CN101109026A - 一种高炉风口套表面耐磨抗热复合涂层的激光熔焊方法 - Google Patents

Abstract

一种高炉风口套表面耐磨抗热复合涂层的激光熔焊方法，利用高功率激光器，通过激光快速扫描在高炉风口套表面激光熔焊与基体成冶金结合的良好的镍基韧性过渡层，并通过激光宽带熔覆在镍基过渡层表面制备耐磨及抗热性能优良的钴基合金。其工艺包括：(1)高炉风口套表面预处理；(2)等离子喷涂预沉积镍基打底合金；(3)高功率激光器快速熔焊镍基打底合金；(4)高功率激光器宽带熔覆钴基合金；(5)后续热处理。本发明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。

Description

一种高炉风口套表面耐磨抗热复合涂层的激光熔焊方法

技术领域

本发明属于激光快速熔焊技术领域，特别涉及高炉风口套表面制备及修复耐磨抗热涂层的方法。

背景技术

高炉风口套是炼铁高炉的“咽喉”备件，是保证高炉生产的关键设备之一，其寿命长短直接影响到高炉能否保持顺行、获得高产和降低炼铁成本。高炉风口套的工作环境十分恶劣，高温下直接受到液态渣铁的热冲击和掉落下的热态物料的磨损，以及气流煤粉的冲刷，封口套经常出现局部熔蚀而损坏。风口套破损除使高炉休风率上升造成损失极大外，还给高炉操作带来很多困难。纯铜及其合金公认的导热性使得其成为高炉还原性气氛中稳定的材质，但材质的性能已经不能满足高温强度和耐磨的要求；目前，国内风口套平均使用寿命为2000小时左右，为此对风口套进行表面处理提高耐磨性和耐热性是提高其寿用寿命的有效措施。

虽然广泛采用的电镀、热喷涂和渗镀等表面处理方法能提高高炉风口套的耐磨性，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。

目前激光熔覆技术进一步应用面临的主要问题是：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激光器快速熔焊在结晶器表面制备及修复耐磨抗热复合涂层的方法。

本发明的原理是通过选取与高炉风口套铜基材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焊，以期与铜基材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，在高炉风口套铜基材表面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。

采用的技术方案是：

一种高炉风口套表面耐磨抗热复合涂层的激光熔焊方法，其特征包括以下工艺步骤：

1.高炉风口套铜基材表面预处理

在室温下采用200～300g/l的H₂SO₄与100～120g/l的HCl的混合液对高炉风口套铜基材进行除油去锈处理；

2.等离子喷涂预沉积打底合金

喷涂前先将样品用丙酮清洗，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，然后在电压55V，电流500A条件下进行等离子喷涂，预沉积镍基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。工作台为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。对喷涂后的高炉风口铜基材进行400-500℃预热，然后进行激光熔焊，具体工艺参数如下：

聚焦镜f＝150

熔覆功率P＝6000W

光斑直径D＝1.8mm

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＝3000W

矩形光斑20×1mm²

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300℃去应力退火6个小时。

激光熔焊工艺的突出特点是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、抗氧化特性等；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。

为此，本发明选用与高炉风口套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，镍和高炉风口套铜基材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。

本发明的激光器类型是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。

具体实施方式

实施例一

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。对喷涂后的高炉风口基材进行400-500℃预热，然后进行激光熔焊，具体工艺参数如下：聚焦镜f＝150，熔焊功率P＝6000W，光斑直径D＝1.8mm，扫描速度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20×1mm²，扫描速度V＝4-10m/min，搭接率40-60％。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6个小时。退火后熔覆层组织均匀致密，其中镍基合金与高炉风口铜基体形成了良好的冶金结合，钴基合金的表面硬度可达HV500左右。

Claims (4)

1.一种高炉风口套表面耐磨抗热复合涂层的激光熔焊方法，其特征在于利用高功率激光器，通过激光快速扫描在高炉风口套表面激光熔焊与基体成冶金结合的良好的镍基韧性过渡层，并通过激光宽带熔覆在镍基过渡层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：

(1)高炉风口套表面预处理

在室温下采用200～300g/l的H₂SO₄与100～120g/l的HCl的混合液对高炉风口套表面进行除油去锈处理；

(2)等离子喷涂预沉积镍基打底合金

喷涂前先将样品用丙酮清洗，然后进行喷砂粗化处理，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，然后在电压55V，电流500A条件下进行等离子喷涂，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焊镍基打底合金

选用DL-HL-T10000型CO₂激光器，工作台为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，对喷涂后的高炉风口基材进行400-500℃预热，然后进行激光熔焊，具体工艺参数如下：聚焦镜f＝150，熔焊功率P＝6000W，光斑直径D＝1.8mm，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

采取同步送粉方式喂入合金粉末，采用宽带熔覆方法在镍基打底合金涂层表面激光熔覆钴基合金，其参数为：熔覆功率P＝3000W，矩形光斑20×1mm²，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，在热处理炉中对工件进行300℃去应力退火6个小时。

2.根据权利要求1所述的一种高炉风口套表面耐磨抗热复合涂层的激光熔焊方法，其特征在于与高炉风口套材质热物理性能相似的镍基打底合金组成中含有20％铜。

3.根据权利要求1所述的一种高炉风口套表面耐磨抗热复合涂层的激光熔焊方法，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＝4-10m/min。

4.根据权利要求1所述的一种高炉风口套表面耐磨抗热复合涂层的激光熔焊方法，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20×1mm²，扫描速度V＝4-10m/min。