铜和铜合金由于具备良好的导电导热性能及机械加工性能，在机械制造、电器电子、冶金、海洋装备等众多领域得到广泛应用。随着工业的发展，传统的铜性能已无法满足使用条件，尤其是在一些特殊的领域，严苛的服役环境对铜件的性能提出了更高要求，例如要求高强高导电性的电磁炮导轨，要求高耐磨、高耐热性的连铸结晶器，铝板轧制生产线的铜轧辊等，在生产过程中，铜表面要不断地经受高温、高压或强磨损，工作环境极其恶劣。提高铜合金表面性能的方法有电镀、铸渗、热喷涂等，这些方法在一定程度上都存在一定缺陷，电镀对环境造成较严重污染、铸渗易产生气孔缺陷、热喷涂界面难以达到冶金结合，反复热冲击涂层易脱落。

图1 传统工艺方式存在的缺陷

激光熔覆作为表面改性的一种重要手段，具有灵活性高、对工件热影响小、涂层与基体结合强度高等优点，通过该技术可以得到组织细密、性能优良的涂层。但是，由于铜表面对激光束具有较高的反射率，所以在铜表面做激光熔覆较为困难。

本文为中科煜宸针对连铸结晶器、铜轧辊表面激光熔覆制备功能涂层所做的部分工作进行简单阐述。

利用体式显微镜、金相显微镜对激光熔覆层表面形貌特征、涂层截面显微组织特征和界面结合状态进行分析，利用能谱分析（EDS，Nano Xflash Detector 5010，Bruker）对熔覆层化学成分进行研究,利用维氏显微硬度仪（SHIMAZDZU）对涂层显微硬度进行表征。

熔覆层宏观形貌

（a）

（b）

图2 不同工艺参数下激光熔覆层表面形貌

（a）

（b）

（c）

（d）

图3 不同工艺参数下激光熔覆层截面形貌

熔覆层显微组织及界面结合状态

采用金相显微镜对Cu基体及激光熔覆层显微组织进行观察，分析发现熔覆层组织细小致密，主要由枝晶及细小的等轴晶组成。熔覆层未见气孔、裂纹等缺陷产生，在界面位置熔覆层组织更加细小，且在熔覆层底部出现明显的驼峰现象。

（a）Cu基体显微组织50×

（b）熔覆层底部显微组织10×

（c）熔覆层底部界面显微组织50×

图5 熔覆层表面显微组织形貌及晶粒度分析50×

利用能谱分析（EDS，Nano Xflash Detector 5010，Bruker）对熔覆层及Cu基体化学成分进行研究，分析发现Cu元素由基体越过界面向熔覆层表面逐步扩散，元素含量逐步降低；Ni元素由熔覆层越过界面向Cu基体扩散，此外，Cr元素由熔覆层也向Cu基体扩散。因此可见，熔覆层元素与Cu基体元素在界面位置发生元素的相互扩散，实现了界面区域良好的冶金结合。

Cu

Ni

Cr

图6 熔覆层能谱分析（Cu、Ni、Cr元素）

熔覆层显微硬度

（a）不同功率P熔覆层显微硬度值

（b）不同粉体材料熔覆层显微硬度值

图7 不同工艺参数熔覆层显微硬度测试

研究了不同激光功率P、不同扫描速度v、不同送粉量S及不同Ar气保护流量等参数对铜表面激光熔覆层性能的影响，图7（a）为不同激光功率P条件下的熔覆层显微硬度曲线图，图7（b）为不同粉体材料熔覆层显微硬度曲线图。

应用案例

中科煜宸采用自主研发的铜和铜合金专用激光熔覆装备，对铝板轧制铍青铜辊进行表面熔覆层制备。装备主要包括激光器、光纤、水冷机、KUKA机械手、送粉器、专用加工头、转台等。

图8 中科煜宸铜和铜合金激光熔覆装备

该套装备相比传统激光熔覆装备具有以下特点：

◆自动化程度高

◆装备性能稳定

◆加工过程激光熔池稳定

◆单位面积热输入量低

◆涂层熔覆效率高

此外，在粉体材料选择方面，该装备可以对Fe基、Ni基、Co基及陶瓷材料进行熔覆，解决了铜和铜合金表面对激光束高反的难题，有效实现了铜表面激光熔覆制备异种金属材料。

（a）激光熔覆前

（b）激光熔覆结束

（c）磨床磨削加工

图9 铜轧辊表面激光熔覆制备耐磨涂层