專利名稱：一種高爐風(fēng)口套表面耐磨抗熱復(fù)合涂層的激光熔焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光快速熔焊技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及高爐風(fēng)口套表面制備及修復(fù) 耐磨抗熱涂層的方法。
背景技術(shù)：
高爐風(fēng)口套是煉鐵高爐的"咽喉"備件，是保證高爐生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一， 其壽命長(zhǎng)短直接影響到高爐能否保持順行、獲得高產(chǎn)和降低煉鐵成本。高爐風(fēng) 口套的工作環(huán)境十分惡劣，高溫下直接受到液態(tài)渣鐵的熱沖擊和掉落下的熱態(tài) 物料的磨損，以及氣流煤粉的沖刷，封口套經(jīng)常出現(xiàn)局部熔蝕而損壞。風(fēng)口套 破損除使高爐休風(fēng)率上升造成損失極大外，還給高爐操作帶來很多困難。純銅 及其合金公認(rèn)的導(dǎo)熱性使得其成為高爐還原性氣氛中穩(wěn)定的材質(zhì)，但材質(zhì)的性
能已經(jīng)不能滿足高溫強(qiáng)度和耐磨的要求；目前，國(guó)內(nèi)風(fēng)口套平均使用壽命為2000 小時(shí)左右，為此對(duì)風(fēng)口套進(jìn)行表面處理提高耐磨性和耐熱性是提高其壽用壽命 的有效措施。
雖然廣泛采用的電鍍、熱噴涂和滲鍍等表面處理方法能提高高爐風(fēng)口套的 耐磨性，但由于電鍍以及熱噴涂制備的涂層與基體是機(jī)械結(jié)合，在一定程度上 降低了其強(qiáng)化效果；滲鍍涂層在應(yīng)用中金屬與銅晶格之間的擴(kuò)散較難控制，以 及較高的成本也使得它們的應(yīng)用受到了限制。
目前激光熔覆技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用面臨的主要問題是對(duì)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(duì)激光熔覆過程特性的熔覆材料； 激光熔覆過程的檢測(cè)和實(shí)施自動(dòng)化控制。其中，裂紋問題尤為嚴(yán)重。裂紋的形 成是由于熔覆層中存在大量的多硬質(zhì)相以及硬質(zhì)相的不良分布，其高脆性難以 承受熔覆過程產(chǎn)生的較大拉應(yīng)力所致。要解決激光熔覆層出現(xiàn)的裂紋問題，一 方面要優(yōu)化粉末成分，提高粉末的強(qiáng)韌性；另一方面就是要設(shè)法降低熱應(yīng)力應(yīng) 用，從工藝上降低熔覆過程的殘余拉應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種高功率C02激光器快速熔焊在 結(jié)晶器表面制備及修復(fù)耐磨抗熱復(fù)合涂層的方法。
本發(fā)明的原理是通過選取與高爐風(fēng)口套銅基材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(shè)計(jì)并優(yōu)化工藝參數(shù)，在高功率 低階模起弧條件下進(jìn)行激光快速熔焊，以期與銅基材形成牢固的冶金結(jié)合，實(shí)
現(xiàn)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， 在高爐風(fēng)口套銅基材表面進(jìn)行送粉法激光寬帶熔覆處理，形成均勻致密的優(yōu)良 抗熱耐磨復(fù)合涂層。
采用的技術(shù)方案是-
一種高爐風(fēng)口套表面耐磨抗熱復(fù)合涂層的激光熔焊方法，其特征包括以下
工藝步驟
1. 高爐風(fēng)口套銅基材表面預(yù)處理
在室溫下采用200 300g/l的H2S04與100~120g/l的HC1的混合液對(duì)高爐風(fēng)
口套銅基材進(jìn)行除油去銹處理；
2. 等離子噴涂預(yù)沉積打底合金
噴涂前先將樣品用丙酮清洗，然后進(jìn)行噴砂處理，噴涂時(shí)采用氫氣做助燃 氣，氬氣做保護(hù)氣。先將噴槍火苗提高，對(duì)樣品進(jìn)行50-100'C預(yù)熱，然后在電 壓55V,電流500A條件下進(jìn)行等離子噴涂，預(yù)沉積鎳基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C02激光器。工作臺(tái)為SIEMENS數(shù)控機(jī)床。用有 機(jī)玻璃燒斑法選取最佳的激光模式(低階模)，獲得穩(wěn)定的等離子體弧狀態(tài)。對(duì) 噴涂后的高爐風(fēng)口銅基材進(jìn)行400-50(TC預(yù)熱，然后進(jìn)行激光熔焊，具體工藝參 數(shù)如下
聚焦鏡f二150
熔覆功率P=6000W
光斑直徑D4.8mm
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=3000W 矩形光斑20x1mm2 掃描速度V=4-10m/min
搭接率40-60% 5.后續(xù)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(duì)樣品進(jìn)行30(TC去應(yīng) 力退火6個(gè)小時(shí)。
激光熔焊工藝的突出特點(diǎn)是可制備與基體形成冶金結(jié)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、抗氧化特性等；與常規(guī)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(shí)現(xiàn)選區(qū) 甚至微區(qū)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(zhǔn)確控制， 屬于無接觸型處理，以及整個(gè)過程很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；另外，激光熔覆工藝 對(duì)環(huán)境無污染、無輻射、低噪聲，還具有生產(chǎn)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(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。因此，采用激光熔覆技 術(shù)將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
為此，本發(fā)明選用與高爐風(fēng)口套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?yàn)橐环矫?，這種鎳基自熔合金粉末具有優(yōu)良 的韌性及較好的耐磨性； 一方面，鎳和高爐風(fēng)口套銅基材的熱膨脹系數(shù)和熔點(diǎn) 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(dǎo)致產(chǎn)生的組織應(yīng)力。另外，在激光熔覆前、后對(duì)銅基材進(jìn)行一定程度的預(yù) 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。
本發(fā)明的激光器類型是C02氣體激光器，其最高功率是10006W，波長(zhǎng)10.6 微米，可實(shí)現(xiàn)窄帶低階模快速掃描以及寬帶矩形掃描進(jìn)行熔覆。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例一
選用DL-HL-T10000型CCV激光器。打開SIEMENS數(shù)控機(jī)床。用有機(jī)玻 璃燒斑法選取最佳的激光模式(低階模)，獲得穩(wěn)定的等離子體弧狀態(tài)。對(duì)噴涂 后的高爐風(fēng)口基材進(jìn)行400-50(TC預(yù)熱，然后進(jìn)行激光熔焊，具體工藝參數(shù)如下 聚焦鏡f: 150，熔焊功率P:6000W，光斑直徑D^.8mm，掃描速度V:4-10m/min， 搭接率40-60%。采取同步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(shù)為熔覆功率P:3000W，矩形光斑20xlmm2，掃 描速度V=4-10m/min，搭接率40-60%。激光寬帶熔覆鈷基合金后要慢速緩冷， 在熱處理爐中對(duì)樣品進(jìn)行30(TC去應(yīng)力退火6個(gè)小時(shí)。退火后熔覆層組織均勻致 密，其中鎳基合金與高爐風(fēng)口銅基體形成了良好的冶金結(jié)合，鈷基合金的表面 硬度可達(dá)HV500左右。
權(quán)利要求
1、一種高爐風(fēng)口套表面耐磨抗熱復(fù)合涂層的激光熔焊方法，其特征在于利用高功率激光器，通過激光快速掃描在高爐風(fēng)口套表面激光熔焊與基體成冶金結(jié)合的良好的鎳基韌性過渡層，并通過激光寬帶熔覆在鎳基過渡層表面制備耐磨及抗熱性能優(yōu)良的鈷基合金，其工藝過程如下(1)高爐風(fēng)口套表面預(yù)處理在室溫下采用200～300g/l的H2SO4與100～120g/l的HCl的混合液對(duì)高爐風(fēng)口套表面進(jìn)行除油去銹處理；(2)等離子噴涂預(yù)沉積鎳基打底合金噴涂前先將樣品用丙酮清洗，然后進(jìn)行噴砂粗化處理，噴涂時(shí)采用氫氣做助燃?xì)猓瑲鍤庾霰Ｗo(hù)氣，先將噴槍火苗提高，對(duì)樣品進(jìn)行50-100℃預(yù)熱，然后在電壓55V，電流500A條件下進(jìn)行等離子噴涂，預(yù)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焊鎳基打底合金選用DL-HL-T10000型CO2激光器，工作臺(tái)為SIEMENS數(shù)控機(jī)床，用有機(jī)玻璃燒斑法選取最佳的激光模式(低階模)，獲得穩(wěn)定的等離子體弧狀態(tài)，對(duì)噴涂后的高爐風(fēng)口基材進(jìn)行400-500℃預(yù)熱，然后進(jìn)行激光熔焊，具體工藝參數(shù)如下聚焦鏡f＝150，熔焊功率P＝6000W，光斑直徑D＝1.8mm，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同步送粉方式喂入合金粉末，采用寬帶熔覆方法在鎳基打底合金涂層表面激光熔覆鈷基合金，其參數(shù)為熔覆功率P＝3000W，矩形光斑20×1mm2，掃描速度V＝4-10m/min，搭接率40-60％；(5)后續(xù)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(duì)工件進(jìn)行300℃去應(yīng)力退火6個(gè)小時(shí)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高爐風(fēng)口套表面耐磨抗熱復(fù)合涂層的激光熔 焊方法，其特征在于與高爐風(fēng)口套材質(zhì)熱物理性能相似的鎳基打底合金組成中 含有20%銅。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高爐風(fēng)口套表面耐磨抗熱復(fù)合涂層的激光熔焊方法，其特征在于制備鎳基合金涂層時(shí)采用的是萬瓦C02氣體激光器，聚焦鏡f-150，熔覆功率P二6000W，光斑直徑D4.8mm，掃描速度V=4-10m/min。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高爐風(fēng)口套表面耐磨抗熱復(fù)合涂層的激光熔 焊方法，其特征在于制備鈷基合金涂層時(shí)采用的是寬帶快速掃描，熔覆功率 P=3000W，矩形光斑20xlmm2，掃描速度V=4-10m/min。
全文摘要
一種高爐風(fēng)口套表面耐磨抗熱復(fù)合涂層的激光熔焊方法，利用高功率激光器，通過激光快速掃描在高爐風(fēng)口套表面激光熔焊與基體成冶金結(jié)合的良好的鎳基韌性過渡層，并通過激光寬帶熔覆在鎳基過渡層表面制備耐磨及抗熱性能優(yōu)良的鈷基合金。其工藝包括(1)高爐風(fēng)口套表面預(yù)處理；(2)等離子噴涂預(yù)沉積鎳基打底合金；(3)高功率激光器快速熔焊鎳基打底合金；(4)高功率激光器寬帶熔覆鈷基合金；(5)后續(xù)熱處理。本發(fā)明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(dǎo)致產(chǎn)生的組織應(yīng)力。另外，在激光熔覆前、后對(duì)銅基材進(jìn)行一定程度的預(yù)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。
文檔編號(hào)C23C24/00GK101109026SQ20071001251
公開日2008年1月23日 申請(qǐng)日期2007年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月20日
發(fā)明者芳 劉, 劉常升, 陳歲元, 陶興啟 申請(qǐng)人:沈陽大陸激光成套設(shè)備有限公司