纯铜表面激光熔覆原位自生ZrB2-ZrC复合涂层的制备和性能研究

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铜及其合金由于其较高的导电、导热性能以及优异的腐蚀抗性,广泛的用于航天、航空、汽车工业,以及作为电接触元件的原材料。但是,其较差的磨损抗性以及较低的抗拉强度限制了其在工业方面的应用。与传统表面改性技术相比,激光熔覆具有效率高、界面结合好以及涂层厚度较大的优点,因此激光熔覆技术在材料表面改性领域引起广泛的关注。在本文中,采用行星式高能球磨机将Cu粉、Cu-54Zr合金粉以及镍包B4C粉充分混合均匀。通过激光熔覆原位合成工艺制备出ZrB2-ZrC/Cu金属陶瓷复合涂层,并检测了不同激光工艺参数下涂层的性能。通过改变ZrB2-ZrC增强相的含量,并对不同含量下涂层的物理和机械性能,确定Zr-B4C最佳的添加量。此外,对激光熔覆过程中的中间反应以及基体和涂层之间的界面结合情况进行讨论,并检测ZrB2-ZrC/Cu金属陶瓷复合涂层的磨损性能,采用的检测设备包括X射线衍射分析(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、金相显微镜(OM)、拉伸试验机以及高速摩擦磨损测试平台。试验结果表明,制备ZrB2-ZrC/Cu金属陶瓷复合涂层最佳的工艺参数为激光功率为2800 W,扫描速度为3 mm/s,光斑直径为3 mm,搭接率为50%。在最佳工艺参数以及最佳的粉料配比下,制备的涂层最高抗拉强度为340 MPa,电导率为43%IACS。通过XRD和TEM分析涂层中的成分以及增强相与金属基体之间的界面结合情况,ZrB2、ZrC成功的由Zr-B4C在激光作用下合成,增强相均匀的分布在涂层中。ZrB2呈现较多的形态,包括长条状、针状和薄片状,ZrC呈典型的等轴状。高分辨电子显微像显示,ZrB2、ZrC与铜金属基体之间界面结合清晰。高速载流摩擦磨损试验结果表明,随着滑动速度的增加,涂层由最初的轻微的磨粒磨损变为剥层磨损,随着增强相含量的提高,涂层的抗磨损性能也随之提高,其磨损机制由粘着磨损变为磨粒磨损;随着加载电流的增加,涂层的磨损情况加剧,在较大的电流下其磨损机制为粘着磨损。
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