激光熔覆制備Cu-18Pb-2Sn涂層的組織與性能研究

鄧德偉，鄭海彤,馬玉山,常占東，黃治冶，孫 奇，呂 捷，田 鑫

(1. 大連理工大學 材料科學與工程學院， 遼寧 大連 116024；2. 沈陽鼓風機集團股份有限公司 沈鼓-大工研究院，遼寧 大連 110023；3. 吳忠儀表有限責任公司， 寧夏 吳忠 751100)

0 引 言

銅作為人類最早發現的金屬之一，應用歷史已有上千年之久。隨著時代的不斷發展和現代工藝技術的逐漸進步，現代工業中銅及銅合金的應用環境更加嚴苛復雜，因此對其性能提出了更高的要求[1-5]。其中，銅鉛合金具有承載能力大、抗疲勞強度高、耐熱性好等突出優點，是目前國內外制造高速和中、大功率發動機滑動軸承的主要減摩材料之一[6]。要充分發揮銅鉛合金的優良性能，需要其具有良好的微觀組織結構。通過傳統的鑄造方法制備的銅鉛合金，其組織中極容易出現鉛的偏析，從而產生鑄造缺陷，降低銅鉛合金的使用性能。因此，如何盡量減少和避免銅鉛合金組織中的缺陷，成為亟需解決的問題。

激光熔覆作為表面工程中的一種先進技術，其原理是通過高能激光束熔化合金粉末，從而在基體表面制備與基體產生良好結合的熔覆層[7]。激光熔覆技術不僅能夠提高材料的整體性能，又可以節約大量的原材料，降低生產成本，提高生產效率，目前已被廣泛的應用于航空、汽車、能源等工業領域[8-9]。然而在激光熔覆過程中，由于加熱和冷卻速度較快，熔覆層中經常會存在有孔洞、裂紋等缺陷，從而對熔覆層的性能造成影響。國內外許多研究人員對采用激光熔覆技術制備的銅合金熔覆層進行了大量細致深入的研究[10-13]。Zhang等人[14]研究了AISI 4140鋼表面激光熔覆制備Cu-Mo-Si合金涂層的微觀組織和耐磨性能，發現Cu、Mo、Si元素的比例不同，涂層中的物相組成也存在區別，其中Mo5Si3相數量的多少決定了涂層的硬度和摩擦磨損性能。Zhou等人[15]通過激光感應快速熔覆(LIHRC)技術在銅合金基體上制備了Cu-Fe基涂層，其實驗過程中的激光掃描速度和送粉速度最大分別可達到3200 mm/min和110 g/min，制備涂層中的組織包括α-Fe相和ε-Cu相，并在涂層不同位置呈現不同的分布情況，涂層的硬度是基體硬度的三倍。Arias-Gonzalez等人[16]利用激光熔覆技術在AISI 4340鋼表面制備了黃銅涂層，發現涂層中的組織由樹枝晶狀的α-Cu相和Cu41Sn11(δ-Cu)相組成，涂層硬度達到了(172±12)HV，高于鑄造黃銅的硬度。

然而在這些研究中，極少有人對激光熔覆制備的銅鉛合金進行研究。因此，本文通過使用激光熔覆技術，探究了不同工藝參數對熔覆層內孔洞、組織、硬度和耐磨性的影響，旨在尋找相對較好的工藝參數，從而實現激光熔覆制備高性能銅鉛合金熔覆層的目的。

1 實驗材料與方法

1.1 熔覆層制備

實驗采用Cu-18Pb-2Sn粉末作為熔覆使用的合金粉末，其粒徑分布范圍為50～100 μm。在進行實驗前將粉末置于干燥箱中進行烘干，以增加其流動性。采用尺寸為300 mm×300 mm×6 mm的Q235鋼板作為基體材料，在進行激光熔覆之前，先將基材浸泡在酒精中進行超聲清洗，以去除表面的氧化物等雜質和油污。實驗所使用的激光熔覆設備包括送粉器、冷卻器、Laserline LFD-4000半導體激光器和KUKA六軸機器人。以純度為99.99%的氬氣作為保護氣和送粉氣，保護氣流量10 L/min。實驗中保持掃描速度和送粉速度不變，采用不同的激光功率進行熔覆，具體的工藝參數如表1所示。

表1 激光熔覆實驗工藝參數

Table 1 Processing parameters of the laser cladding experiment

試樣編號激光功率W掃描速度mm/s送粉速度g/min搭接率1#90045.730%2#1 10045.730%3#1 30045.730%4#1 50045.730%

1.2 組織觀察及性能表征

在完成實驗樣品的制備后，首先在磨床上對熔覆層的頂部進行打磨，隨后進行著色探傷檢測，對熔覆層內部的孔洞數量和分布進行觀察。用線切割機從各個樣品上切取尺寸為15 mm×15 mm×6 mm的試樣，使用200～1500#砂紙對試樣的橫截面打磨，經機械拋光后采用FeCl3+HCl溶液(FeCl3∶HCl∶酒精 =5 g∶5 mL∶95 mL)進行腐蝕。在Nikon光學金相顯微鏡下對各熔覆層的金相組織進行觀察，并使用Zeiss-Supra Evo18場發射掃描電子顯微鏡進行微觀組織的進一步觀察，以Empyrean型X射線衍射分析儀(XRD)對熔覆層中的物相進行測定。利用維氏硬度計對熔覆層的顯微硬度進行測試，加載載荷100g，保壓時間15 s。最后，重新將試樣表面用2000#砂紙進行打磨，采用往復式摩擦磨損試驗機對試樣的耐磨性能進行測試，摩擦配副是直徑為4 mm的SiN陶瓷球，載荷為10 N，電機轉速400 r/min，磨損時間15 min，并用掃描電子顯微鏡對磨損后的試樣形貌進行觀察。

2 結果與分析

2.1 著色滲透探傷檢測

孔洞作為激光熔覆中經常出現的缺陷，極大的限制了激光熔覆技術的進一步應用，熔覆層中孔洞數量的多少，直接決定了熔覆的質量。圖1為不同激光功率下各熔覆層的著色滲透探傷結果，其中深黑色區域為熔覆層中的孔洞位置。從圖1中可以看出，在熔覆表層內部存在著大小不一的孔洞，這些孔洞的存在會對熔覆層的力學性能和使用性能造成較大的影響。進一步對比各熔覆層中的孔洞大小和分布后可以發現，隨著激光功率的逐漸增加，熔覆層中的孔洞數量和尺寸均呈逐漸減小的趨勢，這與孔洞的形成機理有關。在激光熔覆過程中，由于激光束的能量密度較高，導致合金粉末和基體的溫度會在極短的時間內上升，形成熔池。而在使用的合金粉末中，Pb和Sn的熔點都很低，在瞬間輸入較高的能量時，極容易產生金屬蒸汽，一旦來不及從熔池中逸出，就會在凝固后的熔覆層中形成孔洞。隨著激光功率的升高，熔池保持液態的時間相對較長，形成的氣體能夠更充分的從熔池中逸出，因此在較高功率下制備的熔覆層中，孔洞的數量相對較少。

圖1 不同激光功率下熔覆試樣的著色滲透探傷結果Fig 1 Dye-penetrant inspection results of the cladding layers under different laser powers

2.2 微觀組織觀察

在進行著色滲透探傷檢測后，用線切割機切取部分試樣，對其金相組織進行觀察。圖2為各試樣的金相組織照片，可以看出，熔覆層中的組織主要為網狀的黑色Pb相和白色的Cu基體，在熔覆層中并未發現有其他的氧化物。通過對比發現，隨著激光功率的逐漸增加，Pb相的體積含量有所減少，且尺寸減小，這可能是因為激光功率的上升會導致粉末中Pb的灼燒損失情況加劇，從而對凝固后的Pb相含量造成影響。

圖2 不同激光功率下熔覆層的金相組織Fig 2 Microstructures of cladding layer under different laser powers

在掃描電子顯微鏡下對激光功率900 W熔覆試樣的截面中部組織進一步觀察，并使用EDS能譜進行微區成分分析，其結果如圖3和表2所示。觀察圖3可以發現，熔覆層中除了呈網狀分布的Pb相之外，還有較多呈點狀的Pb相組織，均勻彌散的分布在Cu相基體中，這可能是由于激光熔覆的冷卻速度較快，導致部分Pb來不及長大，從而形成細小彌散的白色Pb相。

表2的EDS能譜分析結果表明，白色的網狀組織(圖中點A、B、D、E)主要以Pb元素為主，Cu元素的含量相對較少，也幾乎不含有Sn元素。由于Pb和Cu互不相溶，無法形成Cu-Pb化合物，因此白色的網狀組織為Pb相，而在黑色的基體組織中(圖中點C、F、G)，Cu元素占絕大多數，此外還有少量的Sn元素，因此熔覆層的基體組織為Cu相，可能還含有少量Cu-Sn化合物。對比圖3(a)和(b)可以看出，由于熔覆層底部與基板相接觸散熱較快，因此熔覆層底部的Pb相與截面中部相比更細小。

圖3 激光功率900 W時試樣的SEM觀察結果Fig 3 SEM morphology of the cladding layer under laser power 900 W

表2 EDS微區成分分析

通過X射線衍射確定熔覆層中的物相組成，結果如圖4所示。可以發現，不同激光功率下制備的熔覆層中，物相組成并無明顯差異，熔覆層均由Pb相和Cu相組成，沒有發現Cu的氧化物和Cu-Sn相的存在。這可能是由于粉末中Sn的含量較少，通過XRD測試很難檢測到Sn相或形成的Cu-Sn相。

圖4 不同激光功率下熔覆層的XRD圖譜Fig 4 XRD patterns of the cladding layers under different laser powers

2.3 硬度分析

為了研究激光功率對Cu-18Pb-2Sn合金激光熔覆層硬度的影響，采用維氏硬度計對熔覆層的顯微硬度進行測試。在測試時盡量選擇遠離孔洞的位置，避免孔洞對其硬度造成影響，每個試樣測量10個點取其平均值進行比較，不同功率下熔覆層硬度的測試結果如圖5所示。可以發現，熔覆層的硬度隨著激光功率的增加而逐漸上升，但總體差距并不大，功率900 W熔覆試樣的平均顯微硬度最低，為70.6 HV，而1 500 W熔覆試樣的平均顯微硬度最高，為77.5 HV。

從前述2.1節的分析結果中可知，激光功率的升高會減少熔覆層中的孔洞數量，相應缺陷對熔覆層硬度的影響減弱，使得硬度相對提升；另一方面，激光功率的升高會導致組織中Pb相的數量減少，由于Pb相相對于Cu相是較軟的物相，因此Pb相的減少也有利于熔覆層硬度的提高。

圖5 各試樣熔覆層的平均顯微硬度Fig 5 Average Vickers hardness of each cladding layer

2.4 摩擦磨損性能分析

不同激光功率下制備Cu-18Pb-2Sn熔覆層的摩擦實驗結果如圖6所示，其中圖6(a)為摩擦因數隨實驗時間的變化曲線，圖6(b)給出了4個試樣的平均摩擦因數并標出相應的方差。從6(a)中可以發現，4個試樣的摩擦因數相對都比較大，總體上處于0.2～0.5之間，并且隨著摩擦實驗的進行，各試樣的摩擦因數都呈現逐漸增加的趨勢。在圖6(b)中可以看出，不同功率下制備的熔覆層平均摩擦因數并沒有顯著差異，而當激光功率較大時，摩擦因數的方差略有減小。說明在摩擦磨損實驗的過程中，較大激光功率制備的熔覆層摩擦過程更加平穩，具有相對更穩定的摩擦性能。

由前述分析可知，隨著激光功率的升高，熔覆層內的孔洞數量逐漸減少，因此在摩擦磨損實驗的過程中，較大激光功率制備的熔覆層摩擦過程更加平穩；此外，隨著激光熔覆功率升高，較軟的Pb相由粗大的網狀轉化為細小網狀和細小點狀，也會對獲得穩定的摩擦性能起到促進作用。

在掃描電子顯微鏡下對摩擦磨損實驗后的試樣進行觀察，其磨損形貌如圖7所示。從圖中可以看出，4個試樣的磨損形貌均呈現大量的犁溝，部分犁溝的邊緣有形狀不規則的明亮斷面，在圖7(a)和7(d)中觀察到有部分剝落的碎屑。說明4個試樣發生的磨損均以磨粒磨損為主，同時伴有少量的粘著磨損。

圖7 試樣的摩擦磨損形貌Fig 7 Wear morphology of each sample

3 結 論

(1)采用激光熔覆制備的Cu-18Pb-2Sn熔覆層中，存在有一定數量較多的孔洞，激光功率較高時熔池保持液態的時間延長，熔覆過程中產生的氣體能夠更充分地從熔池中逸出，使得熔覆層內的孔洞數量有所減少。

(2)熔覆層的顯微組織中Pb相主要呈網狀及點狀，隨著激光功率的提升，組織中粗大網狀Pb相轉化成細小網狀，且網狀Pb相逐漸減少而點狀Pb相的數量相對增多。

(3)隨著激光功率的增大，熔覆層的顯微硬度略微上升，摩擦磨損過程中摩擦因數的波動減小，摩擦性能有一定提高。

致謝：感謝遼寧重大裝備制造協同創新中心基金、沈鼓-大工重大科研發展基金、高端控制閥產業技術協同創新中心基金和中央高校基本科研業務費專項資金，對于本論文以及相關課題試驗研究的支持。