45鋼激光熔覆制備Cu基耐磨涂層的組織與性能研究

在當(dāng)前國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與新型城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)的大背景下，液壓挖掘機(jī)憑 借其高效、穩(wěn)定的機(jī)械化施工能力，在多種工程中得到了廣泛應(yīng)用[1]。液壓挖掘機(jī) 中的軸向柱塞泵作為液壓系統(tǒng)的核心部件，具有工作壓力高、功率密度大、噪聲低、 容積效率高、變量方便等特點(diǎn)，在工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)水利、船舶等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng) 用[2]。軸向柱塞泵也是當(dāng)前液壓系統(tǒng)中最常見(jiàn)且廣泛應(yīng)用的液壓泵，由于柱塞泵的 工作壓力高所以其三大關(guān)鍵摩擦副（滑靴副、柱塞副、配流副）也需要承受較高的 載荷，因此會(huì)加劇摩擦副的磨損，導(dǎo)致摩擦表面間隙擴(kuò)大，增加柱塞泵內(nèi)部的泄漏， 降低元件的容積效率，還會(huì)增加系統(tǒng)發(fā)熱，最終導(dǎo)致柱塞泵的損壞。這就要求軸向 柱塞泵的三大關(guān)鍵摩擦副具有更好的表面強(qiáng)度及其耐磨性來(lái)適應(yīng)高壓、高溫、高速 的惡劣工況。在三大關(guān)鍵摩擦副中的配流副是柱塞泵內(nèi)單個(gè)結(jié)構(gòu)最大的摩擦副而 且在滿足配流作用的同時(shí)又要起到支承缸體以維持缸體受力平衡的作用[3]。在如此 惡劣的工作環(huán)境中，配流副極易發(fā)生磨損甚至燒盤。因此，柱塞泵配流副要求具備 磨損小，壽命長(zhǎng)，熱傳導(dǎo)性好且韌性強(qiáng)耐沖擊性好。

斜盤式軸向柱塞泵及配流盤結(jié)構(gòu)示意圖

為了提高銅鋼復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度及銅層的耐磨性能，符合建設(shè)資源節(jié)約型 社會(huì)發(fā)展方向。通過(guò)增加過(guò)渡層來(lái)緩和基體與涂層材料性能參數(shù)差異過(guò)大所帶來(lái) 的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種交替條紋涂層結(jié)構(gòu)，后在Cu及10Sn5Bi層中加入TiBN陶瓷 顆粒，從而實(shí)現(xiàn)銅鋼復(fù)合材料力學(xué)及摩擦性能的增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)了適用于激光 熔覆技術(shù)的Cu基耐磨涂層的制備方案，分別對(duì)其缺陷、組織、力學(xué)性能、摩擦性 能進(jìn)行深入分析，成功制備出了無(wú)缺陷、組織致密、力學(xué)性能、摩擦性能優(yōu)良的Cu 基耐磨涂層。

鋼激光熔覆制備Cu 基耐磨涂層的研究?jī)?nèi)容

加入不同TiBN含量的Cu-TiBN粉末顏色：0%TiBN；2%TiBN；4%TiBN； 6%TiBN；8%TiBN

Cu/10Sn5Bi-TiBN 交替涂層的表面形貌:(a)處理前；(b)處理后

不同激光功率下Ni15 熔覆層表面宏觀形貌：（a）900W；（b）1000W；（c）1100W；

（d）1200W；（e）1300W

不同間隔Cu/10Sn5Bi 涂層截面形貌：（a）間隔3.3mm；（b）間隔3.5mm；（c）間隔

3.7mm；（d）間隔3.9mm

Cu/10Sn5Bi 交替涂層的整體EDS 面掃描映射圖像

4.15（a）Cu/10Sn5Bi 界面的TEM 明場(chǎng)圖像；（b）Cu/10Sn5Bi 界面的高分辨率圖像；

（c）時(shí)效后位置A 的衍射結(jié)果；（d）10Sn5Bi 底部的TEM 明場(chǎng)圖像；（e）10Sn5Bi 底部的高分辨率圖像；（f）時(shí)效后位置B 的衍射結(jié)果

不同間隔Cu/10Sn5Bi 交替涂層的XRD 圖譜

摩擦系數(shù)隨涂層滑動(dòng)時(shí)間的變化.

在10Sn5Bi 中添加不同TiBN 的Cu/10Sn5Bi-TiBN 涂層整體截面形貌：（a）0%10Sn5Bi-TiBN；（b）2%10Sn5Bi-TiBN；（c）4%10Sn5Bi-TiBN

總結(jié)

本文以制備出無(wú)缺陷、高硬度、高耐磨的銅鋼雙金屬?gòu)?fù)合材料為目標(biāo)，通過(guò)優(yōu) 化Ni15 過(guò)渡層制備工藝、設(shè)計(jì)交替條紋涂層結(jié)構(gòu)以及調(diào)控TiBN陶瓷顆粒的摻雜 比例，成功制備出結(jié)合強(qiáng)度高、耐磨性優(yōu)異、力學(xué)性能穩(wěn)定的Cu/10Sn5Bi-TiBN交 替涂層。此外，在研究激光熔覆工藝參數(shù)對(duì)涂層質(zhì)量影響的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了不 同工藝參數(shù)以及不同TiBN含量對(duì)涂層宏觀形貌、微觀組織、硬度及耐磨性能的影 響，并進(jìn)一步建立了它們之間的關(guān)聯(lián)性。具體結(jié)論如下： （1）針對(duì)銅與45鋼基材結(jié)合強(qiáng)度差的問(wèn)題，采用Ni15合金作為過(guò)渡層，研 究了不同激光功率、掃描速度和送粉速度對(duì)Ni15過(guò)渡層宏觀形貌和成形質(zhì)量的影 響。最終得出在激光功率1000W，掃描速度 8mm/s，送粉速度 8r/min，搭接率為 50%，搭接路徑為交錯(cuò)路徑下的Ni15過(guò)渡層缺陷最少，成型好。 （2）針對(duì)純銅涂層耐磨性不足的問(wèn)題，本文創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了Cu/10Sn5Bi交替 條紋涂層結(jié)構(gòu)。首先，對(duì)Cu和10Sn5Bi層的熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行研究，確定Cu和 10Sn5Bi 層的最佳工藝參數(shù)后研究了不同搭接間隔對(duì)涂層微觀組織、力學(xué)性能及耐 磨性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，該交替結(jié)構(gòu)能夠兼顧游離態(tài) Bi 良好的流動(dòng)性、Cu 和 10Sn5Bi 的自潤(rùn)滑作用以及含有Cu3Sn 化合物、Ni、Bi 等元素的“硬質(zhì)帶"的支 撐和扎釘作用，充分發(fā)揮了潤(rùn)滑和硬質(zhì)涂層的協(xié)同作用，有效提升了涂層的耐磨性。 （3）針對(duì)Cu基粉末激光吸收率低以及進(jìn)一步增強(qiáng)Cu/10Sn5Bi涂層的硬度及 耐磨性，本文在Cu、10Sn5Bi涂層中分別摻雜不同含量的TiBN陶瓷顆粒，并研究 其對(duì)涂層微觀組織、硬度和摩擦磨損性能的影響。研究表明，TiBN陶瓷顆粒的引入不僅提高了Cu基粉末的激光吸收率，還顯著增強(qiáng)了涂層的耐磨性和硬度。當(dāng)Cu 及10Sn5Bi 層中摻雜TiBN含量為2%時(shí)，涂層整體硬度得到較大提升，涂層整體 摩擦系數(shù)降低至0.36。