專利名稱：激光熔覆原位合成硼化物陶瓷涂層及其制備方法
技術領域：
本發明涉及激光熔覆技術，具體涉及ー種激光熔覆原位合成硼化物陶瓷涂層及其制備方法。
背景技術：
在煉鋼生產中，連鑄具有高效、節能的特點，到2004年我國的連鑄比已達到了96%。連鑄結晶器是連鑄機的心臟，其技術性能將直接影響到鑄坯的表面質量、連鑄機拉速、連鑄作業率等指標。高效連鑄技術的發展對連鑄結晶器質量提出了更高的要求，是否具有高導熱性和高抗變形能力、高強度和高表面精度、高硬度和高耐磨性、高耐腐蝕性和低噸鋼 成本以及足夠長的工作壽命成為衡量連鑄結晶器質量好壞的重要指標。連鑄結晶器的表面是影響其性能的關鍵，在高溫鋼水與冷卻水的共同作用下，連鑄結晶器銅板承受著高溫氧化、冷熱疲勞而產生的熱裂紋，溫度梯度過大而產生的變形，冷卻水與保護渣引起的化學腐蝕以及高溫蒸汽引起的氣蝕、引錠、拉坯，振動產生的摩擦、磨損和調錐度，在線調寬帶來的劃傷等。因此，改善連鑄結晶器表面性能對提高其壽命、降低產品成本具有重要的意義。目前國內外應用最多的是在連鑄結晶器表面電鍍或熱噴涂制備Cr、Ni、Ni-Co,Ni-Cr, Ni-Fe等涂(鍍)層，以提高連鑄結晶器銅合金的耐磨性和耐蝕性。由于這兩種方法制備的涂層與基體是機械結合，而不是冶金結合，在連鑄結晶器使用過程中常會由于熱疲勞，涂層易于發生剝落起皮，引起連鑄結晶器的報廢和連鑄停產；涂層存在著疏松、氣孔、夾雜等缺陷，顯著影響涂層性能和使用壽命。而且，由于電鍍エ藝復雜，產生大量的化學廢液，是典型的高能耗、高污染エ藝，因此電鍍エ業當前屬于國家嚴格控制發展的產業；熱噴涂技術工作過程中會引入大量的熱，使涂層材料極易氧化，造成組織改變，并會在連鑄結晶器本體產生很大的熱應カ和熱變形。近年來，出現了大功率CO2激光器在結晶器銅板表面進行激光熔覆エ藝的研究，激光熔覆是一種新的表面改性技術，通過在基體工作表面添加熔覆材料并利用高功率密度的激光束使之與基體工作表面薄層一起熔凝的方法，在基體工作表面形成與其為冶金結合且無氣孔、裂紋等缺陷的高性能表面涂層。該技術可以將高熔點的合金材料或陶瓷材料熔覆在低熔點的基體工作表面，以較低的成本在基體上制備出高性能的表面涂層，與電鍍、熱噴涂等涂層相比，具有結合強度高、熔層組織細密均勻的特點，而且激光熔覆的快速熔凝過程還可以獲得微米或納米晶結構涂層，除此之外激光熔覆エ件前處理工藝簡單，且熔覆不需要在真空環境下進行，エ件尺寸基本不受限制，是ー種比較理想的表面改性技木。此外，與常規滲硼相比，激光熔覆原位反應形成的硼化物陶瓷涂層エ藝具有能量密度高、加熱時間短、エ件變形小等優點，尤其是適于進行局部滲硼處理，這是常規滲硼エ藝所無法比擬的。激光熔覆反應形成硼化物陶瓷涂層在エ藝上具有操作方便，易于實現自動化、無公害、可節省能源等優點；在性能方面硼化物涂層具有高硬度、高耐磨性和高抗腐蝕能力。此外，激光熔覆原位反應形成硼化物陶瓷涂層是ー種功能梯度涂層，解決了常規激光熔覆制備耐磨耐蝕涂層エ藝所存在的由于涂層材料與金屬基體之間的熱膨脹系數等物理性能差別很大，使涂層與金屬基體之間的匹配性不好，沉積層易產生裂紋等缺陷，嚴重影響沉積層質量的技術難題。鑒于以上背景知識，電火花沉積原位反應形成硼化物陶瓷涂層エ藝在材料表面強化工程中具有廣泛的應用前景。然而，目前的涂層僅由一些常規的激光熔覆粉末組成，在結晶器表面大面積熔覆時仍然存在裂紋、氣孔等缺陷，或存在合金涂層與基體熔覆性能差、熔覆エ藝不穩定等問題；應用時有涂層耐磨性差、易剝落等具體性能表現。因此，找到合適的激光熔覆粉末與エ藝，提高連鑄結晶器的表面強化問題，具有重要的意義。

發明內容
本發明要解決的技術問題是針對現有電鍍、熱噴涂等連鑄結晶器銅材表面強化エ藝存在的缺點，提出一種激光熔覆原位合成硼化物陶瓷涂層及其制備エ藝，來解決連鑄結晶器銅材表面強化問題。
為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是一種激光熔覆原位合成的硼化物陶瓷涂層的制備方法，該方法是按照以下步驟進行的(I)基體預處理對加工好的連鑄結晶器銅材基體工作表面進行除油、除銹預處理，得到光亮平整的表面；(2)激光熔覆采用預置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，將供硼劑、催滲劑和填料粉末采用球磨機進行充分混合并干燥后做為熔覆材料，在氬氣保護下，調節激光熔覆エ藝參數，使熔覆材料與連鑄結晶器銅材基體表面原位反應形成硼化物陶瓷涂層。作為對本發明的限定，本發明所述的供硼劑為BC4、催滲劑為KBF、填料為SiC，三者的質量百分含量分別為供硼劑1(Γ30%，催滲劑1(Γ20%，余量填料，三者的粒度均為300目。這樣配制的熔覆材料與銅材表面的浸潤性好，激光熔覆后易于清除，且原位形成硼化物陶瓷涂層均勻、致密、無裂紋，涂層與基體呈冶金結合。此外，為了獲得具有特定宏觀力學、微觀組織結構的均勻致密的涂層，必須根據粉末種類、數量和粒度的不同，選擇合適的激光熔覆エ藝參數。激光熔覆エ藝參數主要包括激光功率、光斑直徑、激光掃描速度、熔覆材料的添加方式等。功率密度的増加、掃描速度減小、熔覆層平整度増加、開裂傾向減少，但功率過大，掃描速度太慢，會造成熔覆層合金燒損，稀釋率增加，熱影響區増大，激光熔覆層寬度主要由光斑尺寸決定，熔覆材料化學成分對熔覆層質量影響最大、最復雜，一般情況下，碳、硼含量高，熔覆層硬度高、開裂傾向大；鎳、鈷含量高，開裂傾向小；硅、硼含量高，熔覆層平整度高。因此，只有各エ藝參數之間實現良好的搭配，才能獲得符合實際性能要求的涂層。鑒于此，本發明所述的激光熔覆エ藝參數為激光功率100(T2500W、光斑直徑Φ 2 4mm、光斑移動速度5 20mm/s，激光熔覆過程采用側吹12 18L/min氬氣對熔覆區域進行保護。為使耐磨耐蝕涂層具有理想的耐腐蝕性能、耐磨損性能和耐熱疲勞性能，且與基體結合強度最佳，作為優選，所述的激光熔覆原位合成的硼化物陶瓷涂層的厚度為
O.rimm ;該涂層中硼化物陶瓷相組成除Cu-B硼化物外，根據所采用的連鑄結晶器銅材基體合金成分的不同還可以包括Zr-B、Fe-B> Cr-B等硼化物。采用上述技術方案后，本發明取得的有益效果是本發明所述的硼化物陶瓷耐磨耐蝕涂層具有優異的耐腐蝕性能、耐熱疲勞性能和耐磨性能，且與連鑄結晶器銅材工作表面呈冶金結合；能有效提高連鑄結晶器的使用壽命。本發明的激光熔覆原位反應形成耐磨耐蝕涂層的制備エ藝，具有生產設備及エ藝簡單、操作方便、易于實現自動化、無公害、可節省能源等優點，且熔覆不需要在真空環境下進行，エ件尺寸基本不受限制，因此可以用于加エ復雜表面或者大尺寸連鑄結晶器。制備的涂層組織致密、無氣孔和裂紋且與基體呈冶金結合，涂層顯微硬度值在HV700左右，可提高連鑄結晶器壽命廣2倍以上，實現了對現有高能耗、高污染、高成本的復合電鍍、熱噴涂等連鑄結晶器表面強化工藝的取代，具有顯著的經濟和社會效益。
具體實施例方式本發明將就以下實施例作進ー步說明，但應了解的是，這些實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施的限制。實施例I :厚度為O. Imm的硼化物陶瓷涂層的制備( I)基體預處理對加工好的連鑄結晶器銅材基體工作表面進行除油、除銹預處理，得到光亮平整的表面；(2)激光熔覆采用預置粉末激光熔覆的方式，以供硼劑、催滲劑、填料粉末為熔覆材料，其中按質量百分含量供硼劑10%BC4、催滲劑10%KBF和余量填料粉末SiC，粒度為300目。采用球磨機進行充分混合并干燥后，在氬氣保護下，調節激光熔覆エ藝參數，激光功率1500W、光斑直徑Φ4πιπι、光斑移動速度lOmm/s ;激光熔覆過程采用側吹12 18L/min氬氣對熔覆區域進行保護，使熔覆材料與連鑄結晶器銅材基體表面原位反應形成所述的硼化物陶瓷涂層。實施例2厚度為O. 5mm的硼化物陶瓷涂層的制備( I)基體預處理對加工好的連鑄結晶器銅材基體工作表面進行除油、除銹預處理，得到光亮平整的表面；(2)激光熔覆采用同步送粉激光熔覆的方式，以供硼劑、催滲劑、填料粉末為熔覆材料，其中按質量百分含量供硼劑10%BC4、催滲劑10%KBF和余量填料粉末SiC，粒度為300目。采用球磨機進行充分混合并干燥后，在氬氣保護下，調節激光熔覆エ藝參數，激光功率2000W、光斑直徑Φ4πιπι、光斑移動速度20mm/s ;激光熔覆過程采用側吹12 18L/min氬氣對熔覆區域進行保護，使熔覆材料與連鑄結晶器銅材基體表面原位反應形成所述的硼化物陶瓷涂層。實施例3厚度為Imm的硼化物陶瓷涂層的制備
( I)基體預處理對加工好的連鑄結晶器銅材基體工作表面進行除油、除銹預處理，得到光亮平整的表面；(2)激光熔覆
采用預置粉末激光熔覆的方式，以供硼劑、催滲劑、填料粉末為熔覆材料，其中按質量百分含量供硼劑10%BC4、催滲劑10%KBF和余量填料粉末SiC，粒度為300目。采用球磨機進行充分混合并干燥后，在氬氣保護下，調節激光熔覆エ藝參數，激光功率2500W、光斑直徑Φ2πιπι、光斑移動速度15mm/s ;激光熔覆過程采用側吹12 18L/min氬氣對熔覆區域進行保護，使熔覆材料與連鑄結晶器銅材基體表面原位反應形成所述的硼化物陶瓷涂層。實施例4厚度為Imm的硼化物陶瓷涂層的制備( I)基體預處理對加工好的連鑄結晶器銅材基體工作表面進行除油、除銹預處理，得到光亮平整的表面；
(2)激光熔覆采用同步送粉激光熔覆的方式，以供硼劑、催滲劑、填料粉末為熔覆材料，其中按質量百分含量供硼劑30%BC4、催滲劑20%KBF和余量填料粉末SiC，粒度為300目。采用球磨機進行充分混合并干燥后，在氬氣保護下，調節激光熔覆エ藝參數，激光功率2500W、光斑直徑Φ4πιπι、光斑移動速度15mm/s ;激光熔覆過程采用側吹12 18L/min氬氣對熔覆區域進行保護，使熔覆材料與連鑄結晶器銅材基體表面原位反應形成所述的硼化物陶瓷涂層。實施例5厚度為Imm的硼化物陶瓷涂層的制備( I)基體預處理對加工好的連鑄結晶器銅材基體工作表面進行除油、除銹預處理，得到光亮平整的表面；(2)激光熔覆采用預置粉末激光熔覆的方式，以供硼劑、催滲劑、填料粉末為熔覆材料，其中按質量百分含量供硼劑30%BC4、催滲劑20%KBF和余量填料粉末SiC，粒度為300目。采用球磨機進行充分混合并干燥后，在氬氣保護下，調節激光熔覆エ藝參數，激光功率1000W、光斑直徑Φ4πιπι、光斑移動速度5mm/s ;激光熔覆過程采用側吹12 18L/min氬氣對熔覆區域進行保護，使熔覆材料與連鑄結晶器銅材基體表面原位反應形成所述的硼化物陶瓷涂層。以上述依據本發明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項發明技術思想的范圍內，進行多祥的變更以及修改。本項發明的技術性范圍并不局限于說明書上的內容，必須要根據權利要求范圍來確定其技術性范圍。
權利要求
1.一種激光熔覆原位合成硼化物陶瓷涂層的制備方法，其特征在于該方法是按照以下步驟進行的 (1)基體預處理 對加工好的連鑄結晶器銅材基體工作表面進行除油、除銹預處理，得到光亮平整的表面； (2)激光熔覆 采用預置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，將供硼劑、催滲劑和填料粉末采用球磨機進行充分混合并干燥后做為熔覆材料，在氬氣保護下，調節激光熔覆工藝參數，使熔覆材料與連鑄結晶器銅材基體表面原位反應形成硼化物陶瓷涂層。
2.如權利要求I所述的一種激光熔覆原位合成硼化物陶瓷涂層的制備方法，其特征在于所述的供硼劑為BC4、催滲劑為KBF、填料為SiC，三者的質量百分含量分別為供硼劑10 30%，催滲劑10 20%，余量填料，三者的粒度均為300目。
3.如權利要求I所述的一種激光熔覆原位合成硼化物陶瓷涂層的制備方法，其特征在于所述的激光熔覆工藝參數為激光功率100(T2500W、光斑直徑Φ2 4πιπι、光斑移動速度5 20mm/s、激光熔覆過程采用側吹12 18L/min氬氣對熔覆區域進行保護。
4.一種根據權利要求Γ4任一項所述的制備方法得到的激光熔覆原位合成硼化物陶瓷涂層，其特征是該涂層的厚度為O. f 1mm。
5.如權利要求4所述的一種激光熔覆原位合成硼化物陶瓷涂層，其特征在于該涂層中硼化物陶瓷相組成除Cu-B硼化物外，還可以包括Zr-B、Fe-B, Cr-B硼化物。
全文摘要
本發明涉及一種連鑄結晶器表面激光熔覆原位合成的硼化物陶瓷涂層及其制備方法，該涂層是按照以下步驟制備的，首先對基體進行預處理，然后采用預置粉末或同步送粉激光熔覆的方式，將供硼劑、催滲劑和填料粉末采用球磨機進行充分混合并干燥后做為熔覆材料，在氬氣保護下，調節激光熔覆工藝參數，使熔覆材料與連鑄結晶器基體表面原位反應形成所述的硼化物陶瓷涂層，該涂層組織致密、無氣孔和裂紋且與基體呈冶金結合，涂層顯微硬度值在HV700左右，可提高連鑄結晶器壽命1~2倍以上，實現了對現有高能耗、高污染、高成本的復合電鍍、熱噴涂等連鑄結晶器表面強化工藝的取代，具有顯著的經濟和社會效益。
文檔編號C23C24/10GK102864453SQ20121033764
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月12日 優先權日2012年9月12日
發明者潘太軍, 馮宗建, 李 杰, 汪濤, 張保 申請人:常州大學