CN101294282A - 连铸结晶器铜金属表面涂层的一种新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种可以在连铸结晶器铜金属表面熔覆一层其他金属涂层的方法，基本特征是：将待熔覆金属粉末(可以是单一金属或合金)、薄片或细丝，置于连铸结晶器铜金属本体表面，利用高峰值功率的脉冲激光束照射金属表面，将待熔覆金属和铜金属本体表面同时熔化，当激光脉冲结束后待熔覆金属与铜金属本体表面形成冶金结合熔覆。重复上述的操作可以形成一个大面积的薄层熔覆层，在前一个熔覆薄层上重复操作，可以形成新的熔覆层，直至所需一定厚度的熔覆层，控制每一层的平面截面形状，所有这些截面形状的组合可以形成具有一定的立体形状的熔覆层。
Description
技术领域
本发明涉及一种可以在连铸结晶器铜金属表面熔覆一层其他金属涂层，从而获得高结合力表面改性涂层的新方法和装置。该方法采用高峰值功率的脉冲激光，特别适合在铜铝等高导热金属表面进行金属熔覆；该方法实施简单、价格便宜、适合大量应用。
背景技术
很多情况下我们要求对金属工件的表面进行改性，使金属工件表面具有与工件本体不同的特性，例如在普通钢材表面涂覆一层其他金属材料，使工件具有耐磨、耐腐蚀或耐高温的性能。在钢材表面涂覆这样的涂层技术已经相当成熟，一般有电镀、喷涂和焊接熔覆技术等方法。
但对于铜或铝这类高导热和低强度金属表面的涂层技术却相对比较困难。由于这类金属的高导热特性，以加热为基础的焊接熔覆技术很难实现，因为基体材料导热太快很难达到熔化的程度。同时由于这类金属往往强度比较低，因此喷涂技术也很难实现，因为喷涂上去的金属颗粒很难被强度低的基体把持住。这样这类金属的表面改性技术往往只能采用电镀技术，但电镀技术的缺陷也是很明显的，特别是当涂层要求有一定厚度时电镀技术的涂层很难获得高强度。这类金属表面涂层技术往往是一个科学难题。
铜铝这类金属表面有往往需要很好的涂层技术，例如冶金企业钢胚连铸生产线上使用的连铸结晶器。连铸结晶器的作用是冷却钢水，所以要求采用具有高导热性的纯铜，但由于钢水冷却成钢胚后要从结晶器表面通过，因此对结晶器表面有磨损，但纯铜的硬度很低不耐磨损，就要求在导热性能极好的纯铜表面涂覆能够耐磨的表面涂层，从而使结晶器既保持纯铜的高导热性，又能够保证在钢胚通过使不被快速磨损，表面涂层的目的就是提高纯铜的表面硬度。
目前该部件表面的涂层通过电镀的方法制备。例如典型的工作面镀镍铁合金的铬锆铜质结晶器，基体是铬锆铜板，表面镀镍铁合金。具有电镀层的结晶器比无镀层结晶器使用寿命大大提高。目前最新的技术是在电镀的基础上进一步通过喷涂技术将镍铬等合金涂镀在结晶器表面，使用寿命进一步提高。虽然通过目前的表面涂镀技术已经能够大大提高结晶器寿命，但由于目前涂镀技术结合强度不高，容易出现“掉块”剥落，影响使用寿命和钢胚质量。
本发明提出一种可以在铜铝等高导热金属表面熔覆一层其他金属涂层，从而获得高结合力表面改性涂层的新方法和装置。该方法采用高峰值功率的脉冲激光，特别适合在铜铝等高导热金属表面进行金属熔覆；该方法实施简单、价格便宜、适合大量应用。
本发明的基本原理是：将待熔覆金属粉末(可以是单一金属或合金)、薄片或细丝，置于铜或铝等金属本体表面，利用高峰值功率的脉冲激光束照射金属表面，将待熔覆金属和铜或铝等金属本体表面同时熔化，当激光脉冲结束后待熔覆金属与铜或铝等金属本体表面形成冶金结合熔覆。每一个激光脉冲能够形成的熔覆点很小也很薄，但重复上述的操作可以形成一个大面积的薄层熔覆层，在这个熔覆薄层上重复操作，可以形成所需一定厚度的熔覆层，控制每一层的平面截面形状，所有这些截面形状的组合可以形成具有一定的立体形状的熔覆层。
本发明的核心是采用脉冲激光束。采用脉冲激光器的原因是脉冲激光束照射将待熔覆金属和铜或铝等金属本体表面同时熔化后，在待熔覆金属还没有收缩之前激光脉冲就结束，没有收缩的待熔覆金属均匀地凝固于金属本体表面。如果采用连续激光，实验证明要使铜铝等高导热金属表面熔化，必须要求很高的激光功率；另外即使能够获得这么高的激光功率，当激光照射使金属表面熔化使，同时也使周围的待熔覆金属熔化，这些熔化的待熔覆金属自然地收缩于激光束中心，结果是待熔覆金属很难均匀地覆盖于铜铝等高导热金属表面，往往是形成一些分离的颗粒，无法形成熔覆层。
脉冲激光束可以是固体的YAG脉冲激光，也可以是其他具有高输出功率的脉冲激光系统，例如CO2激光器、氩离子激光器、自由电子激光器等。
当采用脉冲激光进行熔覆时，最难熔覆的是直接与基体金属材料结合的第一层。第一层熔覆上去之后的其他层实际上是待熔覆材料自身的熔覆，相对更简单一些；当熔覆层有一定厚度后，甚至可以采用连续激光进行后续的熔覆。
采用脉冲激光熔覆的结果是一种完全冶金结合的涂层，涂层包括熔覆层、过渡层和基体组成，过渡层是熔覆材料和基体材料混合的结果，激光熔覆的过渡层较之采用其他热源进行的焊接熔覆过渡层要薄很多。
采用脉冲激光熔覆的优点还包括不会出现裂纹，原因是脉冲激光熔覆时基体的温升很小，热影响很小。
图1是本发明的基本原理。
将待熔覆的合金粉末(2)置于铜或铝材(1)表面，激光束(3)聚焦后照射在金属表面，熔化后凝固形成熔覆点(4)，重复重叠熔覆的结果形成致密的大面积熔覆层。
图2表示多层熔覆的结果形成具有所需厚度的熔覆层。
本发明结构简单、工作稳定，测量效率高。
只要激光脉冲能量和脉宽合适，本发明可以适用于将任意金属熔覆于高导热金属表面。
典型的激光器可以使用固体YAG激光。典型的激光平均功率可以是几十一几百瓦，典型的激光脉冲是毫秒量级，这样典型的激光峰值功率是几千到几十千瓦。当然采用更高的激光功率有助于提高熔覆速度。
具体实施装置
本发明提供了可以在铜铝等高导热金属表面熔覆一层其他金属涂层的方法和装置。
将待熔覆金属粉末(可以是单一金属或合金)、薄片或细丝，置于铜或铝等金属本体表面，利用高峰值功率的脉冲激光束照射金属表面，将待熔覆金属和铜或铝等金属本体表面同时熔化，当激光脉冲结束后待熔覆金属与铜或铝等金属本体表面形成冶金结合熔覆。
每一个激光脉冲能够形成的熔覆点很小也很薄，将工件置于一个能够水平运动的工作台上。当完成一个熔覆点后工作台水平运动一个很小的距离，重复上述的熔覆操作就可以形成一个大面积的薄层熔覆层。熔覆层完成后，再置一层待熔覆金属在前一层熔覆层上，同时工件向下运动一个薄层的距离，在这个熔覆薄层上重复熔覆操作，可以形成第二层熔覆层，重复操作就可以最终熔覆出所需一定厚度的熔覆层。
控制每一层的平面截面形状，所有这些截面形状的组合可以形成具有一定的立体形状的熔覆层。
熔覆时也可以不是工件运动，而是激光束运动，只要工件和激光束之间实现相互运动就能够实现大面积熔覆。
Claims (8)
1.一种可以在连铸结晶器铜金属表面熔覆一层其他金属涂层的方法，基本特征是：将待熔覆金属粉末(可以是单一金属或合金)、薄片或细丝，置于连铸结晶器铜金属本体表面，利用高峰值功率的脉冲激光束照射金属表面，将待熔覆金属和铜金属本体表面同时熔化，当激光脉冲结束后待熔覆金属与铜金属本体表面形成冶金结合熔覆。重复上述的操作可以形成一个大面积的薄层熔覆层。
2.根据权利要求1所述脉冲激光连铸结晶器铜金属表面熔覆方法，其特征是：在前一个熔覆薄层上重复操作，可以形成新的熔覆层，直至所需一定厚度的熔覆层，控制每一层的平面截面形状，所有这些截面形状的组合可以形成具有一定的立体形状的熔覆层。
3.根据权利要求1所述脉冲激光连铸结晶器铜金属表面熔覆方法，其特征在于脉冲激光束可以是固体的YAG脉冲激光，也可以是其他具有高输出功率的脉冲激光系统，例如CO2激光器、氩离子激光器、自由电子激光器等。
4.根据权利要求1所述脉冲激光连铸结晶器铜金属表面熔覆方法，其特征在于当熔覆层有一定厚度后，采用连续激光进行后续的熔覆。
5.根据权利要求1所述脉冲激光连铸结晶器铜金属表面熔覆方法，其特征在于将连铸结晶器置于一个能够水平和上下运动的工作台上，实现工件和激光束之间实现相互运动通过自动控制系统自动实现大面积熔覆。
6.根据权利要求1所述脉冲激光连铸结晶器铜金属表面熔覆方法，其特征在于将连铸结晶器不动，但激光头能够水平和上下运动，实现工件和激光束之间实现相互运动通过自动控制系统自动实现大面积熔覆。
7.根据权利要求1所述脉冲激光连铸结晶器铜金属表面熔覆方法，其特征在于将连铸结晶器不同激光头可以通过手持，实现工件和激光束之间实现相互运动通过手动实现大面积熔覆。
8.根据权利要求1、2所述脉冲激光连铸结晶器铜金属表面熔覆方法，其特征在于每一层熔覆的金属可以不同，目的是使熔覆层的特性逐渐变化，形成过渡结构。
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Addressee: Chen Peifeng Document name: Written notice of preliminary examination of application for patent for invention |
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