CN115261678B - 一种用于高温加热炉的激光熔覆材料及工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明专利属于激光熔覆技术领域，具体涉及一种用于高温加热炉的激光熔覆材料及工艺方法。本发明提供一种用于高温加热炉垫块的激光熔覆材料，以钴基合金粉末Ⅰ做为打底层，在打底层的表面熔覆钴基合金粉末Ⅱ，其中，钴基合金Ⅰ粉末包括Cr、Fe、C、Si、Mn、Co；钴基合金粉末Ⅱ包括C、Al、Cr、B、Ti、Mo、Si、Y、Hf、Pb、Co；本发明同时提供一种用于高温加热炉的激光熔覆材料的制作工艺，本发明结构基体采用高强度铁基/镍基，实现节约钴材料的激光复合制加热炉部件，具有优异的高温抗结瘤性能有效解决高温加热炉炉内部件结瘤问题。
Description
技术领域
本发明专利属于激光熔覆技术领域，具体涉及一种用于高温加热炉的激光熔覆材料及工艺方法。
背景技术
钢铁材料是我国国民经济和国防军工发展的重要基础原料和战略物资，广泛应用于机械、电子、建材、交通、航天、航空、国防军工等各个行业，在国民经济发展中具有举足轻重的地位。我国一直是钢铁生产大国，而轧钢生产线中工况最恶劣的部件便是加热炉内的部件，这样的部件有加热炉垫块（滑块）、隧道加热炉炉辊等。加热炉工况恶劣主要体现为两方面，一是炉内温度达到1250℃~1100℃，并有过量的氧气导致有强烈的氧化和高温性能衰减；同时要与入炉的红热钢坯接触，钢坯有冷坯或连铸坯均会在炉内被加热升温至1100℃以上，导致钢坯的表面形成连续不断的氧化膜，氧化膜在垫块和辊面形成严重的结瘤。目前，世界范围内均存在加热炉内氧化皮结瘤问题，尤其像CSP、FTSR等一些连铸连轧线，加热炉部件的严重结瘤划伤钢板的下表面，降低成品质量成了困扰轧制产品质量控制的重大难题。
为解决加热炉部件结瘤问题，传统的工艺方式有加强水冷，提高材料的高温性能及下线补修的方法。但是，加强水冷会导致钢板出现黑印，只能部分缓解结瘤问题无法根本解决问题；整体提高高温强度增加Co含量是这些年的发展趋势，材料由2520高温合金向Co20、Co40、Co50发展，这样大幅度的提高了成本，增加钴材料的消耗，但并未从根本解决结瘤的问题，仍然需要在线的清灰和定时的跟换部件，再结合堆焊修复的方法也只是维持使用，亟待提出从根本解决加热炉部件结瘤的材料和工艺方式。
发明内容
本发明提供一种适用于高温加热炉的抗结瘤材料和工艺方法，采用激光熔覆技术复合制造高强度基体和高温抗结瘤涂层，复合制备加热炉部件。本发明制备表面具有高温抗氧化、抗压入的耐磨层可在高温下保持工作表面的氧化膜致密光滑，解决目前部件表面结瘤严重的问题，结构基体采用高强度铁基/镍基，实现节约钴材料的激光复合制加热炉部件。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案。
本发明提供一种用于高温加热炉垫块的激光熔覆材料，以钴基合金粉末Ⅰ做为打底层，在打底层的表面熔覆钴基合金粉末Ⅱ，其中，钴基合金Ⅰ粉末包括Cr、Fe、C、Si、Mn、Co，其化学成分按重量百分比计为Cr：15%-30%，Fe：0-30%，C：0.1%-0.25%，Si：0.8%-1.5%，Mn：0.25%-1%，余量为Co；钴基合金粉末Ⅱ包括C、Al、Cr、B、Ti、Mo、Si、Y、Hf、Pb、Co，其化学成分按重量百分比计为C：0.02%-0.1%，Al：8%-15%，Cr：27%-35%，B：1%-2%，Ti：2%-4%，Mo：1%-5%，Si：0.5%-1.5%，Y：0.3%-1%，Hf：0.5%-1.1%，Pb：0.3%-0.5%,余量为Co。
本发明提供一种用于高温加热炉的激光熔覆材料的制作工艺，包括如下步骤：
（1）、对加热炉垫块表面进行车削加工，加工后表面采用丙酮进行清洗去除油污；
（2）、加热炉垫块进行预热，升温至50℃~80℃；
（3）、对加热炉垫块涂一层钴基合金粉末Ⅰ作为打底层，所述钴基合金粉末Ⅰ包括Cr、Fe、C、Si、Mn、Co，其化学成分按重量百分比计为Cr：15%-30%，Fe：0-30%，C：0.1%-0.25%，Si：0.8%-1.5%，Mn：0.25%-1%，余量为Co；
（4）、选用高功率CO2激光器，调整激光工艺参数，以数控机床为工作台，用有机玻璃烧斑法选取最佳的激光模式，获得稳定的等离子体弧状态，在良好的保护氛围中对加热炉垫块进行熔覆打底钴基合金Ⅰ；
（5）、打底层熔覆后进行表面异物的清除；
（6）、再对加热炉垫块涂一层镍基合金粉末Ⅱ作为耐高温涂层，镍基合金粉末Ⅱ包括C、Al、Cr、B、Ti、Mo、Si、Y、Hf、Pb、Co，其化学成分按重量百分比计为C：0.02%-0.1%，Al：8%-15%，Cr：27%-35%，B：1%-2%，Ti：2%-4%，Mo：1%-5%，Si：0.5%-1.5%，Y：0.3%-1%，Hf：0.5%-1.1%，Pb：0.3%-0.5%，余量为Co；
（7）、选用高功率CO2激光器，调整激光工艺参数，以数控机床为工作台，用有机玻璃烧斑法选取最佳的激光模式，获得稳定的等离子体弧状态，在良好的保护氛围中对加热炉垫块进行熔覆打底钴基合金Ⅰ；
（8）、对制备完成后的复合涂层进行性能检测。
进一步的，步骤4中所述的激光工艺参数为功率：2800-4500W，波长：996-1046μm，光斑直径：2.8-4mm，扫描速度：1000-2500mm/min，搭接率：45-65%，送粉速度：18-42g/min，过渡层的厚度为0.8mm-1.5mm。
进一步的，步骤6中激光工艺参数为功率：2500-4000W，光斑直径：2.8-4mm，扫描速度：600-1500mm/min，搭接率：45-65%，送粉速度：12-35g/min，厚度可设计在0.5-1.5mm。
本发明相对于现有技术来说所带来的有益技术效果为。
此材料具有优异的高温抗结瘤性能有效解决高温加热炉炉内部件结瘤问题。
在加热炉部件激光熔覆过渡层的作用主要有以下方面；一是防止激光熔覆在铁基等较低钴含量和铬含量的基体上熔覆时稀释率的影响；二是基体材料和抗结瘤材料间性能的梯度过渡，防止出现高温膨胀系数差异过大导致应力问题。
本发明设计钴基合金作为材料基体相，具有足够的高温强度和高温抗蠕变性能满足在高温长时间工作的强度需要，再结合铝含量和铬含量的超高配比，可以在高温状态下形成致密的铝膜，且可以在高温下保持铝含量的供给，不会出现老化后氧化膜疏松的现象。
本发明设计Y和Hf、Pb的加入,不仅保证氧化膜和基体在高温下结合强度,同时让铝的氧化物可以在更高的温度下保持稳定不脱落。
本发明设计在钴基合计基础上同时采用了钼的固溶和硼化钛的颗粒强化，保证硼化物的原位生成和尽量少的烧损，为进一步满足高温下钢坯的压力对强度提出的需求。
附图说明
图1硼钛材料预制示意图。
图2过渡层材料位置示意图。
图3 高温加热炉垫块抗结瘤材料的组织形貌。
图4硬度分布曲线图。
具体实施办法
实施案例1。
发明采用该材料成分分层预制的方法进行表面涂层的制备，预制方法如图1简图所示。在制造的过程中，可适用于多种基体材料进行熔覆。为保证其更好的发挥其抗结瘤性能，需要在基体和激光熔覆抗结瘤材料间添加过渡层。过渡层的位置如图2简图所示。
在2520材质的加热炉垫块上进行激光熔覆复合制造抗结瘤涂层，2520的材质成分如表1表所示。
表1：2520垫块的成分分析表。
对垫块表面进行车削加工，加工后表面采用丙酮进行清洗去除油污后准备激光熔覆，制造室温低于25℃，采用火焰加热的方式进行预热，温度在50℃~80℃进行过渡层的熔覆。过渡层材料元素质量百分比为为Cr：25%，C：0.1%，Si：0.9%，Mn：0. 5%，Fe：5%，Co：余量，含少量不可避免的杂质元素。过渡层采用的激光工艺参数是：功率：2800W，波长：996μm，光斑直径：2.8mm，扫描速度：1000mm/min，搭接率：50%，送粉速度：19.3g/min -20g/min，过渡层的厚度为1mm，过渡层熔覆后采用手工抛磨的方式进行表面异物的清除。过渡层上进行抗结瘤材料的熔覆，表面高温抗结瘤的材料为元素质量百分比C：0.03%，Al： 12%，Cr： 33%，B：1.2%，Ti：3.6%，Mo：2.3%，Si：0.65%，Y：0.5%，Hf：0.5%，Pb0.35%余量为Co，抗结瘤材料采用的激光工艺参数是：功率：2600W，光斑直径：3.0mm，扫描速度：850mm/min，搭接率：50%，送粉速度：17g/min，熔覆后厚度0.85mm。表面抗结瘤材料的组织形态如图3所示组织为奥氏体组织为基体，有颗粒的弥散相。硬度分布曲线如图4所示，图中最下方曲线是2520垫块、中间曲线为过渡层、最上方曲线为抗结瘤层。
Claims (4)
1.一种用于高温加热炉垫块的激光熔覆材料，其特征在于，以钴基合金粉末Ⅰ做为打底层，在打底层的表面熔覆钴基合金粉末Ⅱ，其中，钴基合金Ⅰ粉末包括Cr、Fe、C、Si、Mn、Co，其化学成分按重量百分比计为Cr：15%-30%，Fe：0-30%，C：0.1%-0.25%，Si：0.8%-1.5%，Mn：0.25%-1%，余量为Co；钴基合金粉末Ⅱ包括C、Al、Cr、B、Ti、Mo、Si、Y、Hf、Pb、Co，其化学成分按重量百分比计为C：0.02%-0.1%，Al：8%-15%，Cr：27%-35%，B：1%-2%，Ti：2%-4%，Mo：1%-5%，Si：0.5%-1.5%，Y：0.3%-1%，Hf：0.5%-1.1%，Pb：0.3%-0.5%,余量为Co。
2.一种用于高温加热炉的激光熔覆材料的制作工艺，其特征在于，包括如下步骤：
（1）、对加热炉垫块表面进行车削加工，加工后表面采用丙酮进行清洗去除油污；
（2）、加热炉垫块进行预热，升温至50℃~80℃；
（3）、对加热炉垫块涂一层钴基合金粉末Ⅰ作为打底层，所述钴基合金粉末Ⅰ包括Cr、Fe、C、Si、Mn、Co，其化学成分按重量百分比计为Cr：15%-30%，Fe：0-30%，C：0.1%-0.25%，Si：0.8%-1.5%，Mn：0.25%-1%，余量为Co；
（4）、选用高功率CO2激光器，调整激光工艺参数，以数控机床为工作台，用有机玻璃烧斑法选取最佳的激光模式，获得稳定的等离子体弧状态，在良好的保护氛围中对加热炉垫块进行熔覆打底钴基合金Ⅰ；
（5）、打底层熔覆后进行表面异物的清除；
（6）、再对加热炉垫块涂一层镍基合金粉末Ⅱ作为耐高温涂层，镍基合金粉末Ⅱ包括C、Al、Cr、B、Ti、Mo、Si、Y、Hf、Pb、Co，其化学成分按重量百分比计为C：0.02%-0.1%，Al：8%-15%，Cr：27%-35%，B：1%-2%，Ti：2%-4%，Mo：1%-5%，Si：0.5%-1.5%，Y：0.3%-1%，Hf：0.5%-1.1%，Pb：0.3%-0.5%，余量为Co；
（7）、选用高功率CO2激光器，调整激光工艺参数，以数控机床为工作台，用有机玻璃烧斑法选取最佳的激光模式，获得稳定的等离子体弧状态，在良好的保护氛围中对加热炉垫块进行熔覆打底钴基合金Ⅰ；
（8）、对制备完成后的复合涂层进行性能检测。
3.根据权利要求2所述的一种用于高温加热炉的激光熔覆材料的制作工艺，其特征在于，步骤4中所述的激光工艺参数为功率：2800-4500W，波长：996-1046μm，光斑直径：2.8-4mm，扫描速度：1000-2500mm/min，搭接率：45-65%，送粉速度：18-42g/min，过渡层的厚度为0.8mm-1.5mm。
4.根据权利要求2所述的一种用于高温加热炉的激光熔覆材料的制作工艺，其特征在于，步骤6中激光工艺参数为功率：2500-4000W，光斑直径：2.8-4mm，扫描速度：600-1500mm/min，搭接率：45-65%，送粉速度：12-35g/min，厚度设计在0.5-1.5mm。
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