激光熔覆铜合金零件的关键技术研究

The laser cladding of copper alloy components possesses many special advantages and can be found widely applications in industrial. But now it has many difficult problems to be solved in technology. In this term the theory and experimental researches of laser cladding on copper alloy components have been developed on the basic of laser cladding copper alloy components successfully in engineering applications. By pre-treatment on the surface of copper alloy substrates,the laser cladding processes researches on the first layer,the intermediate layers and Ni alloy powders,Co alloy poders and WC-Co alloy powders, the difficult processes problems of laser cladding on copper alloy components have been solved.The CCD system on line to monitor the melting pool of laser cladding has been researched and established. The clear images of the laser cladding melting pool have been obtained. After the treatment to the imagines of the melting pool by computer, the feature of the melting pool imagines such as the diameter and surface situation of the liquid region and can be obtained. By the experimental researches on the microstructures of laser cladding layers, the relationships between laser cladding quality and the imagines of the melting pools have been established. In the conditions of fixed other laser cladding processes parameters such as laser scan speed, laser spot sizes, powder delivering, the pool imagine of laser cladding can be adjusted by changing the laser output power. So the quality of laser cladding layers can also be controlled on line by adjusting the laser output power. SO the difficult quality controlling problems of laser cladding on copper alloy components have also been solved.

铜合金零件的激光熔覆技术具有非常独特的优点和非常好的应用前景。但目前铜合金的激光熔覆存在很大的难题。本项目在铜合金零件激光熔覆修复工程应用取得成功的基础上，对激光熔覆铜合金零件的关键技术进行理论分析和试验研究。通过对铜合金表面的预处理、对铜合金表面第一层激光熔覆工艺、激光熔覆过渡层工艺和激光熔覆Ni、Co、WC-Co合金粉末工艺的理论分析和试验研究，解决了铜合金激光熔覆的工艺难题。 建立了激光熔覆熔池CCD在线检测系统，获得了清晰的熔池表面形貌图像，采用计算机图像处理技术可获得熔池的液相边界。研究不同熔覆工艺下激光熔覆熔池的CCD检测方法。采用金相试验方法，建立熔覆层性能（界面结合、气孔和微裂纹等情况）与熔池液相边界的数学模型或关系数据库。固定其他激光熔覆工艺参数，通过调节激光输出功率对熔池平面液相边界进行在线控制，达到对激光熔覆层质量的在线控制，解决了铜合金零件激光熔覆的质量控制难题。

铜合金零件的激光熔覆技术具有非常独特的优点和广泛的应用前景，但由于铜合金对激光的高反射性和铜合金本身的高导热性使铜合金的激光熔覆存在很大的难题。本项目对激光熔覆铜合金零件的关键技术进行理论分析和试验研究。采用预制镍基合金涂层和激光重熔技术实现了铜合金基体表面的激光熔覆，激光熔覆层与铜合金基体形成了冶金结合，结合强度高。把铜合金表面的激光熔覆技术与目前宝钢在结晶器铜板表面强化中使用的电镀技术、等离子喷涂技术进行了对比实验研究，研究结果表明，激光熔覆技术具有很大的优势，有望替代电镀技术和等离子喷涂技术。为提高铜合金表面激光熔覆层的耐高温腐蚀和耐高温磨损性能，采用在广泛使用的镍基合金粉末中添加Nb和Ta强化相的方法。研究结果表明，在镍合金中加入适当含量的Nb和Ta可以大大改善镍基合金在高温下的热稳定性，提高激光熔覆层在高温下的耐磨损性能。为降低添加物Nb和Ta的成本，研究了激光熔覆原位生成技术，即采用氧化铌和和氧化钽加石墨与镍基合金混合，在激光熔覆中反应生成NbＣ和TaＣ，所得效果与直接加Nb和Ta相近，大大降低了添加物的成本。针对激光熔覆中的检测和控制问题，根据自己的实践经验和理论分析，提出采用CCD对激光熔覆熔池进行检测和控制，该技术具有检测设备便宜，检测和控制方法简单的特点。在建立了CCD检测装置后，研究了激光熔覆过程工艺参数对激光熔覆熔池长、宽、面积和表面形貌的影响，建立起了激光熔覆熔池长、宽、面积与激光熔覆工艺参数的关系，并在后续的激光熔覆工程化中获得应用，并取得很好的效果。近年来采用激光熔覆技术修复了海军引俄潜艇（365艇，366艇，367艇，368艇，XX5艇和XX8艇）的大量关键的铜合金零件，修复质量获得海军军方认可，使用效果良好。目前正将该技术应用于上海宝钢连铸结晶器铜板表面的修复和强化工作中。铜合金表面激光熔覆技术在2015年的创新创业大赛中，经过层层比赛选拔，最后获得全国材料组创新创业团队比赛的第6名。