銅和銅合金由于具備良好的導電導熱性能及機械加工性能，在機械制造、電器電子、冶金、海洋裝備等眾多領域得到廣泛應用。隨著工業的發展，傳統的銅性能已無法滿足使用條件，尤其是在一些特殊的領域，嚴苛的服役環境對銅件的性能提出了更高要求，例如要求高強高導電性的電磁炮導軌，要求高耐磨、高耐熱性的連鑄結晶器，鋁板軋制生產線的銅軋輥等，在生產過程中，銅表面要不斷地經受高溫、高壓或強磨損，工作環境極其惡劣。提高銅合金表面性能的方法有電鍍、鑄滲、熱噴涂等，這些方法在一定程度上都存在一定缺陷，電鍍對環境造成較嚴重污染、鑄滲易產生氣孔缺陷、熱噴涂界面難以達到冶金結合，反復熱沖擊涂層易脫落。
圖1 傳統工藝方式存在的缺陷
激光熔覆作為表面改性的一種重要手段，具有靈活性高、對工件熱影響小、涂層與基體結合強度高等優點，通過該技術可以得到組織細密、性能優良的涂層。但是，由于銅表面對激光束具有較高的反射率，所以在銅表面做激光熔覆較為困難。
本文為中科煜宸針對連鑄結晶器、銅軋輥表面激光熔覆制備功能涂層所做的部分工作進行簡單闡述。
利用體式顯微鏡、金相顯微鏡對激光熔覆層表面形貌特征、涂層截面顯微組織特征和界面結合狀態進行分析，利用能譜分析（EDS，Nano Xflash Detector 5010，Bruker）對熔覆層化學成分進行研究,利用維氏顯微硬度儀（SHIMAZDZU）對涂層顯微硬度進行表征。
熔覆層宏觀形貌
（a）
（b）
圖2 不同工藝參數下激光熔覆層表面形貌
（a）
（b）
（c）
（d）
圖3 不同工藝參數下激光熔覆層截面形貌
熔覆層顯微組織及界面結合狀態
采用金相顯微鏡對Cu基體及激光熔覆層顯微組織進行觀察，分析發現熔覆層組織細小致密，主要由枝晶及細小的等軸晶組成。熔覆層未見氣孔、裂紋等缺陷產生，在界面位置熔覆層組織更加細小，且在熔覆層底部出現明顯的駝峰現象。
（a）Cu基體顯微組織50×
（b）熔覆層底部顯微組織10×
（c）熔覆層底部界面顯微組織50×
圖5 熔覆層表面顯微組織形貌及晶粒度分析50×
利用能譜分析（EDS，Nano Xflash Detector 5010，Bruker）對熔覆層及Cu基體化學成分進行研究，分析發現Cu元素由基體越過界面向熔覆層表面逐步擴散，元素含量逐步降低；Ni元素由熔覆層越過界面向Cu基體擴散，此外，Cr元素由熔覆層也向Cu基體擴散。因此可見，熔覆層元素與Cu基體元素在界面位置發生元素的相互擴散，實現了界面區域良好的冶金結合。
Cu
Ni
Cr
圖6 熔覆層能譜分析（Cu、Ni、Cr元素）
熔覆層顯微硬度
（a）不同功率P熔覆層顯微硬度值
（b）不同粉體材料熔覆層顯微硬度值
圖7 不同工藝參數熔覆層顯微硬度測試
研究了不同激光功率P、不同掃描速度v、不同送粉量S及不同Ar氣保護流量等參數對銅表面激光熔覆層性能的影響，圖7（a）為不同激光功率P條件下的熔覆層顯微硬度曲線圖，圖7（b）為不同粉體材料熔覆層顯微硬度曲線圖。
應用案例
中科煜宸采用自主研發的銅和銅合金專用激光熔覆裝備，對鋁板軋制鈹青銅輥進行表面熔覆層制備。裝備主要包括激光器、光纖、水冷機、KUKA機械手、送粉器、專用加工頭、轉臺等。
圖8 中科煜宸銅和銅合金激光熔覆裝備
該套裝備相比傳統激光熔覆裝備具有以下特點：
◆自動化程度高
◆裝備性能穩定
◆加工過程激光熔池穩定
◆單位面積熱輸入量低
◆涂層熔覆效率高
此外，在粉體材料選擇方面，該裝備可以對Fe基、Ni基、Co基及陶瓷材料進行熔覆，解決了銅和銅合金表面對激光束高反的難題，有效實現了銅表面激光熔覆制備異種金屬材料。
（a）激光熔覆前
（b）激光熔覆結束
（c）磨床磨削加工
圖9 銅軋輥表面激光熔覆制備耐磨涂層
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