专利名称：在结晶器表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于激光快速熔覆技术领域，特别涉及结晶器表面制备及修复耐磨抗热涂层的方法。
背景技术：
结晶器是一个水冷的钢锭模，是连铸机非常重要的部件，称之为连铸设备的“心脏”。结晶器铜板损坏的主要形式是产生热裂纹、磨损和腐蚀，而表面的局部损坏又往往造成整个零件失效，最终导致设备报废；而且铜及铜合金的资源紧缺，近期来价格又有不断上涨的趋势；据统计，一套结晶器的价格在7～12万元，我国冶金企业每年铜结晶器的消耗在20亿元以上。因此提高结晶器铜板表面的耐磨性和耐热性是提高经济效益和生产效率的根本措施。
现有技术中广泛采用的电镀、热喷涂和渗镀等表面处理方法虽能提高结晶器铜板的耐磨性，但由于电镀以及热喷涂制备的涂层与基体是机械结合，在一定程度上降低了其强化效果；渗镀涂层在应用中金属与铜晶格之间的扩散较难控制，以及较高的成本也使得它们的应用受到了限制。
近几年，随着激光技术的广泛应用，结晶器表面涂层采用激光熔覆技术制备，该技术存在的问题是对激光熔覆过程裂纹的形成和行为缺乏深入的研究；尚缺乏特别针对激光熔覆过程特性的熔覆材料；激光熔覆过程的检测和实施自动化控制。其中，裂纹问题尤为严重。裂纹的形成是由于熔覆层中存在大量的多硬质相以及硬质相的不良分布，其高脆性难以承受熔覆过程产生的较大拉应力所致。要解决激光熔覆层出现的裂纹问题，一方面要优化合金粉末成分，提高粉末的强韧性；另一方面就是要设法降低热应力应用，从工艺上降低熔覆过程的残余拉应力。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高功率CO2激光器快速熔覆在结晶器表面制备及修复耐磨抗热复合涂层的方法。该方法可制备与基体形成冶金结合的特殊功能涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及、抗氧化特性。
采用的技术方案是
在结晶器表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺，包括以下过程1、结晶器铜板表面预处理在室温下采用200～300g/l的H2SO4与100～120g/l的HCl的混合液对结晶器铜板进行酸洗去锈，再将结晶器铜板进行酸浸活化，酸浸时间为0.5～1分钟；2、等离子喷涂预沉积打底合金喷涂前先将结晶器铜板用丙酮清洗，然后进行喷砂处理，喷涂时采用氢气做助燃气，氩气做保护气。先将喷枪火苗提高，对样品进行50～100℃预热，然后进行等离子喷涂，喷涂原料为镍基合金粉末，镍基合金打底涂层厚度为0.3～0.4mm；3、高功率激光器快速熔覆打底合金选用高功率CO2激光器，以数控机床为工作台，用有机玻璃烧斑法选取最佳的激光模式(低阶模)，获得稳定的等离子体弧状态，然后利用高功率CO2激光器以300～700mm/min的扫描速度对喷涂后的铜板进行慢速预热，用红外测温仪测量当预热温度达400～500℃时快速熔覆打底合金；具体工艺参数如下聚焦镜f＝100～300熔覆功率P＝3000～10000W光斑直径D＝1.2～3mm熔覆扫描速度V＝4～10m/min搭接率40～60％4、高功率激光器宽带熔覆钴基合金采取送粉方式喂入合金粉末，采用宽带熔覆方法在镍基合金表面熔覆钴基合金。
熔覆功率P＝3000～10000W矩形光斑长×宽＝(2～10)mm×(1～2)mm2熔覆扫描速度V＝4～10m/min搭接率40～60％5、后续热处理激光宽带熔覆钴基合金后要慢速缓冷，在热处理炉中对样品进行250～350℃去应力退火5～7个小时。
本发明的特点在于激光器类型是高功率CO2气体激光器，其最高功率是10000W，波长10.6微米，可实现窄带低阶模快速扫描以及宽带矩形扫描进行熔覆。
本发明选用与铜基材成分相近的镍基自熔合金粉末(Ni～Cu～Si～B)作为打底层。这是因为一方面，这种镍基自熔合金粉末具有优良的韧性及较好的耐磨性；一方面，镍和铜的热膨胀系数和熔点十分相近，这样可以抑制激光熔覆过程中由于基材与熔覆材料热物性之间的差异导致产生的组织应力。另外，在激光熔覆前、后对铜基材进行一定程度的预热以及后处理，这样通过降低温度梯度，可以一定程度上抑制熔覆层的开裂。另一方面，打底层为后期宽带激光熔覆钴基合金涂层提供了良好的“隔热”屏障作用。
本发明的原理是通过选取与结晶器铜板成分和热物理性能相近的最佳的抗热Ni基自熔合金粉末作为打底层，合理设计并优化工艺参数，在高功率低阶模起弧条件下进行激光快速熔覆，后期与铜板形成牢固的冶金结合，实现和基体材料良好的韧性过渡；然后选取耐热耐磨耐蚀性能都很好的Co基合金，在结晶器铜板上进行送粉法激光宽带熔覆处理，形成均匀致密的优良抗热耐磨复合涂层。
与常规的表面涂覆工艺相比较，激光束的功率、位置和形状等能够精确控制，易实现选区甚至微区熔覆，且涂层成分不受基体成分干扰和影响，涂层厚度也可准确控制，属于无接触型处理，以及整个过程很容易实现自动控制；另外，激光熔覆工艺对环境无污染、无辐射、低噪声，还具有生产率高、能耗低、熔覆层加工余量小、成品率高以及综合成本低等特点得到广泛的应用。因此，采用激光熔覆技术将产生显著的经济效益和社会效益。
具体实施例方式
实施例一本发明的在结晶器表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺，包括以下过程1、结晶器铜板表面预处理在室温下采用200g/l的H2SO4与100g/l的HCl的混合液对结晶器铜板进行酸洗去锈，除净为止；再将结晶器铜板在室温下放到70～80g/l的H2SO4中浸泡0.5分钟，使其活化；2、等离子喷涂预沉积打底合金喷涂前先将铜板用丙酮清洗，然后进行喷砂处理，喷涂时采用氢气做助燃气，氩气做保护气，先将喷枪火苗提高，对铜板进行60～70℃预热，然后在电压55V、电流500A条件下进行等离子喷涂，喷涂采用镍基自熔合金粉末，预沉积打底合金涂层厚度为0.3～0.4mm；
3、高功率激光器快速熔覆打底合金选用DL-HL-T10000型CO2激光器。打开SIEMENS数控机床。用有机玻璃烧斑法选取最佳的激光模式(低阶模)，获得稳定的等离子体弧状态。然后利用激光器，以500mm/min的慢速对喷涂后的铜基材进行预热，用红外测温仪测量，当预热温度达400～500℃时快速熔覆镍基合金；具体工艺参数如下聚焦镜f＝150熔覆功率P＝4000W光斑直径D＝1.8mm扫描速度V＝5m/min搭接率40％。
4、高功率激光器宽带熔覆钴基合金采取送粉方式喂入合金粉末，采用宽带熔覆方法在镍基合金表面熔覆钴基合金。其参数为熔覆功率P＝3000W矩形光斑长×宽＝4mm×1mm熔覆扫描速度V＝5m/min搭接率40％5、后续热处理激光宽带熔覆钴基合金后要慢速缓冷，在热处理炉中对样品进行300℃去应力退火5个小时。
实施例二本发明的在结晶器表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺，包括以下过程1、结晶器铜板表面预处理在室温下采用250g/l的H2SO4与110g/l的HCl的混合液对结晶器铜板进行酸洗去锈，除净为止；再将结晶器铜板在室温下放到70～80g/l的H2SO4中浸泡0.8分钟，使其活化；2、等离子喷涂预沉积打底合金喷涂前先将铜板用丙酮清洗，然后进行喷砂处理，喷涂时采用氢气做助燃气，氩气做保护气，先将喷枪火苗提高，对铜板进行70～80℃预热，然后在电压55V、电流500A条件下进行等离子喷涂，喷涂采用镍基自熔合金粉末，预沉积打底合金涂层厚度为0.3～0.4mm；
3、高功率激光器快速熔覆打底合金选用DL-HL-T10000型CO2激光器。打开SIEMENS数控机床。用有机玻璃烧斑法选取最佳的激光模式(低阶模)，获得稳定的等离子体弧状态。然后利用激光器，以600mm/min的慢速对喷涂后的铜基材进行预热，用红外测温仪测量，当预热温度达400～500℃时快速熔覆镍基合金；具体工艺参数如下聚焦镜f＝200熔覆功率P＝6000W光斑直径D＝2mm扫描速度V＝6m/min搭接率50％。
4、高功率激光器宽带熔覆钴基合金采取送粉方式喂入合金粉末，采用宽带熔覆方法在镍基合金表面熔覆钴基合金。其参数为熔覆功率P＝5000W矩形光斑长×宽＝6mm×1.5mm熔覆扫描速度V＝6m/min搭接率50％5、后续热处理激光宽带熔覆钴基合金后要慢速缓冷，在热处理炉中对样品进行250℃～350℃去应力退火6个小时。
实施例三1、结晶器铜板表面预处理在室温下采用250g/l的H2SO4与110g/l的HCl的混合液对结晶器铜板进行酸洗去锈，除净为止；再将结晶器铜板在室温下放到75g/l的H2SO4中浸泡0.8分钟，使其活化；2、等离子喷涂预沉积打底合金喷涂前先将铜板用丙酮清洗，然后进行喷砂处理，喷涂时采用氢气做助燃气，氩气做保护气，先将喷枪火苗提高，对铜板进行70～80℃预热，然后在电压55V、电流500A条件下进行等离子喷涂，喷涂采用镍基自熔合金粉末，预沉积打底合金涂层厚度为0.3～0.4mm；3、高功率激光器快速熔覆打底合金选用DL-HL-T10000型CO2激光器。打开SIEMENS数控机床。用有机玻璃烧斑法选取最佳的激光模式(低阶模)，获得稳定的等离子体弧状态。然后利用激光器，以700mm/min的慢速对喷涂后的铜基材进行预热，用红外测温仪测量，当预热温度达400～500℃时快速熔覆镍基合金；具体工艺参数如下聚焦镜f＝300熔覆功率P＝8000W光斑直径D＝3mm扫描速度V＝8m/min搭接率60％。
4、高功率激光器宽带熔覆钴基合金采取送粉方式喂入合金粉末，采用宽带熔覆方法在镍基合金表面熔覆钴基合金。其参数为熔覆功率P＝8000W矩形光斑长×宽＝8mm×2mm熔覆扫描速度V＝8m/min搭接率60％5、后续热处理激光宽带熔覆钴基合金后要慢速缓冷，在热处理炉中对样品进行250℃～350℃去应力退火7个小时。
权利要求
1.在结晶器表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺，其特征在于利用高功率激光器，通过激光快速扫描在结晶器铜板表面熔覆与基体成冶金结合的良好的韧性打底过渡层，并通过激光宽带熔覆在打底合金表面制备耐磨及抗热性能优良的钴基合金，其工艺过程如下A、结晶器铜板表面预处理在室温下对结晶器铜板进行酸洗去锈，再将铜板进行酸浸活化，酸浸时间为0.5～1分钟；B、等离子喷涂预沉积打底合金喷涂前先将结晶器铜板用丙酮清洗，然后进行喷砂处理，喷涂时采用氢气做助燃气，氩气做保护气；先将喷枪火苗提高，对样品进行50～100℃预热，然后进行等离子喷涂，喷涂原料为镍基合金粉末，镍基合金打底涂层厚度为0.3～0.4mm；C、高功率激光器快速熔覆打底合金选用高功率CO2激光器，以数控机床为工作台，用有机玻璃烧斑法选取最佳的激光模式，获得稳定的等离子体弧状态，然后利用激光器，以300～700mm/min的扫描速度对喷涂后的铜板进行慢速预热，用红外测温仪测量当预热温度达400～500℃时快速熔覆打底合金；具体工艺参数如下聚焦镜f＝100～300熔覆功率P＝3000～10000W光斑直径D＝1.2～3mm熔覆扫描速度V＝4～10m/min搭接率40～60％；D、高功率激光器宽带熔覆钴基合金采取送粉方式喂入合金粉末，采用宽带熔覆方法在镍基合金表面熔覆钴基合金，参数为熔覆功率P＝3000～10000W矩形光斑长×宽＝(2～10)mm×(1～2)mm熔覆扫描速度V＝4～10m/min搭接率40～60％；E、后续热处理激光宽带熔覆钴基合金后要慢速缓冷，在热处理炉中对样品进行250～350℃去应力退火5～7个小时。
2.根据权利要求1所述的在结晶器表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺，其特征在于与结晶器铜板热物理性能相似的打底镍基合金其组成中含有20％铜。
3.根据权利要求1所述的在结晶器表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺，其特征在于制备镍基合金涂层时采用的是万瓦CO2气体激光器，聚焦镜f＝150，熔覆功率P＝6000W，光斑直径D＝1.8mm，扫描速度V＝5m/min。
4.根据权利要求1所述的在结晶器表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺，其特征在于制备钴基合金涂层时采用的是宽带快速扫描，熔覆功率P＝3000W，矩形光斑4×1mm2，扫描速度V＝5m/min。
全文摘要
在结晶器表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺，其特点在于利用高功率激光器，通过激光快速扫描在结晶器铜板表面熔覆与基体成冶金结合的良好的韧性打底过渡层，并通过激光宽带熔覆在打底合金表面制备耐磨及抗热性能优良的钴基合金。与常规的工艺相比较，激光束的功率、位置和形状等能够精确控制，易实现选区甚至微区熔覆，且涂层成分不受基体成分干扰和影响，涂层厚度也可准确控制，属于无接触型处理，以及整个过程很容易实现自动控制；另外，激光熔覆工艺对环境无污染、无辐射、低噪声，还具有生产率高、能耗低、熔覆层加工余量小、成品率高以及综合成本低等特点得到广泛的应用。因此，采用激光熔覆技术将产生显著的经济效益和社会效益。
文档编号C23C24/10GK1932082SQ20061004799
公开日2007年3月21日 申请日期2006年10月12日 优先权日2006年10月12日
发明者陶兴启, 黄旭东, 刘芳, 刘常升 申请人:沈阳大陆激光成套设备有限公司