材料及其激光增材制造方法

说明书

本发明公开了一种具有高硬导电表面的铜基复合材料的激光增材制造方法，其中所述高硬导电表面的铜基复合材料指Cu/Fe/Cr复合覆层，即以铜为基体、在铜基体表面依次为Fe基覆层和Cr基覆层。本发明采用激光熔覆装置、通过高速激光熔覆法，通过优化激光熔覆过程中的各工艺，比如Fe基覆层制备采用正离焦激光、铬基覆层采用负离焦激光等工艺，而实现了在铜基体表面依次制得具有高稀释率的Fe基覆层和低稀释率的Cr基覆层，获得具有特定成分、结构分布及高硬度高导电性的Cu/Fe/Cr复合覆层，其电导率最高达16.8%IACS、显微维氏硬度达到420HV。

技术领域

本发明具体涉及一种具有高硬导电表面的铜基复合材料及其激光增材制造方法。

背景技术

铜及铜合金具有高导电性和高导热性，因而被广泛应用于机械制造、电气电子、航空航天、海洋工业、汽车工业和军事工业等，是国民经济和科技发展的重要基础材料，但是铜的硬度低、耐磨性较差、不耐高温、不耐电弧烧蚀等问题突出，很大程度影响了其应用范围，制约了铜及铜合金在引线框架、电磁导轨、电触头等领域的发展。

铁铬合金是常见的不锈钢模型合金材料，具有较高的硬度和延展性，不易生锈耐腐蚀，耐高温腐蚀，常用于污染较重的工业区及海洋工业。同时，铁铬还具有良好的导电性和耐电弧烧蚀的性能，因此在电触头、电磁轨道等领域均存在较大应用前景。

激光熔覆是材料表面改性的重要手段。然而由于铜优异的导热性和高反射率，使得常规激光熔覆技术难以在铜基表面实现熔覆。

发明内容

为了克服常规激光熔覆难以在铜表面制备出具有高硬度铬基覆层的技术问题，本发明公开一种利用铁作为过渡和强化媒介的高硬度铬基覆层的材料设计和制备方法。

本发明之所以在铜表面制备铬覆层前增加熔覆Fe基覆层，是考虑到铬在铜中固溶度极低（最大固溶度仅0.56 wt.%），在铜表面熔覆铬往往得到铜相+铬相的混合组织，铜相的存在使得覆层硬度难以提高。若直接采用类似电镀铬的方法，虽然能够在铜表面获得一层厚度仅数十微米的硬铬层，然而由于硬铬层与铜基体物性差异极大，弹性模量和热导率在界面处突变，经受有限次力、热交变服役，即在界面处诱发微裂纹导致硬铬层破损脱落。若能在铜和铬之间设计一种过渡层，能够显著缓解铜与铬的物性差异，使弹性模量和热导率梯度式渐变，提高覆层在交变力热负载服役环境的可靠性；同时若该过渡层还能强化铬层，则可以进一步提高表层铬的硬度，提高铜工件的耐磨性能。因此，该过渡层一方面应当与铜具有较大固溶度形成双相组织，另一方面应该与铬形成单相组织。而铁在铜中具有4.6wt.%的最大固溶度，同时铁与铬互溶形成固溶体。由此，本申请人选择铁作为过渡覆层，一方面利用铁作为中间过渡层，可以弥合铬与铜两种材料巨大的物性差异，同时部分铁固溶到铬中显著地提高了铬层硬度，通过设计铜/铁/铬复合体系，保障各层的结合强度。

但本领域技术人员知道，即使设计了Fe过渡层，如果采用常规工艺，与制成单独的Fe/Cu结合结构、或者单独的Fe/Cr固溶体的制备方法一样，由于硬铬层与铜基体物性差异极大，对过渡层Fe与基体铜、以及在Fe过渡层形成高硬度铬基覆层的会有致命的影响，从而无法获得理论上的Cu/Fe/Cr结构的高硬导覆层。

基于以上现有技术的问题，本发明探索了通过高速激光熔覆制备方法、通过制备过程中各种工艺参数的设计，最后实现了具有特定成分、结构分布的Cu/Fe/Cr的高硬导电覆层。

为了实现上述目的，本发明申请人选用高速激光熔覆制备铜/铁/铬复合覆层，由于高速激光熔覆能够克服铜热导率高反射率高的问题，同时，申请人通过优化熔覆工艺在铜表面制备具有特定成分及结构的铁层、进而制备铬层。本发明提供的技术方案如下。

一种具有高硬导电表面的铜基复合材料的激光增材制造方法，其中所述高硬导电表面的铜基复合材料指Cu/Fe/Cr结构的复合覆层，即以铜为基体、在铜基体表面依次为Fe基覆层和Cr基覆层，采用激光熔覆装置、通过高速激光熔覆法，包括如下步骤：

(1)去除铜表面氧化层并清洁表面；