45鋼激光熔覆製備Cu基耐磨塗層的組織與性能研究

在當前國家基礎設施建設與(yu) 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(wei) 液壓係統的核心部件，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(nong) 業(ye) 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係統中最常見且廣泛應用的液壓泵，由於(yu) 柱塞泵的 工作壓力高所以其三大關(guan) 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(hui) 加劇摩擦副的磨損，導致摩擦表麵間隙擴大，增加柱塞泵內(nei) 部的泄漏， 降低元件的容積效率，還會(hui) 增加係統發熱，最終導致柱塞泵的損壞。這就要求軸向 柱塞泵的三大關(guan) 鍵摩擦副具有更好的表麵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(guan) 鍵摩擦副中的配流副是柱塞泵內(nei) 單個(ge) 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(ti) 以維持缸體(ti) 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(chuan) 導性好且韌性強耐衝(chong) 擊性好。

斜盤式軸向柱塞泵及配流盤結構示意圖

為(wei) 了提高銅鋼複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(hui) 發展方向。通過增加過渡層來緩和基體(ti) 與(yu) 塗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塗層結構，後在Cu及10Sn5Bi層中加入TiBN陶瓷 顆粒，從(cong) 而實現銅鋼複合材料力學及摩擦性能的增強。實驗研究設計了適用於(yu) 激光 熔覆技術的Cu基耐磨塗層的製備方案，分別對其缺陷、組織、力學性能、摩擦性 能進行深入分析，成功製備出了無缺陷、組織致密、力學性能、摩擦性能優(you) 良的Cu 基耐磨塗層。

鋼激光熔覆製備Cu 基耐磨塗層的研究內(nei) 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 交替塗層的表麵形貌:(a)處理前；(b)處理後

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

（d）1200W；（e）1300W

不同間隔Cu/10Sn5Bi 塗層截麵形貌：（a）間隔3.3mm；（b）間隔3.5mm；（c）間隔

3.7mm；（d）間隔3.9mm

Cu/10Sn5Bi 交替塗層的整體(ti) EDS 麵掃描映射圖像

4.15（a）Cu/10Sn5Bi 界麵的TEM 明場圖像；（b）Cu/10Sn5Bi 界麵的高分辨率圖像；

（c）時效後位置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）時效後位置B 的衍射結果

不同間隔Cu/10Sn5Bi 交替塗層的XRD 圖譜

摩擦係數隨塗層滑動時間的變化.

在10Sn5Bi 中添加不同TiBN 的Cu/10Sn5Bi-TiBN 塗層整體(ti) 截麵形貌：（a）0%10Sn5Bi-TiBN；（b）2%10Sn5Bi-TiBN；（c）4%10Sn5Bi-TiBN

總結

本文以製備出無缺陷、高硬度、高耐磨的銅鋼雙金屬複合材料為(wei) 目標，通過優(you) 化Ni15 過渡層製備工藝、設計交替條紋塗層結構以及調控TiBN陶瓷顆粒的摻雜 比例，成功製備出結合強度高、耐磨性優(you) 異、力學性能穩定的Cu/10Sn5Bi-TiBN交 替塗層。此外，在研究激光熔覆工藝參數對塗層質量影響的基礎上，係統分析了不 同工藝參數以及不同TiBN含量對塗層宏觀形貌、微觀組織、硬度及耐磨性能的影 響，並進一步建立了它們(men) 之間的關(guan) 聯性。具體(ti) 結論如下： （1）針對銅與(yu) 45鋼基材結合強度差的問題，采用Ni15合金作為(wei) 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(wei) 50%，搭接路徑為(wei) 交錯路徑下的Ni15過渡層缺陷最少，成型好。 （2）針對純銅塗層耐磨性不足的問題，本文創新性地設計了Cu/10Sn5Bi交替 條紋塗層結構。首先，對Cu和10Sn5Bi層的熔覆工藝參數進行研究，確定Cu和 10Sn5Bi 層的最佳工藝參數後研究了不同搭接間隔對塗層微觀組織、力學性能及耐 磨性的影響。研究發現，該交替結構能夠兼顧遊離態 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 撐和紮釘作用，充分發揮了潤滑和硬質塗層的協同作用，有效提升了塗層的耐磨性。 （3）針對Cu基粉末激光吸收率低以及進一步增強Cu/10Sn5Bi塗層的硬度及 耐磨性，本文在Cu、10Sn5Bi塗層中分別摻雜不同含量的TiBN陶瓷顆粒，並研究 其對塗層微觀組織、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(jin) 提高了Cu基粉末的激光吸收率，還顯著增強了塗層的耐磨性和硬度。當Cu 及10Sn5Bi 層中摻雜TiBN含量為(wei) 2%時，塗層整體(ti) 硬度得到較大提升，塗層整體(ti) 摩擦係數降低至0.36。