技术领域
[0001] 本
发明涉及激光增材制造领域，具体是一种Cu表面激光增材制造梯度复合材料的方法。
背景技术
[0002] 滑动电
接触材料的功能是在设备的固定部件与运动部件之间传导
电流，譬如受电弓通过与接触网滑动接触而取得
电能传送给电
力机车。其在工作状态中滑动接触侧需要较强的耐磨、减摩性能，而基体则需要有较好的
导电性能，因此电接触材料的不同部位对材料性能要求不同。通过化学
镀、气相沉积、
热喷涂等手段在材料表面直接制备的涂层，由于两种材料物性之间差异大可能会出现界面结合不牢固、涂层脱落等问题。
[0003] 梯度功能材料的组分梯度设计能够有效地解决这个问题，因为梯度功能材料中组分呈梯度变化，所以材料的性能沿特定方向呈现逐渐变化的趋势，而且梯度过渡的方式能够缓和因材料之间的物性差异如
热膨胀系数带来的
应力集中等问题，可提高不同材料之间的界面结合强度。通过激光增材制造手段，逐层调整各组分的比例可以获得
功能梯度材料，并具有成分梯度可控、几何
自由度高的优点。
[0004] Cu具有优异的导电导热性；VN陶瓷具有高熔点、高硬度、高强度以及良好的润滑性能，将VN作为增强相与基体材料相结合，能够显著提高材料综合性能；Ni基
合金具有良好的
润湿性，能够改善Cu与VN陶瓷颗粒之间的结合。采用激光增材制造技术在Cu表面制备功能梯度复合材料，充分利用Cu和VN两种材料优良的性能，通过添加具有良好润湿性的Ni基合金，改善Cu与VN陶瓷颗粒之间的结合，构建了一个成分、组织及性能逐渐变化的功能梯度材料。
[0005] 将梯度材料设计理念与激光增材制造工艺相结合来制备滑动电接触材料，是一种可行且有效的方式，目前该方面的研究还较少，具有广阔的开发空间。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种Cu表面激光增材制造梯度复合材料的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0008] 一种Cu表面激光增材制造梯度复合材料的方法，梯度复合材料为所述VN/(Cu，Ni)梯度复合材料，所述VN/(Cu，Ni)梯度复合材料包括若干个梯度层，各梯度层均使用Cu粉末、VN陶瓷粉末以及Ni基合金粉末作为粉末原料，各层中每种粉末的配比为：VN含量按重量比从第1层的2％逐层增加，VN和Ni基合金粉的比例为1∶3-6，Cu比例相应变化。
[0009] 进一步的：所述Cu粉的粒度为50-150μm，纯度为99.9％；所述VN粉的粒度为2-10μm，纯度为99.9％；所述Ni基合金粉粒度为50-100μm，纯度为99.9％；所述VN/(Cu，Ni)梯度复合材料至少具有3层梯度层。
[0010] 进一步的：包括以下步骤：
[0011] 步骤S1、制备用于激光增材制造梯度材料的粉末原料；
[0012] 步骤S2、Cu基体的表面预处理；
[0013] 步骤S3、利用激光增材制造设备，通过调控粉末成分和工艺参数逐层沉积，获得梯度复合材料。
[0014] 进一步的：所述步骤S1的具体制备方法是，按照各层粉末成分配比称取后，将粉末充分均匀混合，然后放入烘干箱中，在120℃下烘干1h，得到激光增材制造梯度材料的粉末原料。
[0015] 进一步的：所述步骤S1粉末原料的混合方法为各层粉末原料在行星式
球磨机中进行混合。
[0016] 进一步的：所述步骤S2的具体方法为：将Cu
基板打磨毛化以及涂墨黑化处理。
[0017] 进一步的：所述步骤S3中的激光增材设备包括
激光器、数控平台和同步送粉装置，所述激光器为
半导体光纤激光器，其
波长为1.064μm。
[0018] 进一步的：所述步骤S3中的工艺参数具体为：搭接率为40-50％，光斑直径为3mm，移动速度为1-2mm/s，第1层的激光功率为2200-2400W，后续梯度层为1800-2000W，高纯氩气运载粉末与
激光束汇聚在同一处，气流量为4-6L/min，送粉量为3.5-4g/min。
[0019] 进一步的：所述步骤S3具体操作为：按照预先设计的梯度层顺序在Cu表面进行逐层沉积，其中激光头在
单层的运动方式为搭接往复式扫描，各层的扫描路径相同，当一层制备完成后，按照梯度层设计更换送粉装置中的粉末原料，继续下一梯度层的沉积直至整个梯度材料的完成。
[0020] 进一步的：当一层梯度层沉积完成后通过数控平台调整激光头在构建方向上抬升单层梯度层厚度值，厚度值为0.8-0.9mm。
[0021] 与
现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0022] 通过激光增材制造技术在Cu表面制备VN/(Cu，Ni)梯度复合材料，在梯度区域VN增强相呈梯度分布；随着VN增强相含量的增加，梯度材料的力学性能逐渐提升；而梯度材料的应力缓和机制可以有效的解决不同材料之间应力较大、开裂的问题。
附图说明
[0023] 图1为本发明
实施例1激光增材制造梯度复合材料工艺示意图；
[0024] 图2为本发明实施例1的梯度复合材料截面EDS图；
[0025] 图3为本发明实施例1的功能梯度材料截面组织形态；
[0026] 图4为本发明实施例1的VN在枝晶间隙区域显微组织特征
[0027] 图5为本发明实施例1的显微硬度分布图。
具体实施方式
[0028] 为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，以下实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
[0029] 实施例1：
[0030] 一种Cu表面激光增材制造梯度复合材料的方法，包括以下步骤：
[0031] 在制备梯度材料时，整个材料被分为5层，其中连接Cu基体表面的梯度层为第1层，各层均使用Cu粉末、VN陶瓷粉末以及Ni基合金粉末作为粉末原料，所述Cu粉的粒度为50-150μm，纯度为99.9％；所述VN粉的粒度为2-10μm，纯度为99.9％；所述Ni基合金粉粒度为
50-100μm，纯度为99.9％。
[0032] 按重量比精确称取上述各层粉末：
[0033] 第1梯度层，2％VN陶瓷粉末、12％Ni基合金粉末和86％Cu粉末；
[0034] 第2梯度层，4％VN陶瓷粉末、24％Ni基合金粉末和72％Cu粉末；
[0035] 第3梯度层，6％VN陶瓷粉末、36％Ni基合金粉末和58％Cu粉末；
[0036] 第4梯度层，8％VN陶瓷粉末、48％Ni基合金粉末和44％Cu粉末；
[0037] 第5梯度层，10％VN陶瓷粉末、60％Ni基合金粉末和30％Cu粉末；
[0038] 称取粉末后在球磨机中进行混合，球料重量比为4∶1，转速固定在150rad/min，粉末混合5小时，然后将各层粉末原料放入烘干箱中，在120℃下烘干1h，去除粉末中的
水分。
[0039] 对Cu基体表面进行预处理，使用
砂纸打磨Cu基体，使用丙
酮溶液擦拭Cu基体的表面；使用毛刷在Cu表面涂刷一层
碳素墨水，放入干燥箱中，在120℃下干燥10min。
[0040] 本实施例中选取的激光增材制造装置包括1.064μm的半导体光纤激光器、数控平台和同步送粉装置，Cu基体的尺寸为50×150×15mm3。搭接率为40％，光斑直径为3mm，移动速度为1mm/s，第1层的激光功率为2300W，后续4层为1900W，高纯氩气运载粉末与激光束在同一处会聚，气流量为4L/min，送粉量为4g/min。
[0041] 按照预先设计的梯度层顺序在Cu表面进行逐层沉积，其中激光头在单层的运动方式为搭接往复式扫描，各层的扫描路径相同，当一层制备完成后，按照梯度层设计更换送粉装置中的粉末原料，继续下一梯度层的沉积直至整个梯度材料的完成。
[0042] 当一层梯度层沉积完成后通过数控平台调整激光头在梯度材料构建方向上抬升单层梯度层厚度值，其厚度值为0.8mm。
[0043] 使用电火花切割机将样品切割为所需尺寸以便后续分析测试。
[0044] 请参见图2，由图可以看出在基板和梯度区域可以观察到明显的元素组分梯度，请参见图3由图可以看出梯度复合材料宏观组织主要由生长方向不一的细长柱状晶以及部分等轴晶组成，请参见图4，由图可以看出VN主要分布在柱状枝晶间隙处，请参见图5显微硬度从Cu侧的526Mpa逐渐增加至顶层的3652Mpa，提升近7倍。
[0045] 实施例2：
[0046] 一种Cu表面激光增材制造梯度复合材料的方法，包括以下步骤：
[0047] 在制备梯度材料时，整个材料被分为9层，其中连接Cu基体表面的梯度层为第1层，各层均使用Cu粉末、VN陶瓷粉末以及Ni基合金粉末作为粉末原料，所述Cu粉的粒度为50-150μm，纯度为99.9％；所述VN粉的粒度为2-10μm，纯度为99.9％；所述Ni基合金粉粒度为
50-100μm，纯度为99.9％。
[0048] VN含量按重量比从第1层的2.0％逐层增加到第9层的10.0％，VN和Ni基合金粉的比例始终为1∶3，Cu比例相应减小。
[0049] 按重量比精确称取上述各层粉末：
[0050] 第1梯度层，2％VN陶瓷粉末、6％Ni基合金粉末和92％Cu粉末；
[0051] 第2梯度层，4％VN陶瓷粉末、12％Ni基合金粉末和84％Cu粉末；
[0052] 第3梯度层，6％VN陶瓷粉末、18％Ni基合金粉末和76％Cu粉末；
[0053] 第4梯度层，6％VN陶瓷粉末、18％Ni基合金粉末和76％Cu粉末；
[0054] 第5梯度层，6％VN陶瓷粉末、18％Ni基合金粉末和76％Cu粉末；
[0055] 第6梯度层，8％VN陶瓷粉末、24％Ni基合金粉末和68％Cu粉末；
[0056] 第7梯度层，8％VN陶瓷粉末、24％Ni基合金粉末和68％Cu粉末；
[0057] 第8梯度层，8％VN陶瓷粉末、24％Ni基合金粉末和68％Cu粉末；
[0058] 第9梯度层，10％VN陶瓷粉末、30％Ni基合金粉末和60％Cu粉末；
[0059] 称取粉末后在球磨机中进行混合。球料重量比为4∶1，转速固定在150rad/min，粉末混合5小时。然后将各层粉末原料放入烘干箱中，在120℃下烘干1h，去除粉末中的水分。
[0060] 对Cu基体表面进行预处理，使用砂纸打磨Cu基体，以去除表面污渍、
氧化物；使用丙酮溶液擦拭Cu基体的表面；使用毛刷在Cu表面涂刷一层碳素墨水，放入干燥箱中，在120℃下干燥10min。
[0061] 本实施例中选取的激光增材制造装置包括1.064μm的半导体光纤激光器、数控平台和同步送粉装置，Cu基体的尺寸为50×150×15mm3。搭接率为40％，光斑直径为3mm，移动速度为2mm/s，第1层的激光功率为2400W，后续8层为1800W，高纯氩气运载粉末与激光束在同一处会聚，气流量为6L/min，送粉量为3.5g/min。
[0062] 按照预先设计的梯度层顺序在Cu表面进行逐层沉积，其中激光头在单层的运动方式为搭接往复式扫描，各层的扫描路径相同，当一层制备完成后，按照梯度层设计更换送粉装置中的粉末原料，继续下一梯度层的沉积直至整个梯度材料的完成。
[0063] 当一层梯度层沉积完成后通过数控平台调整激光头在梯度材料构建方向上抬升单层梯度层厚度值，其厚度值为0.9mm。使用电火花切割机将样品切割为所需尺寸以便后续分析测试。
[0064] 结果可知由于Ni含量较少提供浸润性不足，梯度材料中增强相与基体间存在孔隙等
缺陷。
[0065] 实施例3：
[0066] 一种Cu表面激光增材制造梯度复合材料的方法，包括以下步骤：
[0067] 在制备梯度材料时，整个材料被分为3层，其中连接Cu基体表面的梯度层为第1层，各层均使用Cu粉末、VN陶瓷粉末以及Ni基合金粉末作为粉末原料，所述Cu粉的粒度为50-150μm，纯度为99.9％；所述VN粉的粒度为2-10μm，纯度为99.9％；所述Ni基合金粉粒度为
50-100μm，纯度为99.9％。
[0068] VN含量按重量比从第1层的2.0％逐层增加到第3层的8％，VN和Ni基合金粉的比例始终为1∶9，Cu比例相应减小。
[0069] 按重量比精确称取上述各层粉末：
[0070] 第1梯度层，2％VN陶瓷粉末、18％Ni基合金粉末和80％Cu粉末；
[0071] 第2梯度层，4％VN陶瓷粉末、36％Ni基合金粉末和60％Cu粉末；
[0072] 第3梯度层，8％VN陶瓷粉末、72％Ni基合金粉末和20％Cu粉末；
[0073] 称取粉末后在球磨机中进行混合。球料重量比为4∶1，转速固定在150tad/min，粉末混合5小时。然后将各层粉末原料放入烘干箱中，在120℃下烘干1h，去除粉末中的水分。
[0074] 对Cu基体表面进行预处理，使用砂纸打磨Cu基体，以去除表面污渍、氧化物；使用丙酮溶液擦拭Cu基体的表面；使用毛刷在Cu表面涂刷一层碳素墨水，放入干燥箱中，在120℃下干燥10min。
[0075] 本实施例中选取的激光增材制造装置包括1.064μm的半导体光纤激光器、数控平台和同步送粉装置，Cu基体的尺寸为50×150×15mm3。搭接率为40％，光斑直径为3mm，移动速度为1mm/s，第1层的激光功率为2200W，后续2层为2000W，高纯氩气运载粉末与激光束在同一处会聚，气流量为4L/min，送粉量为3.5g/min。
[0076] 按照预先设计的梯度层顺序在Cu表面进行逐层沉积，其中激光头在单层的运动方式为搭接往复式扫描，各层的扫描路径相同，当一层制备完成后，按照梯度层设计更换送粉装置中的粉末原料，继续下一梯度层的沉积直至整个梯度材料的完成。
[0077] 当一层梯度层沉积完成后通过数控平台调整激光头在梯度材料构建方向上抬升单层梯度层厚度值，其厚度值为0.8mm。
[0078] 结果可知事实案例3所得材料力学性能与案例1相差较少，但由于Cu含量较少导电率下降。
[0079] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和
说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的
权利要求书及其等同物界定。
