CN111058035A - 铜及铜合金表面激光熔覆制备耐磨耐蚀合金涂层的工艺及合金涂层 - Google Patents

铜及铜合金表面激光熔覆制备耐磨耐蚀合金涂层的工艺及合金涂层 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种激光熔覆增材制造技术领域，公开一种铜及铜合金表面激光熔覆制备耐磨耐蚀合金涂层的工艺及合金涂层，按摩尔质量百分比进行粉体材料配制打底层粉体材料和表层粉体材料，并在铜及铜合金表面采用半导体激光器依次分别激光熔覆打底层和表层粉体材料，激光光斑采用两束圆形激光光斑，送粉喷嘴与第一激光束进行复合，组成同轴送粉方式；第二激光束置于前端并在工件表面形成椭圆形光斑投影，前端预热铜合金表面，其后端与第一激光束形成的小圆形光斑形成复合能场进行熔覆加工。本发明可有效实现涂层界面的冶金结合，显著提高涂层耐磨性能和延长部件更换周期，同时达到抑制高温高湿工作环境的氧化性侵蚀。

Description

铜及铜合金表面激光熔覆制备耐磨耐蚀合金涂层的工艺及合 金涂层
技术领域
本发明涉及激光熔覆增材制造技术领域，具体而言涉及一种铜及铜合金表面激光熔覆制备耐磨耐蚀合金涂层的工艺，适用于连轧连铸铜板结晶器、铝板轧制铜轧辊等其他铜及铜合金部件的表面防护及再制造。
背景技术
铜及铜合金具有良好的导热性，常被用于制备导热部件，结晶器就是其的一个重要应用。结晶器是连铸工艺的核心设备，结晶器铜板的表面质量，直接影响着连铸生产的稳定性。连铸生产工艺是现代钢铁工业的核心工艺之一，而结晶器作为连铸从液态钢水到凝固成固态坯壳重要导热部件，是连铸工艺的心脏设备。其基本功能是利用冷却水通过水冷铜板间接带走钢水中热量，使钢水在结晶器内连续地形成具有一定厚度和一定强度的坯壳。在生产过程中，结晶器铜板要不断地经受高温、高压和强磨擦的冲击，工作环境极其恶劣。因此，结晶器铜板表面性能的好坏直接影响到连铸工艺的产品质量、生产效率和生产成本。此外，对于铝板轧制铜轧辊表面同样有着磨损失效的问题。
目前，铜和铜合金表面强化技术主要有电镀、复合镀和热喷涂。但目前的强化技术尚存在着以下主要问题：强化层耐磨性较差，铜结晶器表面寿命较低；涂层与铜基体之间未形成冶金结合，涂层易脱落。而普通激光熔覆在铜和铜合金表面制备耐磨涂层的难度依然较大，且工艺过程控制不稳定。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的冶金行业连轧连铸生产线铜板结晶器、铜轧辊存在严重磨损的问题，提出一种铜及铜合金表面激光熔覆制备耐磨耐蚀合金涂层的工艺，有效实现涂层界面的冶金结合，显著提高涂层耐磨性能和延长部件更换周期，同时达到抑制高温高湿工作环境的氧化性侵蚀。
为达成上述目的，本发明提出一种铜及铜合金表面激光熔覆制备耐磨耐蚀合金涂层的工艺，包括以下步骤：
步骤1、按摩尔质量百分比进行粉体材料配制：①打底层粉体材料成分配比：C-0.03％， B-1.1％，Si-2.0％，Fe-1.5％，Cu-25.0％，Cr-2.5％，Ni-bal；②表层粉体材料成分配比：C-0.05％， Cr-19.32％，B-0.98％，Si-0.89％，Mn-0.16％，Mo-0.3％，Ni-2.58％，Co-0.15％，V-0.04％，Fe-bal；
步骤2、配制的粉体材料和待加工的铜及铜合金表面进行预处理；
步骤3、在铜及铜合金表面采用半导体激光器依次分别激光熔覆打底层和表层粉体材料，其中：激光光斑采用两束圆形激光光斑，送粉喷嘴与第一激光束进行复合，组成同轴送粉方式，使得在工件表面所形成同轴送粉粉末汇聚区位于第一激光束在工件表面形成的小圆形光斑区域中心；第二激光束置于第一激光束的前端并在工件表面形成椭圆形光斑投影，其中在熔覆方向上，椭圆形光斑投影的前端预热铜合金表面，其后端与第一激光束形成的小圆形光斑形成复合能场，对工件表面的同轴送粉粉末汇聚区内的粉体材料进行熔覆加工。
优选地，所述步骤3中，椭圆形光斑投影的短轴直径大于小圆形光斑的直径。
优选地，第一激光束与第二激光束所组成的平面与工件表面垂直面呈8°夹角，第一激光束与垂直方向呈5°夹角，第二激光束与第一激光束在同一平面内呈45°—50°夹角固定，两激光束在工件表面的作用点和圆辊形工件截面圆心的连线与穿过圆心的垂直轴线夹角6°。
优选地，在步骤3的激光熔覆过程中，采用的工艺参数如下：
①打底层：
第一激光束：激光功率2.5kW，光斑尺寸3mm，扫描速度780mm/min，送粉量1.0r/min，搭接率50％，Ar气保护流量为40ml/min；第二激光束：激光功率2.3kW，光斑尺寸4mm，扫描速度780mm/min，搭接率50％，气刀保护流量为80ml/min；
②表层：
第一激光束：激光功率1.8kW，光斑尺寸3mm，扫描速度780mm/min，送粉量2.3r/min，搭接率50％，Ar气保护流量为40ml/min；第二激光束：激光功率1.6kW，光斑尺寸4mm，扫描速度780mm/min，搭接率50％，气刀保护流量为80ml/min；
优选地，激光熔覆过程中，在熔覆层中形成有M23C6和M7C3硬质相。
优选地，所述椭圆形光斑投影的前端2/3预热铜合金表面，其后端的1/3与第一激光束形成的小圆形光斑形成复合能场。
优选地，配制的粉体材料的预处理包括：
将打底层粉体材料和表层粉体材料分别混合2h，两种粉体材料在使用之前经100℃真空干燥1.5h。
由以上本发明的技术方案，本发明的显著优点在于：
由于传统单光束在铜合金表面激光熔覆异种高耐磨材料难度很大，无法有效的在铜合金表面进行异种高耐磨材料的成型，本发明采用两激光束组合，其中用椭圆形光斑的2/3面积在前端预热铜合金表面，1/3的面积用于跟圆形光斑组合形成复合能场，起到热源叠加1+1>2 的效应；椭圆形光斑后沿的1/3正好作用于粉末汇聚点，对粉末起到很好的预热作用，增加了粉末熔化率及润湿性；采用大光斑辅助+小光斑熔覆，大光斑扫描宽度大于后面的熔覆光斑，这样可以避免后面小光斑熔覆时，由于边界能量不足而导致的单道熔覆层两边界出现未熔合或半熔合状态，由此导致的边界结合强度不够的问题。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1a、1b、1c为本发明铜及铜合金耐磨耐蚀激光熔覆涂层制备过程第一激光束和第二激光束相对位置关系，其中图1a为左视图，图1b为主视图，图1c为两激光束光源在工件表面相对位置投影的示意图。
图2a、2b为本发明在铜及铜合金耐磨耐蚀激光熔覆涂层宏观形貌图，其中2a为待加工的铜及铜合金工件表面(圆辊形工件)，图2b为采用本发明的工艺制备涂层后的形貌。
图3a、3b为本发明在铜及铜合金耐磨耐蚀激光熔覆涂层的不同位置的截面形貌图。
图4a、4b和4c为本发明在铜及铜合金耐磨耐蚀激光熔覆涂层的界面及表层显微组织形貌，图4a为4a的下部分的显微组织形貌，4c为4a的上部分的显微组织形貌。
图5为本发明制得的铜及铜合金耐磨耐蚀激光熔覆涂层熔覆层表层物相衍射图。
图6为本发明制得的铜及铜合金耐磨耐蚀激光熔覆涂层横截面硬度分布曲线图。
图7为本发明制得的铜及铜合金耐磨耐蚀激光熔覆涂层摩擦系数曲线图。
图8为本发明制得的铜及铜合金耐磨耐蚀激光熔覆涂层样件磨损表面微观形貌示意图。
图示中，各附图标记含义如下：
1—第一激光束 7—第一激光束在工件表面光斑，大小3mm
2—第二激光束 8—同轴送粉粉末汇聚区
3—圆辊形工件 9—第二激光束在工件表面光斑，大小4mm
4—工件旋转方向 10—两激光束的光斑中心间距，L＝2mm
5—两激光束在主视图中位置 11—两激光束的相对工件运动方向
6—垂直平面
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图示，本发明针对钢铁冶金行业连轧连铸铜板结晶器、铜套轧辊存在严重的磨损问题，提出一种涂层结合性能良好、生产成本低、方法简单，可适合于工业化生产的耐磨耐蚀激光熔覆用涂层粉体材料，并基于此，采用双光束复合激光熔覆加工工艺，在铜及铜合金表面形成耐磨耐蚀的熔覆涂层。
本发明提出的铜及铜合金表面激光熔覆制备耐磨耐蚀合金涂层的工艺，包括以下步骤：
步骤1、按摩尔质量百分比进行粉体材料配制：①打底层粉体材料成分配比：C-0.03％， B-1.1％，Si-2.0％，Fe-1.5％，Cu-25.0％，Cr-2.5％，Ni-bal；②表层粉体材料成分配比：C-0.05％， Cr-19.32％，B-0.98％，Si-0.89％，Mn-0.16％，Mo-0.3％，Ni-2.58％，Co-0.15％，V-0.04％，Fe-bal；
步骤2、配制的粉体材料和待加工的铜及铜合金表面进行预处理；
步骤3、在铜及铜合金表面采用半导体激光器依次分别激光熔覆打底层和表层粉体材料，其中：激光光斑采用两束圆形激光光斑，送粉喷嘴与第一激光束进行复合，组成同轴送粉方式，使得在工件表面所形成同轴送粉粉末汇聚区位于第一激光束在工件表面形成的小圆形光斑区域中心；第二激光束置于第一激光束的前端并在工件表面形成椭圆形光斑投影，其中在熔覆方向上，椭圆形光斑投影的前端预热铜合金表面，其后端与第一激光束形成的小圆形光斑形成复合能场，对工件表面的同轴送粉粉末汇聚区内的粉体材料进行熔覆加工。
图2a、2b所示为通过示例进行圆辊形工件(圆柱体)表面制备合金涂层前和制备合金涂层后的示例(图2中制备后的合金涂层未经打磨抛光处理)。
结合图3a、3b所示，根据以上本发明的方案制备的耐磨耐蚀涂层界面出现“驼峰现象”，呈现良好的冶金结合，具有良好的工业应用前景和经济效益。而且，其中在熔覆层中形成有 M23C6和M7C3硬质相，可有效提高涂层的耐磨耐蚀性能。
钢铁冶金行业熔融金属对铜板结晶器表面冲刷磨损、高温铝板对铜套轧辊表面滑动磨损问题，导致部件尺寸缺失及产品质量下降，因此改善工件表面性能对延长其使用寿命十分重要。本发明采用调配的耐磨耐蚀粉体材料及双光束热源复合方式制备高硬度、高耐蚀性的合金涂层，可有效延长工件使用寿命。
优选地，所述步骤3中，椭圆形光斑投影的短轴直径大于小圆形光斑的直径。
优选地，结合图1a-1c所示，第一激光束与第二激光束所组成的平面与工件表面垂直面呈8°夹角，第一激光束与垂直方向呈5°夹角，第二激光束与第一激光束在同一平面内呈 45°—50°夹角固定，两激光束在工件表面的作用点和圆辊形工件截面圆心的连线与穿过圆心的垂直轴线夹角6°。其中，第一激光束与垂直方向的夹角非常小，投影等同于圆形光斑，第二激光束与第一激光束之间具有45-50°的夹角，也即第二激光束倾斜着入射到工件表面，其在工件表面的投影为椭圆形光斑。
优选地，在步骤3的激光熔覆过程中，采用的工艺参数如下：
①打底层：
第一激光束：激光功率2.5kW，光斑尺寸3mm，扫描速度780mm/min，送粉量1.0r/min，搭接率50％，Ar气保护流量为40ml/min；第二激光束：激光功率2.3kW，光斑尺寸4mm，扫描速度780mm/min，搭接率50％，气刀保护流量为80ml/min；
②表层：
第一激光束：激光功率1.8kW，光斑尺寸3mm，扫描速度780mm/min，送粉量2.3r/min，搭接率50％，Ar气保护流量为40ml/min；第二激光束：激光功率1.6kW，光斑尺寸4mm，扫描速度780mm/min，搭接率50％，气刀保护流量为80ml/min；
优选地，激光熔覆过程中，在熔覆层中形成有M23C6和M7C3硬质相。
优选地，所述椭圆形光斑投影的前端2/3预热铜合金表面，其后端的1/3与第一激光束形成的小圆形光斑形成复合能场。
优选地，配制的粉体材料的预处理包括：
将打底层粉体材料和表层粉体材料分别混合2h，两种粉体材料在使用之前经100℃真空干燥1.5h。
下面结合附图所示，下面更加具体地描述各个实施例的示例。
本例中激光熔覆粉末材料按前述的比例混合粉末，采用电磁混料机混合时间为2h。同时选用紫铜T1作为激光熔覆的基体材料(圆辊工件)，试样尺寸为Ф150mm×300mm×20mm(外径×长度×壁厚)。
激光熔覆实验设备采用ZKYC-LCD-4000型激光再制造成套装备：库卡KUKA60-3型机器人、普雷斯特YC52同轴送粉加工头、Laserline半导体4000W激光器、同飞MCWL-120DT2水冷机和RC-PGF-D-2双桶送粉器。激光熔覆主要工艺参数为：
底层：第一激光束：激光功率2.5kW，光斑尺寸3mm，扫描速度780mm/min，送粉量1.0r/min，搭接率50％，Ar气保护流量为40ml/min；第二激光束：激光功率2.3kW，光斑尺寸4mm，扫描速度780mm/min，搭接率50％，气刀保护流量为80ml/min；②表层：第一激光束：激光功率1.8kW，光斑尺寸3mm，扫描速度780mm/min，送粉量2.3r/min，搭接率50％， Ar气保护流量为40ml/min；第二激光束：激光功率1.6kW，光斑尺寸4mm，扫描速度 780mm/min，搭接率50％，气刀保护流量为80ml/min；激光熔覆制备的试样为单层多道搭接熔覆涂层，熔覆层尺寸长度为50mm，打底层厚度为0.6mm、表层熔覆厚度1.4mm左右。线切割取样，所得样品为Sample-1，如图3a所示。
其中，熔覆工艺采用图1a-1c所示的双激光束的光斑进行熔覆加工，其中V表示工件的旋转方向，Φ表示圆柱工件的内径。
实施例2
激光熔覆粉末材料按权利要求1的比例混合粉末，采用电磁混料机混合时间为2h。同时选用紫铜T1作为激光熔覆的基体材料，试样尺寸为Ф100mm×300mm×10mm(外径×长度×壁厚)。
激光熔覆实验设备采用ZKYC-LCD-4000型激光再制造成套装备：库卡KUKA60-3型机器人、普雷斯特YC52同轴送粉加工头、Laserline半导体4000W激光器、同飞MCWL-120DT2水冷机和RC-PGF-D-2双桶送粉器。激光熔覆主要工艺参数为：①打底层：第一激光束：激光功率2.5kW，光斑尺寸3mm，扫描速度780mm/min，送粉量1.0r/min，搭接率50％，Ar气保护流量为40ml/min；第二激光束：激光功率2.3kW，光斑尺寸4mm，扫描速度780mm/min，搭接率50％，气刀保护流量为80ml/min；②表层：第一激光束：激光功率1.8kW，光斑尺寸 3mm，扫描速度780mm/min，送粉量2.3r/min，搭接率50％，Ar气保护流量为40ml/min；第二激光束：激光功率1.6kW，光斑尺寸4mm，扫描速度780mm/min，搭接率50％，气刀保护流量为80ml/min；激光熔覆制备的试样为单层多道搭接熔覆涂层，熔覆层尺寸长度为50mm，打底层厚度为0.6mm、表层熔覆厚度1.4mm左右。线切割取样，所得样品为Sample-2，如图 3b。
其中，熔覆工艺采用图1a-1c所示的双激光束的光斑进行熔覆加工，其中V表示工件的旋转方向，Φ表示圆柱工件的内径。
结合附图所示的表面形貌、组织形貌和分析结果可见，本发明所得涂层表面质量高，内部未出现裂纹、孔隙等缺陷，且涂层耐磨耐蚀层最大厚度可达到1.5mm。
以实施例1所制得的样品进行进一步分析，结合图示的横截面硬度分布曲线和摩擦曲线示意图及表面磨损形貌，耐磨耐蚀涂层显微硬度比基体T1大幅提高，涂层磨损量很小，观察磨损表面可见，表面展现出比较规则且粗细深浅一致的犁沟状磨痕，如图所示，局部只有的坑状剥落，因为熔覆层表面的硬度比基体更高，在磨损时金属表面被剪切和对磨环黏着拔起表层金属的情况会得到较大的缓解。同时由于磨损过程中硬质相的脱落一定程度上也可以起到对摩擦副的润滑作用从而减轻磨损。当磨损到一定深度时，熔覆层内的硬质相作为第二相，可以起到承受载荷和保护待磨损金属的作用。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.一种铜及铜合金表面激光熔覆制备耐磨耐蚀合金涂层的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、按摩尔质量百分比进行粉体材料配制：①打底层粉体材料成分配比：C-0.03％，B-1.1％，Si-2.0％，Fe-1.5％，Cu-25.0％，Cr-2.5％，Ni-bal；②表层粉体材料成分配比：C-0.05％，Cr-19.32％，B-0.98％，Si-0.89％，Mn-0.16％，Mo-0.3％，Ni-2.58％，Co-0.15％，V-0.04％，Fe-bal；
步骤2、配制的粉体材料和待加工的铜及铜合金表面进行预处理；
步骤3、在铜及铜合金表面采用半导体激光器依次分别激光熔覆打底层和表层粉体材料，其中：激光光斑采用两束圆形激光光斑，送粉喷嘴与第一激光束进行复合，组成同轴送粉方式，使得在工件表面所形成同轴送粉粉末汇聚区位于第一激光束在工件表面形成的小圆形光斑区域中心；第二激光束置于第一激光束的前端并在工件表面形成椭圆形光斑投影，其中在熔覆方向上，椭圆形光斑投影的前端预热铜合金表面，其后端与第一激光束形成的小圆形光斑形成复合能场，对工件表面的同轴送粉粉末汇聚区内的粉体材料进行熔覆加工。
2.根据权利要求1所述的铜及铜合金表面激光熔覆制备耐磨耐蚀合金涂层的工艺，其特征在于，所述步骤3中，椭圆形光斑投影的短轴直径大于小圆形光斑的直径。
3.根据权利要求1所述的铜及铜合金表面激光熔覆制备耐磨耐蚀合金涂层的工艺，其特征在于，第一激光束与第二激光束所组成的平面与工件表面垂直面呈8°夹角，第一激光束与垂直方向呈5°夹角，第二激光束与第一激光束在同一平面内呈45°—50°夹角固定，两激光束在工件表面的作用点和圆辊形工件截面圆心的连线与穿过圆心的垂直轴线夹角6°。
4.根据权利要求1所述的铜及铜合金表面激光熔覆制备耐磨耐蚀合金涂层的工艺，其特征在于，在步骤3的激光熔覆过程中，采用的工艺参数如下：
①打底层：
第一激光束：激光功率2.5kW，光斑尺寸3mm，扫描速度780mm/min，送粉量1.0r/min，搭接率50％，Ar气保护流量为40ml/min；第二激光束：激光功率2.3kW，光斑尺寸4mm，扫描速度780mm/min，搭接率50％，气刀保护流量为80ml/min；
②表层：
第一激光束：激光功率1.8kW，光斑尺寸3mm，扫描速度780mm/min，送粉量2.3r/min，搭接率50％，Ar气保护流量为40ml/min；第二激光束：激光功率1.6kW，光斑尺寸4mm，扫描速度780mm/min，搭接率50％，气刀保护流量为80ml/min。
5.根据权利要求1-4中所述的铜及铜合金表面激光熔覆制备耐磨耐蚀合金涂层的工艺，其特征在于，激光熔覆过程中，在熔覆层中形成有M23C6和M7C3硬质相。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的铜及铜合金表面激光熔覆制备耐磨耐蚀合金涂层的工艺，其特征在于，所述椭圆形光斑投影的前端2/3预热铜合金表面，其后端的1/3与第一激光束形成的小圆形光斑形成复合能场。
7.根据权利要求1-4中任意一项所述的铜及铜合金表面激光熔覆制备耐磨耐蚀合金涂层的工艺，其特征在于，配制的粉体材料的预处理包括：
将打底层粉体材料和表层粉体材料分别混合2h，两种粉体材料在使用之前经100℃真空干燥1.5h。
8.一种根据权利要求1-7中任意一项的工艺所制备的铜及铜合金表面耐磨耐蚀合金涂层。
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