45鋼激光熔覆制備Cu基耐磨涂層的組織與性能研究

在當前國家基礎設施建設與新型城鎮化快速推進的大背景下，液壓挖掘機憑 借其高效、穩定的機械化施工能力，在多種工程中得到了廣泛應用[1]。液壓挖掘機 中的軸向柱塞泵作為液壓系統的核心部件，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，在工程機械、農業水利、船舶等領域得到了廣泛應 用[2]。軸向柱塞泵也是當前液壓系統中最常見且廣泛應用的液壓泵，由于柱塞泵的 工作壓力高所以其三大關鍵摩擦副（滑靴副、柱塞副、配流副）也需要承受較高的 載荷，因此會加劇摩擦副的磨損，導致摩擦表面間隙擴大，增加柱塞泵內部的泄漏， 降低元件的容積效率，還會增加系統發熱，最終導致柱塞泵的損壞。這就要求軸向 柱塞泵的三大關鍵摩擦副具有更好的表面強度及其耐磨性來適應高壓、高溫、高速 的惡劣工況。在三大關鍵摩擦副中的配流副是柱塞泵內單個結構最大的摩擦副而 且在滿足配流作用的同時又要起到支承缸體以維持缸體受力平衡的作用[3]。在如此 惡劣的工作環境中，配流副極易發生磨損甚至燒盤。因此，柱塞泵配流副要求具備 磨損小，壽命長，熱傳導性好且韌性強耐沖擊性好。

斜盤式軸向柱塞泵及配流盤結構示意圖

為了提高銅鋼復合材料的結合強度及銅層的耐磨性能，符合建設資源節約型 社會發展方向。通過增加過渡層來緩和基體與涂層材料性能參數差異過大所帶來 的問題，設計出一種交替條紋涂層結構，后在Cu及10Sn5Bi層中加入TiBN陶瓷 顆粒，從而實現銅鋼復合材料力學及摩擦性能的增強。實驗研究設計了適用于激光 熔覆技術的Cu基耐磨涂層的制備方案，分別對其缺陷、組織、力學性能、摩擦性 能進行深入分析，成功制備出了無缺陷、組織致密、力學性能、摩擦性能優良的Cu 基耐磨涂層。

鋼激光熔覆制備Cu 基耐磨涂層的研究內容

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 明場圖像；（b）Cu/10Sn5Bi 界面的高分辨率圖像；

（c）時效后位置A 的衍射結果；（d）10Sn5Bi 底部的TEM 明場圖像；（e）10Sn5Bi 底部的高分辨率圖像；（f）時效后位置B 的衍射結果

不同間隔Cu/10Sn5Bi 交替涂層的XRD 圖譜

摩擦系數隨涂層滑動時間的變化.

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

本文以制備出無缺陷、高硬度、高耐磨的銅鋼雙金屬復合材料為目標，通過優 化Ni15 過渡層制備工藝、設計交替條紋涂層結構以及調控TiBN陶瓷顆粒的摻雜 比例，成功制備出結合強度高、耐磨性優異、力學性能穩定的Cu/10Sn5Bi-TiBN交 替涂層。此外，在研究激光熔覆工藝參數對涂層質量影響的基礎上，系統分析了不 同工藝參數以及不同TiBN含量對涂層宏觀形貌、微觀組織、硬度及耐磨性能的影 響，并進一步建立了它們之間的關聯性。具體結論如下： （1）針對銅與45鋼基材結合強度差的問題，采用Ni15合金作為過渡層，研 究了不同激光功率、掃描速度和送粉速度對Ni15過渡層宏觀形貌和成形質量的影 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%，搭接路徑為交錯路徑下的Ni15過渡層缺陷最少，成型好。 （2）針對純銅涂層耐磨性不足的問題，本文創新性地設計了Cu/10Sn5Bi交替 條紋涂層結構。首先，對Cu和10Sn5Bi層的熔覆工藝參數進行研究，確定Cu和 10Sn5Bi 層的最佳工藝參數后研究了不同搭接間隔對涂層微觀組織、力學性能及耐 磨性的影響。研究發現，該交替結構能夠兼顧游離態 Bi 良好的流動性、Cu 和 10Sn5Bi 的自潤滑作用以及含有Cu3Sn 化合物、Ni、Bi 等元素的“硬質帶"的支 撐和扎釘作用，充分發揮了潤滑和硬質涂層的協同作用，有效提升了涂層的耐磨性。 （3）針對Cu基粉末激光吸收率低以及進一步增強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，還顯著增強了涂層的耐磨性和硬度。當Cu 及10Sn5Bi 層中摻雜TiBN含量為2%時，涂層整體硬度得到較大提升，涂層整體 摩擦系數降低至0.36。