CN112281153A - 一种高速激光熔覆用镍基合金粉末及其熔覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的高速激光熔覆用镍基合金粉末及其熔覆方法，涉及无机材料技术领域；镍基合金粉末的成分为：Ni：80～83wt％，Al：10～12wt％，Si：4～6wt％，WC：1～3wt％，余量为不可避免的微量杂质；并提供了镍基合金粉末在结晶器铜板基体上的熔覆方法，主要在于对预处理后的结晶器铜板基体上进行预热，并在熔覆过程中对结晶器铜板基体保温；采用本发明提供的镍基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方式获得的激光熔覆层涂层结合力强、致密性好，结晶器铜板受热小变形量小，而且具有良好的可切削加工性能，大幅度的提升了结晶器的耐磨耐腐蚀性能和熔覆效率，能适用于结晶器铜板的新制和修复，有显著的经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及无机材料技术领域，具体涉及一种高速激光熔覆用镍基合金粉末及其熔覆方法。
背景技术
结晶器是一种水冷的钢锭模，是连铸机非常重要的部件，称之为连铸设备的“心脏”。其功能是将高温钢水在结晶器中连续冷凝至规定尺寸和几何形状的钢坯，以一定的速度平稳拉出，其技术性能将直接影响到铸锭的内部组织、表面质量、连铸机的拉速和生产效率等指标。随着我国钢铁产量的不断增加，连铸生产发展突飞猛进，连铸工艺中对结晶器的消耗越来越大。结晶器铜板在工作过程中由于长时间经受高温铁水的冲刷，存在较严重的摩擦和磨损，其损坏的主要形式是产生热裂纹、磨损和腐蚀；铜板表面的局部损坏又往往造成整个部件失效，最终导致设备报废。
结晶器是除了轧辊之外的第二大冶金耗材，结晶器铜板材质主要是Cr-Zr-Cu，铜及铜合金价格有不断上涨，铜基的耐磨性很差，进一步影响结晶器的使用寿命；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，迫切需要研究新的表面强化工艺提高结晶器铜板的高温性能，增加其工作寿命。目前广泛使用的铜质结晶器一般采用电镀的方法进行表面处理进行表面改性，以提高结晶器铜板的耐磨性和耐蚀性，但电镀技术存在以下缺，1)涂层与基材之间为物理结合而非冶金结合，在结晶器浇注时频繁的冷热疲劳、钢水及钢坯的冲击和摩擦经常引起涂层起皮剥落；2)镀层硬度低，耐磨性差。近年来则有相关机构在研究超音速喷涂和普通激光熔覆的涂层，超音速喷涂涂层虽然耐磨性能比电镀高但存在结合力差、易开裂和易剥落的缺陷；普通激光熔覆的表面强化技术，能在铜基体表面获得结合良好、耐磨耐高温的合金熔覆层具解决其他表面强化层结合力差、易开裂和易剥落的缺陷，但激光熔覆的制作过程中由于受热较大，会导致铜板变形量大，只适用于铜板新制时使用，而不能在铜板修复时使用。并且由于激光熔覆选择的材料不同，其在铜基体表面得到的熔覆层的性能不同，对不能满足结晶器铜板工作表面不同区域应用不同环境的技术效果，熔覆层容易产生裂纹。
发明内容
本发明目的在于提供一种高速激光熔覆用镍基合金粉末及其熔覆方法，该镍基合金粉末在结晶器铜板基体表面熔覆时能获得冶金结合带，熔覆层与基体界面冶金结合良好，热量输入低可以控制变形，涂层具有良好的可切削加工性能，并且无裂纹、杂质等缺陷，极大提高了铜合金结晶器的耐磨性和耐蚀性。
为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种高速激光熔覆用镍基合金粉末，其成分及含量为：Ni：80～83wt％，Al：10～12wt％，Si：4～6wt％，WC：1～3wt％，余量为不可避免的微量杂质。
进一步的，所述高速激光熔覆用镍基合金粉末的粒径为20～53μm。
进一步的，所述高速激光熔覆用镍基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆。
进一步的，所述高速激光熔覆用镍基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方法，包括如下步骤：
1)结晶器铜板基体表面预处理；
2)固定结晶器铜板基体，预处理后的表面朝向高速激光熔覆设备，高速激光熔覆设备内装有待熔覆的镍基合金粉末；
3)预处理后的结晶器铜板基体预热，预热温度为T1，200℃≤T1≤300℃；
4)高速激光熔覆设备在结晶器铜板基体预处理后的表面上进行激光熔覆，激光熔覆过程中结晶器铜板基体保温，保温温度为T2，200℃≤T2≤300℃；
5)熔覆完成后，对结晶器铜板基体保温缓冷至室温，完成激光熔覆。
进一步的，所述步骤4)中高速激光熔覆设备在结晶器铜板基体表面和结晶器铜板基体表层同时激光熔融，形成激光熔覆层；高速激光熔覆设备在激光熔覆过程中通过激光同轴送粉***对结晶器铜板基体表面熔覆部位进行连续送粉，送粉速率为1000～2000ml/h；激光加工工艺参数为：激光光斑直径为1～2mm、激光功率为3000～6000W、激光扫描速度为0.5～1m2/h、搭接率为30～50％。
进一步的，所述步骤2)中结晶器铜板基体采用专用工装固定；所述专用工设置为保温箱体结构，保温箱体结构包括端盖、底板、两端分别连接于端盖和底板的框架，以及设置在保温箱体结构内的加热器；所述框架由石棉材料制成，框架构成保温箱体结构的内侧设置有内衬，所述内衬为铸铁内衬；所述底板为合金钢底板。
进一步的，所述结晶器铜板基体固定在合金钢底板上，合金钢底板加热时温升速度为100℃/h。
进一步的，所述步骤5)中结晶器铜板基体表面的激光熔覆层厚度为1～2mm。
由以上技术方案可知，本发明的技术方案高速激光熔覆用镍基合金粉末及其熔覆方法，获得了如下有益效果：
本发明公开的高速激光熔覆用镍基合金粉末及其熔覆方法，其中，镍基合金粉末的成分为：Ni：80～83wt％，Al：10～12wt％，Si：4～6wt％，WC：1～3wt％，余量为不可避免的微量杂质；提供了镍基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方法，具体为，首先对结晶器铜板基体表面预处理后固定，预处理后的表面朝向高速激光熔覆设备；其次对预处理后的结晶器铜板基体进行预热至200℃～300℃之间；然后采用高速激光熔覆设备在结晶器铜板基体预处理后的表面上进行激光熔覆，激光熔覆过程中结晶器铜板基体保温在200℃～300℃之间；最后，熔覆完成后，结晶器铜板基体保温缓冷至室温。本发明通过对结晶器铜板基体熔覆前预热、熔覆中保温的方式，在结晶器铜板表面获得涂层结合力强、致密性好的激光熔覆层。
本发明获得的激光熔覆层与结晶器铜板基体界面冶金结合良好，对结晶器铜板基体的热量输入低可以控制结晶器铜板的变形，激光熔覆层具有良好的可切削加工性能，并且无裂纹、杂质等缺陷，极大提高了铜合金结晶器的耐磨性和耐蚀性；本发明公开的熔覆方法可精确控制激光熔覆层的厚度，能适用于新制和修复结晶器铜板，具有能耗低、无污染、效率高、成本低的优点，具有显著的经济效益和社会效益。
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。
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1为本发明实施例1产品热震实验效果图；
图2为本发明实施例2产品热震实验效果图；
图3为本发明实施例3产品热震实验效果图；
图4为本发明实施例4产品热震实验效果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
基于现有技术中采用普通激光熔覆的表面强化技术，虽然能解决在铜基体电镀强化层、喷涂涂层结合力差、易开裂和易剥落的缺陷，但激光熔覆的过程由于受热较大，会导致铜板变形量大，只适用于铜板新制时使用，而不能在铜板修复时使用；并且存在选择的熔覆材料不同，不能满足结晶器铜板工作表面不同区域应用不同环境的技术效果的技术问题。本发明旨在提出一种高速激光熔覆用镍基合金粉末及其熔覆方法，对铜板的热影响小，适用于新制和修复结晶器铜板，适应结晶器铜板的不同应用环境。
下面结合附图所示的实施例，对本发明的高速激光熔覆用镍基合金粉末及其熔覆方法作进一步具体介绍。
一种高速激光熔覆用镍基合金粉末，其成分及含量为：Ni：80～83wt％，Al：10～12wt％，Si：4～6wt％，WC：1～3wt％，余量为不可避免的微量杂质；高速激光熔覆用镍基合金粉末的粒径在20～53μm之间。
将本发明公开的高速激光熔覆用镍基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆应用，熔覆方法包括如下步骤：
1)结晶器铜板基体表面预处理，预处理包括精加工、抛光处理等；
2)固定预处理后的结晶器铜板基体，预处理后的表面朝向高速激光熔覆设备的激光头，高速激光熔覆设备内装有待熔覆的镍基合金粉末；
3)预处理后的结晶器铜板基体预热，预热温度为T1，200℃≤T1≤300℃；
4)高速激光熔覆设备在结晶器铜板基体预处理后的表面上进行激光熔覆，激光熔覆过程中结晶器铜板基体保温，保温温度为T2，200℃≤T2≤300℃；
5)熔覆完成后，对结晶器铜板基体保温缓冷至室温，完成激光熔覆。
采用上述公开的高速激光熔覆用镍基合金粉末在结晶器铜板基体表面熔覆获得的激光熔覆层厚度为1～2mm。
另外，上述方法步骤中步骤4)高速激光熔覆设备在结晶器铜板基体表面和结晶器铜板基体表层同时激光熔融，形成激光熔覆层；高速激光熔覆设备在激光熔覆过程中通过激光同轴送粉***对结晶器铜板基体表面熔覆部位进行连续送粉，送粉速率为1000～2000ml/h；高速激光熔覆设备在结晶器铜板基体上的激光加工工艺参数为：激光光斑直径为1～2mm、激光功率为3000～6000W、激光扫描速度为0.5～1m2/h、搭接率为30～50％。
本发明对结晶器铜板的预热是采用外部加热的方式，不采用激光对基体加热。具体为，在步骤2)中结晶器铜板基体采用专用工装固定，该专用工设置为保温箱体结构，保温箱体结构包括端盖、底板、两端分别连接于端盖和底板的框架，以及设置在保温箱体结构内的加热器；所述框架由石棉材料制成，框架构成保温箱体结构的内侧设置有内衬，所述内衬为铸铁内衬；所述底板为合金钢底板。在步骤2)中，结晶器铜板基体固定在合金钢底板上，合金钢底板受加热器加热，合金钢底板温升速度为100℃/h，合金钢底板再热传递至结晶器铜板。
实施例1
选取修复的结晶器铜板，对其基体表面进行预处理，去除氧化物和污渍等，然后，将结晶器铜板基体固定在专用工装的合金钢底板上进行预热，预处理后的表面朝向高速激光熔覆设备的激光头；取适量的镍基合金粉末进行烘干，镍基合金粉末的成分为Ni：83wt％，Al：10wt％，Si：4wt％，WC：2wt％，余量为不可避免的杂质，镍基合金粉末粒径在20～53μm之间分布，烘干后装入高速激光熔覆设备送粉器内待用；开启高速激光熔覆设备，激光功率设定为3000W，激光光斑调整至合适位置，使用机器人带动高速激光熔覆设备激光头，设定扫描速度1m2/h，激光搭接率30％，送粉器送粉速度1200ml/h，熔覆完成后，结晶器铜板基体在专用工装内缓冷至室温。制备的熔覆层厚度为1～1.1mm，取样进行硬度、耐磨性及热震试验。
实施例2
选取修复的结晶器铜板，对其基体表面进行预处理，去除氧化物和污渍等，然后，将结晶器铜板基体固定在专用工装的合金钢底板上进行预热，预处理后的表面朝向高速激光熔覆设备的激光头；取适量的镍基合金粉末进行烘干，镍基合金粉末的成分为80wt％的Ni，Al：12wt％，Si：6wt％，WC：1wt％，余量为不可避免的杂质，镍基合金粉末粒径在20～53μm之间分布，烘干后装入高速激光熔覆设备送粉器内待用；开启高速激光熔覆设备，激光功率设定为4000W，激光光斑调整至合适位置，使用机器人带动高速激光熔覆设备激光头，设定扫描速度0.5m2/h，激光搭接率50％，送粉器送粉速度1000ml/h，熔覆完成后，结晶器铜板基体在专用工装内缓冷至室温。制备熔覆层厚度1.6～1.8mm，取样进行硬度、耐磨性及热震试验。
实施例3
选取新制的结晶器铜板，对其基体表面进行预处理，去除氧化物和污渍等，然后，将结晶器铜板基体固定在专用工装的合金钢底板上进行预热，预处理后的表面朝向高速激光熔覆设备的激光头；取适量的镍基合金粉末进行烘干，镍基合金粉末的成分为Ni：81wt％，Al：10wt％，Si：5wt％，WC：3wt％，余量为不可避免的杂质，镍基合金粉末粒径在20～53μm之间分布，烘干后装入高速激光熔覆设备送粉器内待用；开启高速激光熔覆设备，激光功率设定为3000W，激光光斑调整至合适位置，使用机器人带动高速激光熔覆设备激光头，设定扫描速度1m2/h，激光搭接率30％，送粉器送粉速度1100ml/h，熔覆完成后，结晶器铜板基体在专用工装内缓冷至室温。制备的熔覆层厚度为1～1.1mm，取样进行硬度、耐磨性及热震试验。
实施例4
与实施例1相比采用一样的激光熔覆操作步骤，仅更换本发明公开的镍基合金粉末为现有技术中常见的镍基合金粉末Ni：62wt％，Cr：15wt％，Fe：10％，Al：5wt％，Si：3wt％，B：3％。取样进行硬度、耐磨性及热震试验。
对实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的产品进行维氏硬度检测试验，其结果如表1所示。
表1激光熔覆后结晶器铜板基体硬度检测结果
结合表1所示，采用本发明公开的高速激光熔覆用镍基合金粉末对结晶器铜板基体进行激光熔覆后，结晶器铜板的硬度相较于现有技术中实施例4采用其他成分比例的镍基合金粉末具有更好的可加工性能，并且在常温和500℃长时间应用条件下仍能保持相对稳定的性能。
对实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的产品进行耐磨性检测试验，其结果如表2所示。
结合表2所示，采用本发明公开的高速激光熔覆用镍基合金粉末对结晶器铜板基体进行激光熔覆后，结晶器铜板的耐磨性相较于现有技术中实施例4采用其他成分比例的镍基合金粉末具有的显著提升，并且在常温和500℃长时间应用条件下，虽然耐磨性降低，但相较于实施例4采用现有技术中的镍基合金粉末熔覆仍能保持良好的耐磨性能。
表2激光熔覆后结晶器铜板基体耐磨性检测结果
对实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的产品进行耐磨性检测试验，其结果如图1、图2、图3和图4所示。
采用本发明公开的高速激光熔覆用镍基合金粉末对结晶器铜板基体进行激光熔覆后，进行热震试验，热震试验条件为：热震温度400℃，选用常温水冷，热震次数200，单次加热保温时间：5min。结合图1至图4所示，图片从左至右依次为熔覆后结晶器铜板基体在热震前、热震50次、热震100次和热震200次的样品效果图。实施例1的样品在热震50次左右时，表面出现明显的蚀点，该蚀点周围存在为黑色氧化物，随着热震次数增加，在100次左右时样品表面黑色蚀点明显增加，随后蚀点周围黑色氧化物脱落，蚀点变得不明显；热震至200次时黑色蚀点又出现，同样随后黑色氧化物脱落，且样品表面无肉眼可见裂纹。实施例2样品在热震50次左右时，表面出现明显的蚀点，该蚀点周围存在为黑色氧化物，随着热震次数增加，在100次左右时样品表面黑色蚀点明显增加，随后蚀点周围黑色氧化物脱落，蚀点变得不明显；热震至200次时黑色蚀点又出现，同样随后黑色氧化物脱落，且样品表面无肉眼可见裂纹。实施例3样品在热震50次左右时，表面未出现明显的蚀点，随着热震次数增加，在100次左右时样品表面出现黑色蚀点，该蚀点周围存在为黑色氧化物；热震至200次时黑色蚀点明显增加，且样品表面无肉眼可见裂纹。实施例4样品在热震50次左右时，表面出现明显的蚀点，随着热震次数增加，在100次左右时样品表面开始出现细微裂纹；热震至200次时样品表面裂纹明显增多加深。
综合上述对实施例1至实施例4的硬度、耐磨性和热震试验的研究分析，采用本发明公开的高速激光熔覆用镍基合金粉末及其在结晶器铜板表面的熔覆方法，能在结晶器铜板表面得到熔覆层与基底界面冶金结合良好的冶金结合带，熔覆过程对结晶器铜板的热量输入低，可以控结晶器铜板的变形；激光熔覆层具有良好的可切削加工性能，且无裂纹、杂质等缺陷，极大提高了铜合金结晶器的耐磨性和耐蚀性；并且本方法可精确控制熔覆层的厚度，同时适用于新制和修复的结晶器铜板，具有能耗低、无污染、效率高、成本低的优点，具有深远的社会效益和经济效益。
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 (10)
1.一种高速激光熔覆用镍基合金粉末，其特征在于，所述高速激光熔覆用镍基合金粉末的成分及含量为：Ni：80～83wt％，Al：10～12wt％，Si：4～6wt％，WC：1～3wt％，余量为不可避免的微量杂质。
2.根据权利要求1所述的高速激光熔覆用镍基合金粉末，其特征在于，所述高速激光熔覆用镍基合金粉末的粒径为20～53μm。
3.根据权利要求1所述的高速激光熔覆用镍基合金粉末，其特征在于，所述高速激光熔覆用镍基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆。
4.根据权利要求3所述的高速激光熔覆用镍基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)结晶器铜板基体表面预处理；
2)固定预处理后的结晶器铜板基体，预处理后的表面朝向高速激光熔覆设备，高速激光熔覆设备内装有待熔覆的镍基合金粉末；
3)预处理后的结晶器铜板基体预热，预热温度为T1，200℃≤T1≤300℃；
4)高速激光熔覆设备在结晶器铜板基体预处理后的表面上进行激光熔覆，激光熔覆过程中结晶器铜板基体保温，保温温度为T2，200℃≤T2≤300℃；
5)熔覆完成后，对结晶器铜板基体保温缓冷至室温，完成激光熔覆。
5.根据权利要求4所述的高速激光熔覆用镍基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方法，其特征在于，所述步骤4)中高速激光熔覆设备在结晶器铜板基体表面和结晶器铜板基体表层同时激光熔融，形成激光熔覆层。
6.根据权利要求4所述的高速激光熔覆用镍基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方法，其特征在于，所述步骤4)中高速激光熔覆设备在激光熔覆过程中通过激光同轴送粉***对结晶器铜板基体表面熔覆部位进行连续送粉，送粉速率为1000～2000ml/h。
7.根据权利要求4所述的高速激光熔覆用镍基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方法，其特征在于，所述步骤4)中激光加工工艺参数为：激光光斑直径为1～2mm、激光功率为3000～6000W、激光扫描速度为0.5～1m2/h、搭接率为30～50％。
8.根据权利要求4所述的高速激光熔覆用镍基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方法，其特征在于，所述步骤2)中结晶器铜板基体采用专用工装固定；所述专用工设置为保温箱体结构，保温箱体结构包括端盖、底板、两端分别连接于端盖和底板的框架，以及设置在保温箱体结构内的加热器；所述框架由石棉材料制成，框架构成保温箱体结构的内侧设置有内衬，所述内衬为铸铁内衬；所述底板为合金钢底板。
9.根据权利要求8所述的高速激光熔覆用镍基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方法，其特征在于，所述结晶器铜板基体固定在合金钢底板上，合金钢底板加热时温升速度为100℃/h。
10.根据权利要求4所述的高速激光熔覆用镍基合金粉末在结晶器铜板上的熔覆方法，其特征在于，所述步骤5)中结晶器铜板基体表面的激光熔覆层厚度为1～2mm。
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