專利名稱：在結晶器表面激光快速熔覆制備耐磨抗熱復合涂層工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于激光快速熔覆技術領域，特別涉及結晶器表面制備及修復耐磨抗熱涂層的方法。
背景技術：
結晶器是一個水冷的鋼錠模，是連鑄機非常重要的部件，稱之為連鑄設備的“心臟”。結晶器銅板損壞的主要形式是產生熱裂紋、磨損和腐蝕，而表面的局部損壞又往往造成整個零件失效，最終導致設備報廢；而且銅及銅合金的資源緊缺，近期來價格又有不斷上漲的趨勢；據統計，一套結晶器的價格在7～12萬元，我國冶金企業每年銅結晶器的消耗在20億元以上。因此提高結晶器銅板表面的耐磨性和耐熱性是提高經濟效益和生產效率的根本措施。
現有技術中廣泛采用的電鍍、熱噴涂和滲鍍等表面處理方法雖能提高結晶器銅板的耐磨性，但由于電鍍以及熱噴涂制備的涂層與基體是機械結合，在一定程度上降低了其強化效果；滲鍍涂層在應用中金屬與銅晶格之間的擴散較難控制，以及較高的成本也使得它們的應用受到了限制。
近幾年，隨著激光技術的廣泛應用，結晶器表面涂層采用激光熔覆技術制備，該技術存在的問題是對激光熔覆過程裂紋的形成和行為缺乏深入的研究；尚缺乏特別針對激光熔覆過程特性的熔覆材料；激光熔覆過程的檢測和實施自動化控制。其中，裂紋問題尤為嚴重。裂紋的形成是由于熔覆層中存在大量的多硬質相以及硬質相的不良分布，其高脆性難以承受熔覆過程產生的較大拉應力所致。要解決激光熔覆層出現的裂紋問題，一方面要優化合金粉末成分，提高粉末的強韌性；另一方面就是要設法降低熱應力應用，從工藝上降低熔覆過程的殘余拉應力。
發明內容
針對現有技術存在的問題，本發明提供一種高功率CO2激光器快速熔覆在結晶器表面制備及修復耐磨抗熱復合涂層的方法。該方法可制備與基體形成冶金結合的特殊功能涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及、抗氧化特性。
采用的技術方案是
在結晶器表面激光快速熔覆制備耐磨抗熱復合涂層工藝，包括以下過程1、結晶器銅板表面預處理在室溫下采用200～300g/l的H2SO4與100～120g/l的HCl的混合液對結晶器銅板進行酸洗去銹，再將結晶器銅板進行酸浸活化，酸浸時間為0.5～1分鐘；2、等離子噴涂預沉積打底合金噴涂前先將結晶器銅板用丙酮清洗，然后進行噴砂處理，噴涂時采用氫氣做助燃氣，氬氣做保護氣。先將噴槍火苗提高，對樣品進行50～100℃預熱，然后進行等離子噴涂，噴涂原料為鎳基合金粉末，鎳基合金打底涂層厚度為0.3～0.4mm；3、高功率激光器快速熔覆打底合金選用高功率CO2激光器，以數控機床為工作臺，用有機玻璃燒斑法選取最佳的激光模式(低階模)，獲得穩定的等離子體弧狀態，然后利用高功率CO2激光器以300～700mm/min的掃描速度對噴涂后的銅板進行慢速預熱，用紅外測溫儀測量當預熱溫度達400～500℃時快速熔覆打底合金；具體工藝參數如下聚焦鏡f＝100～300熔覆功率P＝3000～10000W光斑直徑D＝1.2～3mm熔覆掃描速度V＝4～10m/min搭接率40～60％4、高功率激光器寬帶熔覆鈷基合金采取送粉方式喂入合金粉末，采用寬帶熔覆方法在鎳基合金表面熔覆鈷基合金。
熔覆功率P＝3000～10000W矩形光斑長×寬＝(2～10)mm×(1～2)mm2熔覆掃描速度V＝4～10m/min搭接率40～60％5、后續熱處理激光寬帶熔覆鈷基合金后要慢速緩冷，在熱處理爐中對樣品進行250～350℃去應力退火5～7個小時。
本發明的特點在于激光器類型是高功率CO2氣體激光器，其最高功率是10000W，波長10.6微米，可實現窄帶低階模快速掃描以及寬帶矩形掃描進行熔覆。
本發明選用與銅基材成分相近的鎳基自熔合金粉末(Ni～Cu～Si～B)作為打底層。這是因為一方面，這種鎳基自熔合金粉末具有優良的韌性及較好的耐磨性；一方面，鎳和銅的熱膨脹系數和熔點十分相近，這樣可以抑制激光熔覆過程中由于基材與熔覆材料熱物性之間的差異導致產生的組織應力。另外，在激光熔覆前、后對銅基材進行一定程度的預熱以及后處理，這樣通過降低溫度梯度，可以一定程度上抑制熔覆層的開裂。另一方面，打底層為后期寬帶激光熔覆鈷基合金涂層提供了良好的“隔熱”屏障作用。
本發明的原理是通過選取與結晶器銅板成分和熱物理性能相近的最佳的抗熱Ni基自熔合金粉末作為打底層，合理設計并優化工藝參數，在高功率低階模起弧條件下進行激光快速熔覆，后期與銅板形成牢固的冶金結合，實現和基體材料良好的韌性過渡；然后選取耐熱耐磨耐蝕性能都很好的Co基合金，在結晶器銅板上進行送粉法激光寬帶熔覆處理，形成均勻致密的優良抗熱耐磨復合涂層。
與常規的表面涂覆工藝相比較，激光束的功率、位置和形狀等能夠精確控制，易實現選區甚至微區熔覆，且涂層成分不受基體成分干擾和影響，涂層厚度也可準確控制，屬于無接觸型處理，以及整個過程很容易實現自動控制；另外，激光熔覆工藝對環境無污染、無輻射、低噪聲，還具有生產率高、能耗低、熔覆層加工余量小、成品率高以及綜合成本低等特點得到廣泛的應用。因此，采用激光熔覆技術將產生顯著的經濟效益和社會效益。
具體實施例方式
實施例一本發明的在結晶器表面激光快速熔覆制備耐磨抗熱復合涂層工藝，包括以下過程1、結晶器銅板表面預處理在室溫下采用200g/l的H2SO4與100g/l的HCl的混合液對結晶器銅板進行酸洗去銹，除凈為止；再將結晶器銅板在室溫下放到70～80g/l的H2SO4中浸泡0.5分鐘，使其活化；2、等離子噴涂預沉積打底合金噴涂前先將銅板用丙酮清洗，然后進行噴砂處理，噴涂時采用氫氣做助燃氣，氬氣做保護氣，先將噴槍火苗提高，對銅板進行60～70℃預熱，然后在電壓55V、電流500A條件下進行等離子噴涂，噴涂采用鎳基自熔合金粉末，預沉積打底合金涂層厚度為0.3～0.4mm；
3、高功率激光器快速熔覆打底合金選用DL-HL-T10000型CO2激光器。打開SIEMENS數控機床。用有機玻璃燒斑法選取最佳的激光模式(低階模)，獲得穩定的等離子體弧狀態。然后利用激光器，以500mm/min的慢速對噴涂后的銅基材進行預熱，用紅外測溫儀測量，當預熱溫度達400～500℃時快速熔覆鎳基合金；具體工藝參數如下聚焦鏡f＝150熔覆功率P＝4000W光斑直徑D＝1.8mm掃描速度V＝5m/min搭接率40％。
4、高功率激光器寬帶熔覆鈷基合金采取送粉方式喂入合金粉末，采用寬帶熔覆方法在鎳基合金表面熔覆鈷基合金。其參數為熔覆功率P＝3000W矩形光斑長×寬＝4mm×1mm熔覆掃描速度V＝5m/min搭接率40％5、后續熱處理激光寬帶熔覆鈷基合金后要慢速緩冷，在熱處理爐中對樣品進行300℃去應力退火5個小時。
實施例二本發明的在結晶器表面激光快速熔覆制備耐磨抗熱復合涂層工藝，包括以下過程1、結晶器銅板表面預處理在室溫下采用250g/l的H2SO4與110g/l的HCl的混合液對結晶器銅板進行酸洗去銹，除凈為止；再將結晶器銅板在室溫下放到70～80g/l的H2SO4中浸泡0.8分鐘，使其活化；2、等離子噴涂預沉積打底合金噴涂前先將銅板用丙酮清洗，然后進行噴砂處理，噴涂時采用氫氣做助燃氣，氬氣做保護氣，先將噴槍火苗提高，對銅板進行70～80℃預熱，然后在電壓55V、電流500A條件下進行等離子噴涂，噴涂采用鎳基自熔合金粉末，預沉積打底合金涂層厚度為0.3～0.4mm；
3、高功率激光器快速熔覆打底合金選用DL-HL-T10000型CO2激光器。打開SIEMENS數控機床。用有機玻璃燒斑法選取最佳的激光模式(低階模)，獲得穩定的等離子體弧狀態。然后利用激光器，以600mm/min的慢速對噴涂后的銅基材進行預熱，用紅外測溫儀測量，當預熱溫度達400～500℃時快速熔覆鎳基合金；具體工藝參數如下聚焦鏡f＝200熔覆功率P＝6000W光斑直徑D＝2mm掃描速度V＝6m/min搭接率50％。
4、高功率激光器寬帶熔覆鈷基合金采取送粉方式喂入合金粉末，采用寬帶熔覆方法在鎳基合金表面熔覆鈷基合金。其參數為熔覆功率P＝5000W矩形光斑長×寬＝6mm×1.5mm熔覆掃描速度V＝6m/min搭接率50％5、后續熱處理激光寬帶熔覆鈷基合金后要慢速緩冷，在熱處理爐中對樣品進行250℃～350℃去應力退火6個小時。
實施例三1、結晶器銅板表面預處理在室溫下采用250g/l的H2SO4與110g/l的HCl的混合液對結晶器銅板進行酸洗去銹，除凈為止；再將結晶器銅板在室溫下放到75g/l的H2SO4中浸泡0.8分鐘，使其活化；2、等離子噴涂預沉積打底合金噴涂前先將銅板用丙酮清洗，然后進行噴砂處理，噴涂時采用氫氣做助燃氣，氬氣做保護氣，先將噴槍火苗提高，對銅板進行70～80℃預熱，然后在電壓55V、電流500A條件下進行等離子噴涂，噴涂采用鎳基自熔合金粉末，預沉積打底合金涂層厚度為0.3～0.4mm；3、高功率激光器快速熔覆打底合金選用DL-HL-T10000型CO2激光器。打開SIEMENS數控機床。用有機玻璃燒斑法選取最佳的激光模式(低階模)，獲得穩定的等離子體弧狀態。然后利用激光器，以700mm/min的慢速對噴涂后的銅基材進行預熱，用紅外測溫儀測量，當預熱溫度達400～500℃時快速熔覆鎳基合金；具體工藝參數如下聚焦鏡f＝300熔覆功率P＝8000W光斑直徑D＝3mm掃描速度V＝8m/min搭接率60％。
4、高功率激光器寬帶熔覆鈷基合金采取送粉方式喂入合金粉末，采用寬帶熔覆方法在鎳基合金表面熔覆鈷基合金。其參數為熔覆功率P＝8000W矩形光斑長×寬＝8mm×2mm熔覆掃描速度V＝8m/min搭接率60％5、后續熱處理激光寬帶熔覆鈷基合金后要慢速緩冷，在熱處理爐中對樣品進行250℃～350℃去應力退火7個小時。
權利要求
1.在結晶器表面激光快速熔覆制備耐磨抗熱復合涂層工藝，其特征在于利用高功率激光器，通過激光快速掃描在結晶器銅板表面熔覆與基體成冶金結合的良好的韌性打底過渡層，并通過激光寬帶熔覆在打底合金表面制備耐磨及抗熱性能優良的鈷基合金，其工藝過程如下A、結晶器銅板表面預處理在室溫下對結晶器銅板進行酸洗去銹，再將銅板進行酸浸活化，酸浸時間為0.5～1分鐘；B、等離子噴涂預沉積打底合金噴涂前先將結晶器銅板用丙酮清洗，然后進行噴砂處理，噴涂時采用氫氣做助燃氣，氬氣做保護氣；先將噴槍火苗提高，對樣品進行50～100℃預熱，然后進行等離子噴涂，噴涂原料為鎳基合金粉末，鎳基合金打底涂層厚度為0.3～0.4mm；C、高功率激光器快速熔覆打底合金選用高功率CO2激光器，以數控機床為工作臺，用有機玻璃燒斑法選取最佳的激光模式，獲得穩定的等離子體弧狀態，然后利用激光器，以300～700mm/min的掃描速度對噴涂后的銅板進行慢速預熱，用紅外測溫儀測量當預熱溫度達400～500℃時快速熔覆打底合金；具體工藝參數如下聚焦鏡f＝100～300熔覆功率P＝3000～10000W光斑直徑D＝1.2～3mm熔覆掃描速度V＝4～10m/min搭接率40～60％；D、高功率激光器寬帶熔覆鈷基合金采取送粉方式喂入合金粉末，采用寬帶熔覆方法在鎳基合金表面熔覆鈷基合金，參數為熔覆功率P＝3000～10000W矩形光斑長×寬＝(2～10)mm×(1～2)mm熔覆掃描速度V＝4～10m/min搭接率40～60％；E、后續熱處理激光寬帶熔覆鈷基合金后要慢速緩冷，在熱處理爐中對樣品進行250～350℃去應力退火5～7個小時。
2.根據權利要求1所述的在結晶器表面激光快速熔覆制備耐磨抗熱復合涂層工藝，其特征在于與結晶器銅板熱物理性能相似的打底鎳基合金其組成中含有20％銅。
3.根據權利要求1所述的在結晶器表面激光快速熔覆制備耐磨抗熱復合涂層工藝，其特征在于制備鎳基合金涂層時采用的是萬瓦CO2氣體激光器，聚焦鏡f＝150，熔覆功率P＝6000W，光斑直徑D＝1.8mm，掃描速度V＝5m/min。
4.根據權利要求1所述的在結晶器表面激光快速熔覆制備耐磨抗熱復合涂層工藝，其特征在于制備鈷基合金涂層時采用的是寬帶快速掃描，熔覆功率P＝3000W，矩形光斑4×1mm2，掃描速度V＝5m/min。
全文摘要
在結晶器表面激光快速熔覆制備耐磨抗熱復合涂層工藝，其特點在于利用高功率激光器，通過激光快速掃描在結晶器銅板表面熔覆與基體成冶金結合的良好的韌性打底過渡層，并通過激光寬帶熔覆在打底合金表面制備耐磨及抗熱性能優良的鈷基合金。與常規的工藝相比較，激光束的功率、位置和形狀等能夠精確控制，易實現選區甚至微區熔覆，且涂層成分不受基體成分干擾和影響，涂層厚度也可準確控制，屬于無接觸型處理，以及整個過程很容易實現自動控制；另外，激光熔覆工藝對環境無污染、無輻射、低噪聲，還具有生產率高、能耗低、熔覆層加工余量小、成品率高以及綜合成本低等特點得到廣泛的應用。因此，采用激光熔覆技術將產生顯著的經濟效益和社會效益。
文檔編號C23C24/10GK1932082SQ20061004799
公開日2007年3月21日 申請日期2006年10月12日 優先權日2006年10月12日
發明者陶興啟, 黃旭東, 劉芳, 劉常升 申請人:沈陽大陸激光成套設備有限公司