專(zhuān)利名稱(chēng)：在低耐熱基底上的激光鍍覆的制作方法
在低耐熱基底上的激光鍍覆 發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及把高熔點(diǎn)金屬、合金和/或金屬?gòu)?fù)合材料激光鍍覆到低耐 熱基底如銅或類(lèi)似材料上的方法。本發(fā)明尤其涉及激光鍍覆高溫-腐蝕應(yīng) 用中所用的部件，如與冶金容器的噴槍、噴嘴和風(fēng)嘴等相關(guān)的那些，以 延長(zhǎng)它們?cè)谌绱藧毫訔l件下的使用壽命。發(fā)明背景常安裝在促動(dòng)管上的風(fēng)嘴把空氣、氣氣和燃料注射進(jìn)高爐和熔爐，如Pierce-Smith轉(zhuǎn)爐。與風(fēng)嘴類(lèi)似，氣體噴射器噴嘴把氧和燃料注射進(jìn) 電弧爐的熔融鋼浴。此外，噴槍噴嘴把氧氣和燃料注射進(jìn)煉鋼的氧氣頂 吹轉(zhuǎn)爐。這些噴槍、噴嘴和風(fēng)嘴通常要水冷并由耐熔渣或金屬侵蝕性很 低的高導(dǎo)熱銅或銅基合金制成。除這些外，冶金容器的噴槍和噴嘴一般 都經(jīng)受熱顆粒腐蝕和熔渣或金屬侵蝕。另 一個(gè)問(wèn)題是存在腐蝕性氣體。這些腐蝕性氣體包括酸性和非酸性 反應(yīng)性金屬蒸氣。腐蝕性氣體如氯和二氣化硫常源自燃料或者原料或熔 體中金屬硫化物的氧化。類(lèi)似于酸性氣體，反應(yīng)性蒸氣，如鎘、鉛、鋅 等一般都源自它們夾帶在喂入高爐或電弧爐的廢鋼料中。這些氣體強(qiáng)烈 地侵蝕金屬注射設(shè)備。例如，二氧化疏易與銅反應(yīng)而形成硫化物，如硫 化銅(CuS)。與帶涂層風(fēng)嘴和噴嘴頭相關(guān)的再一個(gè)問(wèn)題是，在極端循環(huán)加熱與冷 卻下使用一段時(shí)間后發(fā)生開(kāi)裂。該開(kāi)裂可朝內(nèi)壁擴(kuò)展，造成最后的漏水。為克服這些問(wèn)題，工業(yè)界已嘗試了在部件上的各種鍍覆層或涂層。 為鍍覆部件，工業(yè)上常在軟合金基底上或使用固體陶瓷、硬合金或硬表 面涂層。該表面涂層可用焊接、噴-熔工藝或轉(zhuǎn)移等離子弧(PTA)制成。 表面蓋覆材料或是各種Co合金(例如，硬合金)或噴-熔Co-Cr-B-Si、 N卜B-Si或Ni-Cr-B-Si合金，加或不加碳化物。遺憾的是，所有這些材料 在短時(shí)期內(nèi)就受?chē)?yán)重磨損，常需要頻繁至每周更換。噴-熔工藝用Ni或Co基合金，加或不加碳化物顆粒。兩種合金都 含硼(B)和硅(Si)為融合劑，以便在它們?nèi)刍瘯r(shí)在基底上提供潤(rùn)濕作用；但很少或不發(fā)生基底的熔化。表面涂層在使用中因受融熔金屬的侵蝕而 常常開(kāi)裂和分離。鈷合金表面涂層，不論應(yīng)用方式如何，耐浮渣(浮淹是 懸浮在熔融鋅或鋅合金中的特別硬的微觀尺寸金屬間化合物)的磨損性 或耐鋅的侵蝕性都不強(qiáng)。最廣泛使用的噴-熔涂層類(lèi)型是鎳基合金涂層。該涂層一般較厚，厚達(dá)0.125英寸。用0.010 ~ 0.020英寸的較薄厚度， 涂層因特別高的表面栽荷加上細(xì)硬浮渣(鐵-鋅-鋁金屬間化合物)的楔入 而迅速喪失，而且這種涂層不能產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。另一方面，厚的 噴-熔涂層會(huì)開(kāi)裂，造成界面受鋅或鋁的侵蝕。因此，這種涂層最終在因 磨損而實(shí)際喪失涂層之前就剝落了。PTA工藝基本上只是利用粉末喂料和等離子體能量的焊接工藝，而 非傳統(tǒng)的粘結(jié)或埋弧焊。用PTA焊接的鈷合金表面涂層，稀釋作用仍過(guò) 大，雖然小于電弧焊。保護(hù)涂層的新近發(fā)展是用熱噴涂層。美國(guó)專(zhuān)利6，503，442公開(kāi)了用 于高溫腐蝕性環(huán)境的帶涂層設(shè)備。該設(shè)備有由以下物質(zhì)組成的粘合層， 0 5wto/o碳、20 40wto/o鉻、0 5wto/o鎳、0 5wt。/o鐵、2 ~ 25 wt。/o鉬 與鎢之和、0-3wt。/。硅、0 3wt。/o硼，其余是鈷和提供高溫下耐硫化性 必要的雜質(zhì)。為耐熱性，可以在該粘合層上覆蓋氧化鋯-基陶瓷涂層，而 且，另外為耐蝕性，可在氧化鋯上覆蓋硼化物或碳化物涂層。目前仍繼續(xù)需要保護(hù)現(xiàn)代高溫-腐蝕性應(yīng)用中所用的部件，如與冶金 容器的噴槍、噴嘴和風(fēng)嘴相關(guān)的那些部件，以延長(zhǎng)它們?cè)谌绱藧毫訔l件 下的使用壽命。即需要不會(huì)明顯損傷部件表面，尤其那些低耐熱部件的 表面涂布方法。本發(fā)明滿足這種需要。發(fā)明概迷本發(fā)明涉及把高熔點(diǎn)材料涂布到基底的方法，所述基底的熔點(diǎn)溫度 低于高熔點(diǎn)材料的熔點(diǎn)溫度，該方法包括(a) 使激光器產(chǎn)生的激光束移遍所述基底的表面，所迷激光束由約 300 ~約10,600 nm的波長(zhǎng)構(gòu)成;(b) 把金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末供至所述基底的表面；和(c) 使激光具有足夠的能量，以對(duì)所述基底進(jìn)行表面加熱并實(shí)現(xiàn)金光對(duì)所迷基底進(jìn)行表面加熱而不畸變所述基底。所述基底優(yōu)選是銅或銅-基合金。本發(fā)明還涉及形成用于高溫腐蝕性環(huán)境的機(jī)械部件的方法，其包括 把高熔點(diǎn)材料涂布到具有所需形狀機(jī)械部件外形的基底表面上，所迷基 底的熔點(diǎn)溫度低于高熔點(diǎn)材料的熔點(diǎn)溫度，通過(guò)激光鍍覆所述基底的表面以形成激光鍍覆層，所述激光鍍覆包括(a) 將激光器產(chǎn)生的激光束移遍所述基底的表面，所述激光束由約 300 ~約10,600 nm的波長(zhǎng)構(gòu)成;(b) 把金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末供至所迷基底的表面；和(c) 使激光具有足夠的能量以對(duì)所述基底進(jìn)行表面加熱并實(shí)現(xiàn)金屬、所述i底進(jìn)行表面加熱而不畸i所述^底，從而提供具有戶(hù)r述機(jī)械部件 設(shè)計(jì)形狀外形的激光鍍覆層。所述基底優(yōu)選是銅或銅-基合金。本發(fā)明還涉及用于高溫腐蝕性環(huán)境的機(jī)械部件，它們包含(a) 具有所述機(jī)械部件所需形狀的外形的低熔點(diǎn)基底；和(b) 覆蓋所述底基表面的包含高熔點(diǎn)金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材 料的激光鍍覆層；其中所述基底的熔點(diǎn)溫度低于覆蓋所述基底表面的高熔點(diǎn)金屬、合 金或金屬-合金復(fù)合材料的熔點(diǎn)溫度。激光鍍覆層的外形如所述基底的設(shè) 計(jì)形狀，所迷激光鍍覆層靠產(chǎn)生由波長(zhǎng)為約300~約10,600 nm構(gòu)成的 激光束的激光器涂布，所迷激光束對(duì)所述基底進(jìn)行表面加熱而不畸變所 迷基底。機(jī)械部件可包括高爐內(nèi)的風(fēng)嘴、氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐內(nèi)的噴槍頭和電 弧爐內(nèi)的噴嘴以及連續(xù)板坯連鑄機(jī)內(nèi)的模板。該機(jī)械部件優(yōu)選用銅或銅 基合金制成。本發(fā)明還涉及把高熔點(diǎn)材料涂布到基底上的方法，所迷基底的熔點(diǎn) 溫度低于高熔點(diǎn)材料的熔點(diǎn)溫度，該方法包括(a) 用激光器產(chǎn)生激光束，所述激光束由約300~約10,600 nm的波長(zhǎng)構(gòu)成；(b) 通過(guò)軸向調(diào)準(zhǔn)不同于激光軸向調(diào)準(zhǔn)的粉末排放噴嘴把金屬、合金 或金屬-合金復(fù)合材料粉末排到所述基底的表面上；和(c) 使所述激光和所述粉末排放噴嘴移過(guò)所迷基底的表面，以表面加熱所述基底，從而使至少一層金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末的激 光鍍覆層熔結(jié)到所述基底的表面。激光對(duì)所迷基底進(jìn)行表面加熱而不畸 變所述基底。所述基底優(yōu)選是銅或銅-基合金。本發(fā)明還涉及把高熔點(diǎn)材料涂布到基底上的方法，所迷基底的熔點(diǎn)溫度低于高熔點(diǎn)材料的熔點(diǎn)溫度，該方法包括(a) 用激光器產(chǎn)生激光束，所述激光束由約300 ~約10,600 nm的波長(zhǎng)構(gòu)成；(b) 通過(guò)軸向調(diào)準(zhǔn)不同于激光軸向調(diào)準(zhǔn)的粉末排放噴嘴把金屬、合金 或金屬-合金復(fù)合材料粉末排到所述基底的表面上；(c) 使所迷激光和所述粉末排放噴嘴移過(guò)所述基底第一區(qū)的表面，以 表面加熱所迷基底的第一區(qū)，從而使至少一層金屬、合金或金屬-合金復(fù) 合材料粉末的激光鍍覆層熔結(jié)到所述基底第 一 區(qū)的表面；(d) 使第一區(qū)冷卻，然后使所述激光和所述粉末排放噴嘴移過(guò)所述基 底的第二區(qū)的表面，以表面加熱所述基底的第二區(qū)，從而使至少一層金 屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末的激光鍍覆層熔結(jié)到所述基底第二區(qū) 的表面；(e) 使第二區(qū)冷卻，然后對(duì)其它區(qū)重復(fù)激光鍍覆和冷卻步驟，直到已 激光鍍覆全部所需區(qū)。激光對(duì)所述基底進(jìn)行表面加熱而不畸變所迷基 底。所述基底優(yōu)選是銅或銅-基合金。按照本發(fā)明，用于低耐熱基底，如高爐內(nèi)的風(fēng)嘴、氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐內(nèi) 的噴槍頭、電弧爐內(nèi)的噴嘴和連續(xù)板坯連鑄機(jī)內(nèi)的模板等的高熔點(diǎn)金 屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末表面涂層，靠利用由約300~約10，600 nm波長(zhǎng)構(gòu)成的激光束的激光技術(shù)提供。激光對(duì)所述基底進(jìn)行表面加熱 而不畸變所迷基底。如本文所用，"不畸變"是指基底或機(jī)械部件的畸變 小于0.01英寸。應(yīng)理解，本文所述方法的步驟可按給出的順序進(jìn)行，也 可以按足以實(shí)施本發(fā)明方法的任何其它順序進(jìn)行。附圖簡(jiǎn)迷

圖1是涂布到銅板上的CoCrC涂層的Nd:YAG激光鍍復(fù)表面。圖2是涂布到銅板上的CoCrC涂層的Nd:YAG激光鍍褒和拋光表面?；蜚~基合金之類(lèi)材料的吸光系i是激光束波長(zhǎng)的函數(shù):光學(xué)激光范圍是 從紫外光直至紅外光，取決于它們的激光介質(zhì)。銅的吸光系數(shù)隨波長(zhǎng)的 減小而增加，這意味在實(shí)施本發(fā)明中，產(chǎn)生短波長(zhǎng)的激光束比紅外激光 束更適用。如本文所用，"吸光系數(shù)"是指被基底吸收的輻照能量與入射到基底上的能量之比。C02激光以10,600 nm運(yùn)行，屬遠(yuǎn)紅外光。Nd:YAG激光以1060 nm 運(yùn)行，仍屬紅外光。但是銅在1060 nm下的吸光系數(shù)遠(yuǎn)大于在10,600 nm 下的。適合于本發(fā)明的其它適用激光器包括，例如，在700~ 1060 nm 之間運(yùn)行的激光二極管和YAG激光器。適用于本發(fā)明的YAG激光器稱(chēng)作釔-鋁-石榴石激光器。這類(lèi)激光器 也可包含摻雜材料，如釹(Nd),而且這類(lèi)激光器有時(shí)也稱(chēng)作Nd:YAG激 光器。本發(fā)明也可以用使用其它摻雜材料的YAG激光器實(shí)施。適用于 實(shí)施本發(fā)明的YAG激光系統(tǒng)有商品可購(gòu)。當(dāng)以連續(xù)波長(zhǎng)才莫式操作時(shí)， 激光在特定斑點(diǎn)上提供足夠的熱量以實(shí)現(xiàn)基底表面的表面加熱和金屬、 合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末的鍍覆。在實(shí)踐本發(fā)明時(shí)，材料-波長(zhǎng)-吸光系數(shù)的相關(guān)性很重要。尤其優(yōu)選 1060 nm和更短的波長(zhǎng)。紫外激光可適用于實(shí)施本發(fā)明，但對(duì)該應(yīng)用沒(méi) 有可用的產(chǎn)生足夠強(qiáng)光束的連續(xù)波長(zhǎng)激光器。在實(shí)踐本發(fā)明中可奏效的 是產(chǎn)生波長(zhǎng)約300-約10,600 nm，優(yōu)選約1060 nm或更短，更優(yōu)選約 700 ~約1060 nm的激光束的數(shù)-千瓦激光器。適用于本發(fā)明的激光不限于連續(xù)波長(zhǎng)光束，因?yàn)楸景l(fā)明更在意脈沖 頻率與熱導(dǎo)率的關(guān)系。波長(zhǎng)約300~約10,600 nm，優(yōu)選1060 nm或更短 的激光束優(yōu)選經(jīng)由光纖傳輸。激光鍍覆為在實(shí)際上任意尺寸和構(gòu)型的工件上涂布冶金粘結(jié)涂層 提供獨(dú)特的方法。例如，激光束可以用光學(xué)拋光的水冷鏡從激光發(fā)生器 通過(guò)內(nèi)封激光束導(dǎo)管系統(tǒng)導(dǎo)向所選的工件。然后用連接在工具末端操縱 裝置的適當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)把激光束聚焦成高能密度斑點(diǎn)并使聚焦光束平移 遍工件表面，以迅速熔化和凝固鍍覆金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉 末。被傳輸?shù)募す夤β屎途劢拱唿c(diǎn)直徑可以改變，以在工件表面產(chǎn)生能 表面加熱該表面的功率密度。激光能量的精確控制允許在一遍通過(guò)中精確沉積0.0001 ~0.080英 寸的涂層厚度。激光鍍覆層是冶金粘結(jié)在基底上的不滲透涂層，以及通 過(guò)涂布金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末與基底的互混所造成的稀釋 作用?？刂频降陀?%。由于激光鍍覆工藝的輸入熱量少以及工件表面 的表面加熱，帶涂層部件的畸變最小而且基底內(nèi)的金屬學(xué)變化可忽略不 計(jì)。本發(fā)明的方法使用產(chǎn)生由約300~約10,600 nm波長(zhǎng)構(gòu)成的激光束 的激光器，以產(chǎn)生對(duì)基底表面的表面加熱，其不會(huì)產(chǎn)生焊接引起的損傷 或開(kāi)裂。在實(shí)踐本發(fā)明中所用的激光器是本領(lǐng)域已知的。例如，激光器產(chǎn)生 用于鍍覆操作中所用的激光束。在典型方法中，激光通過(guò)包括光纖材料 在內(nèi)的光束制導(dǎo)、通過(guò)鏡子，通過(guò)聚焦透鏡而導(dǎo)向。然后激光撞擊到工 件上。光束制導(dǎo)、鏡子和聚焦透鏡之類(lèi)的部件都是激光鍍覆領(lǐng)域內(nèi)已知 的零件。金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末可以靠粉末喂料器提供。 該粉末可通過(guò)粉末喂料噴嘴喂到工件上。激光系統(tǒng)的其它典型部件可包 括攝影機(jī)和視頻監(jiān)視器。工件一般夾持在工作臺(tái)上。鍍覆系統(tǒng)也可以用控制器或計(jì)算機(jī)數(shù)控定位系統(tǒng)?？刂破骺烧{(diào)配系 統(tǒng)的部件。如本領(lǐng)域所知，控制器也可包括數(shù)字成像系統(tǒng)?？刂破髦茖?dǎo) 激光和粉末喂料掃移過(guò)工件表面。在一個(gè)實(shí)施方案中，工件在XY平面 內(nèi)的移動(dòng)可以通過(guò)工作臺(tái)的移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)。上下移動(dòng)或Z向移動(dòng)可以通過(guò) 控制激光臂實(shí)現(xiàn)；即把它拉起或放下。其它控制方法是可能的，例如控 制工件在X、 Y和Z所有3個(gè)方向上的移動(dòng)。通過(guò)使用控制器，可以制導(dǎo)激光以選定的移動(dòng)圖案移過(guò)工件表面。 激光可跟蹤沿工件表面的縫合圖案?？p合之間的間距可以在約0.020英 寸~約0.028英寸范圍內(nèi)。優(yōu)選地，相繼縫合之間的間距要使縫合間無(wú) 可觀的或盡量少的未融化區(qū)。此外，激光在轉(zhuǎn)角處的移動(dòng)可以是漸變或 彎曲移動(dòng)，從而可以避免在從一個(gè)方向上的縫合移到另一方向上的縫合 時(shí)熔化材料過(guò)度堆積。其它激光縫合技術(shù)是本領(lǐng)域已知的且可應(yīng)用于本 發(fā)明的方法。適用于本發(fā)明的激光系統(tǒng)可優(yōu)選包含粉末喂料器，以便沉積通過(guò)噴 嘴排放的粉末金屬。在優(yōu)選實(shí)施方案中，激光鍍覆系統(tǒng)采用與粉末噴嘴 離軸的布置；即粉末噴嘴的排放軸不同于激光本身的軸向調(diào)準(zhǔn)。粉末排 放的優(yōu)選速率在約0.01-0.10 g/s范圍內(nèi)。金屬粉末的排放可以是控制器的另一部分。在激光鍍覆系統(tǒng)中排放的粉末可以是金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材 料粉末。激光鍍覆工藝中所用的粉末應(yīng)該與基底相容。適用于本發(fā)明的 示例性金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末包括鈷-基高溫合金和鎳-基 高溫合金。優(yōu)選的金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末包括鈷-鉻-碳化物和鎳-鉻-鉛。優(yōu)選地，該粉末的尺寸為約100~ 300目，優(yōu)選約120~ 270目，正如粉末的篩網(wǎng)尺寸所測(cè)量。金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料 可以，也可以不，與硬質(zhì)金屬間化合物如碳化鴒和碳化鉻的顆粒共混。適用于本發(fā)明的鍍覆材料可以是金屬、合金或由陶瓷和金屬間化合 物、碳化物、硼化物、氮化物等組成的金屬-合金復(fù)合材料。陶瓷和金屬 間化合物的加入量可以為2~80%，取決于具體應(yīng)用和要求。加在金屬 和合金中的化合物的顆粒尺寸可以隨所需溶解的量而變。為較少的溶 解，用較大的顆粒，而為較多的溶解，用較小的顆粒。用來(lái)形成激光鍍覆層的優(yōu)選金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末包 含以wt。/。計(jì)的下列組分約5-20的碳、約20~40的鉻、約0~5的 纟臬、約0 5的纟失、約0 25的鉬、約0~25的鵠、約0~3的-圭、約0~ 3的硼，其余是鈷。本發(fā)明的鈷-基合金含約20~40 wtQ/。的鉻是有利的， 除非另有說(shuō)明，在本說(shuō)明書(shū)中所給出的所有組成都以wt。/o表示。鉻為鈷 基體提供耐氧化性和一些額外的對(duì)氧化作用的抵抗力。約3 ~ 20 wt。/。的鴒和鉬的總加入量可提高合金的耐硫化性。這一點(diǎn) 對(duì)保護(hù)高溫腐蝕性應(yīng)用中所用的銅和銅基合金設(shè)備，如與冶金容器的噴 槍、噴嘴和風(fēng)嘴相關(guān)的那些部件，尤其重要。在熔煉和加工中產(chǎn)生的高 溫下，銅注射設(shè)備與二氧化硫迅速反應(yīng)，形成有害的CuS。因疏化引起 的密度變化常造成陶瓷涂層剝落。此外，陶瓷涂層一般都傾向于含有滲 透陶乾涂層的孔和裂紋。涂層中的這些缺陷提供了嚴(yán)重裂隙腐蝕的場(chǎng) 所。因這些原因，涂層最好含至少2%的鎢或鉬，以增加合金的耐疏化 性 此外，把鐵和鎳含量限制到低于5%也可能有用，因?yàn)槊糠N這些元 素可傾向于降低耐硫化性。把這些元素保持在工業(yè)實(shí)踐那樣低的水平上 可提高合金的耐硫化性。為增強(qiáng)鍍覆層，合金可含有最多5%的碳。高 于5%的碳含量可降低合金的耐腐蝕性。金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末的典型組成包含，以wt。/。計(jì)，約5 20的碳、約20~40的鉻、約0~5的鎳、約0~5的鐵、約0 ~ 25 的鉬、約0~25的鵠、約0~3的硅、約0 3的硼，其余是鈷。優(yōu)選金 屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末包含約20~約90 wt。/。的鈷-鉻-碳化 物；以及其余是，以wt。/。計(jì)，基本由如下成分組成的合金組分約1~ 約25的鵠、約2~約12的*臬、0~約7的銅、0~約5的鉬、約0.1~約 15的錳、0~約1.5的鈮和鉭、0~約1.2的鈦、0~約2.0的鋁、以及約 0.1 ~約2的硅，其余是鐵(Fe)。另一種示例性的金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末包含，以wt% 計(jì)，約10-30的鉻、約1 ~ 10的鉬、約1 ~ 10的鋁、約1 ~ 10的鐵、 約1 ~ 10的鉭、約0~5的猛、約0 5的4太、約0-5的碳、約0~3的 硼、0~3的鋅，其余是鎳。優(yōu)選金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末包含約20 ~約卯wt。/o的 鎳-鉻-鋁；以及其余是，以wt。/。計(jì)，基本由以下成分組成的合金組分 約〗~約25的鎢、約2~約12的鈷、0~約7的銅、0~約5的鉬、約 0.1 -約1.5的猛、0~約1.5的鈮和鉭、0~約1.2的鈥、0~約2.0的碳 和約0.1""約2的硅，其余是鐵(Fe)。鍍覆操作隨激光和粉末喂料橫向移過(guò)工件表面而進(jìn)展。鍍褒工藝的 優(yōu)選線速度可以在約5 ~約15英寸/min之間。操作期間的激光功率可以 在約100~約500瓦之間。激光鍍覆可以被限制在工件上接受激光加熱 效應(yīng)的區(qū)域。因此，在優(yōu)選實(shí)施方案中，鍍覆面積在約0.001 ~約0.010 英寸2(0.0064516 ~ 0.064516 cm"范圍內(nèi)。限制鍍覆面積會(huì)減少因鍍復(fù)操 作而在工件內(nèi)出現(xiàn)熱引發(fā)微裂紋的可能性。在所迷基底上激光鍍復(fù)的金 屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料的厚度可以在約0.001英寸~約0.10英寸 范圍。也可以實(shí)現(xiàn)面積超過(guò)0.001 ~ 0.010英寸2的鍍覆。這類(lèi)較大面積的鍍覆法包括一系列分立的激光鍍覆操作。每一個(gè)單獨(dú)的鍍覆步驟包含對(duì)工件上約0.001 ~約O.OIO英寸2面積范圍內(nèi)的激光鍍覆操作。用工件上可接受的粉末熔化，該面積上的鍍覆將實(shí)現(xiàn)成功的激光熔化。在已鍍覆 一個(gè)單獨(dú)區(qū)后，允許其冷卻。冷卻時(shí)，貼緊第一區(qū)的第二鄰區(qū)可接收激 光熔化操作。以這種方式，可以進(jìn)行一個(gè)個(gè)激光熔化操作，以實(shí)現(xiàn)整個(gè) 所需尺寸面積上的激光熔化。雖然激光鍍覆操作可適應(yīng)于其它類(lèi)工件，但它是為高溫腐蝕應(yīng)用中所用的部件，如與冶金容器的噴槍、噴嘴和風(fēng)嘴等相關(guān)的那些部件的特 定應(yīng)用所設(shè)計(jì)和預(yù)定的，為的是延長(zhǎng)它們?cè)谌绱藧毫訔l件下的使用壽命。應(yīng)該理解，所述方法無(wú)需按所述的順序進(jìn)行，而本說(shuō)明書(shū)僅是一種 方法的舉例。首先要鑒定適用的工件。工件的檢查確認(rèn)該工件是適用于 鍍覆的侯選對(duì)象。該工件不應(yīng)存在高溫-腐蝕應(yīng)用，如與冶金容器的噴槍、 噴嘴和風(fēng)嘴等相關(guān)的那些應(yīng)用而不合格的機(jī)械缺陷和其它損傷。該工件 可以經(jīng)預(yù)鍍覆操作，以制成適用于鍍覆的工件。在一種實(shí)施方案中，工件接受?chē)娚?拋光處理。噴砂/拋光除去干擾 激光鍍覆的材料，如腐蝕、雜質(zhì)堆積和來(lái)自工件表面的污染。然后，用 控制器的數(shù)控系統(tǒng)確認(rèn)工件的鍍覆路徑。使用通過(guò)攝影機(jī)的數(shù)字成像， 控制器記錄來(lái)自工件的表面和尺寸數(shù)據(jù)。操作者通過(guò)控制器把鍍覆路徑 參數(shù)輸入。輸入如鍍覆路徑幾何或"縫合"、距離和線速度等參數(shù)。也要 輸入有關(guān)鍍覆的信息，如激光功率和粉末喂料速率，以實(shí)現(xiàn)工件表面的 表面力口熱。在這些準(zhǔn)備性步驟之后，開(kāi)始激光鍍覆。先進(jìn)行第一遍沉積。然后， 如必要，通過(guò)重復(fù)步驟重復(fù)一系列材料沉積步驟。在第一遍沉積中，激 光鍍覆工藝把一層金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末沉積到基底表面上。該沉積厚度為約20%。~約30%。英寸。工件相對(duì)于激光的移動(dòng)速率 取決于所需的沉積厚度，但可以用約5~約15英寸/min的速率范圍。在 第一遍鍍覆結(jié)束時(shí)，控制器將檢查鍍覆沉積的厚度，如果材料的堆積少 于所要求的，則進(jìn)行第二遍鍍覆。雖然一遍鍍覆可能足以沉積所需厚度 的材料，但也有可能需要多遍才達(dá)到所需尺寸新沉積材料的情況。以這 種方式， 一系列鍍覆遍數(shù)可堆積所需厚度的新沉積金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末。當(dāng)數(shù)字觀察器確定已達(dá)到材料厚度即所需極限時(shí)， 就停止鍍覆u然后加工該工件，使之回到所要求的構(gòu)型和尺寸。粉末金屬、合金 或金屬-合金復(fù)合材料的沉積可造成不均勻的表面。機(jī)械加工回復(fù)到所需 尺寸的均勻表面。同樣，為保證基底表面上不留下空隙或凹坑，可能需 要過(guò)度沉積材料?？梢杂靡阎臋C(jī)加技術(shù)來(lái)除去過(guò)量的鍍覆材料。后鍍覆步驟還可包括為實(shí)現(xiàn)應(yīng)力釋放的熱處理之類(lèi)的程序。后-鍍覆 處理可包括表面淬火/用材料拋光。所公開(kāi)的激光鍍覆法的主要優(yōu)點(diǎn)在于，利用由約300 ~約10,600 nm 波長(zhǎng)構(gòu)成的激光束允許對(duì)基底表面進(jìn)行表面加熱。用這種激光允許對(duì)基 底表面和粉末金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料的充分加熱以在基底與金 屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料之間形成熔融結(jié)合。但因熱量在表面上且 非常集中而避免了在其它鍍覆技術(shù)中所遭遇的開(kāi)裂和損傷。對(duì)于在高溫 -腐蝕應(yīng)用，如與冶金容器的噴槍、噴嘴和風(fēng)嘴相關(guān)的那些應(yīng)用中所用的 銅和類(lèi)似材料，基底與新材料之間的熔結(jié)程度和鍍復(fù)硬度，對(duì)延長(zhǎng)它們 在如此惡劣條件下的使用壽命非常理想。在所有情況下，在整個(gè)噴涂過(guò) 程中，必須很小心，以確保表面不變成過(guò)熱和造成基底畸變。在小零件 上，為消除過(guò)熱，可以在零件上吹壓縮空氣或冷卻氣體以利于冷卻。本方法的另 一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是激光熔融操作可以只消耗少量粉末狀金屬、 合金或金屬-合金復(fù)合材料。適用于本發(fā)明的激光能有效地粘結(jié)粉末合金 與基底材料而很少有粉末廢料。這就實(shí)現(xiàn)了材料上的成本節(jié)省。在現(xiàn)有技術(shù)中，在風(fēng)嘴上的焊接表面涂層是用熔點(diǎn)與銅類(lèi)似的合金制成的，它們較軟，對(duì)磨耗/磨蝕和二氧化硫(S02)侵蝕幾乎不提供抵抗力。用本發(fā)明的激光鍍覆技術(shù)，可鍍覆更硬和熔點(diǎn)更髙的材料。如下文討論，可以用鍍覆表面涂層作為熱噴陶乾涂層的底涂層以防止涂層因受S02侵蝕通過(guò)基底的裂隙腐蝕而剝落。噴槍頭和噴嘴可以鍍覆重涂耐S02的合金，不論有無(wú)熱鍍覆陶瓷涂層。鑄造機(jī)模板可鍍覆耐熱合金，消除與鍍硬鉻中因出口端保護(hù)渣(mold flux)溶解在噴射冷卻 水中而裂開(kāi)彎液面和銅的裂隙腐蝕所引起的剝落問(wèn)題。保護(hù)渣主要是熔 鹽和氧化物的混合物，它們?cè)谀＞咧欣鋬鰰r(shí)附著在平板表面。在一種實(shí)施方案中，可以在激光鍍覆底層上覆蓋陶瓷氧化鋯-基層。 有利地，氧化鋯-基層選自下列一組氧化鋯、部分穩(wěn)定化氧化鋯和完全 穩(wěn)定化氧化鋯。最有利地，該層是部分穩(wěn)定化氧化鋯，如氣化鈣、鈰土 或其它稀土氧化物、氧化鎂和氧化釔穩(wěn)定化的氧化鋯。最優(yōu)選的穩(wěn)定刑 是氧化釔。尤其用氧化釔部分穩(wěn)定化的氧化鋯提供優(yōu)良的耐熱性和耐渣 /金屬粘結(jié)性。氡化鋯-基陶瓷層的密度至少為約80%可能是有利的，以限制熱酸 性氣體對(duì)底層的腐蝕效應(yīng)。最有利地，其密度為至少約90%。陶殼層上可覆蓋任選的表面層并包含耐熱和耐熱蝕的碳化物或硼 化物涂層。該表面蓋覆材料可以是任何耐熱的硼化或碳化鉻，如CrB、Cr3C2、 Cr C3或Cr23C6。該涂層可以是純碳化物/硼化物或在耐熱的鈷或 鎳-基高溫合金的合金基體內(nèi)。各層的厚度可隨應(yīng)用和使用環(huán)境而變。有利地，各層的厚度在約 0.002 ~約0.04英寸之間。等離子體、HVOF和引爆槍及Super D-GunTM 技術(shù)對(duì)底涂層和任選的表面涂層都有效。但由于HVOF不足以熔化氣化 鋯-基粉末，所以氧化鋯-基陶瓷涂層只可用等離子體、引爆槍或Super D-GunTM工藝涂布。氧化鋯-基涂層優(yōu)選用引爆槍或Super D-GunTM設(shè)備以熱噴涂法沉積 在注射設(shè)備，如風(fēng)嘴、噴槍或噴嘴的鍍覆表面上。因此要把表面蓋復(fù)材 料顆粒加熱到高溫并加速到高速(Super D-Gun是Praxair Surface Technologies, Inc. 的商標(biāo))。 最有利地，顆粒速度，對(duì)于引爆槍沉積，大于約750 m/s,而對(duì)于Super D-GunTM沉積，大于約1000m/s。提高顆粒速度，能 改善涂層與注射設(shè)備之間的結(jié)合和粘合。雖然目前并不優(yōu)選，但其它熱噴涂或相關(guān)工藝，如高速氧基燃料、 高速空氣燃料和冷鍍覆，是可行的，如果它們能產(chǎn)生足夠的顆粒速度和 顆粒溫度。而且，用很高速(動(dòng)能)代替有些顆粒的加熱(熱能)并仍能實(shí)現(xiàn) 注射設(shè)備涂層必要的所需微觀結(jié)構(gòu)特性是可能的。獲得總涂層厚度的方法是，使槍或其它熱噴涂設(shè)備相對(duì)于被涂布設(shè) 備的暴露表面橫向移動(dòng)，從而產(chǎn)生精確的預(yù)定圖案的搭接顆粒附聚物。 更具體地，當(dāng)用引爆槍或Super D-Gun時(shí)，沉積在注射設(shè)備至少一個(gè)鍍 覆表面上的每個(gè)圓形顆粒附聚物形成厚度小于約25 nm和直徑為約15 mm ~ 35 mm的涂層部分。該方法在噴槍、噴嘴或風(fēng)嘴的部分或全部鍍覆表面上形成涂層。它 尤其涉及在風(fēng)嘴或其它氣體噴射設(shè)備的鍍覆表面上沉積預(yù)定厚度的涂 層。優(yōu)選本方法用熱噴涂設(shè)備來(lái)涂布注射設(shè)備的整個(gè)鍍覆表面。激光鍍覆和任選的表面淬火工藝的固有靈活性可適應(yīng)部件幾何的 大多數(shù)變量以獲得理想尺寸、形狀和厚度的涂層沉積。單熔珠(bead) 可沉積在寬為0.060英寸~ 〉2.000英寸的范圍內(nèi)以及鍍覆沉積可以增 加層數(shù)來(lái)涂布到任何所需的厚度。對(duì)于寬表面積，平行的鍍覆沉積熔珠 要涂布到足以搭接或關(guān)聯(lián)(tie-in)，以保證均勻的涂層厚度。對(duì)于平而 大曲率表面，涂布合金要在橫向移動(dòng)的激光束前沿不斷喂料，但對(duì)于非 水平或小曲率表面，粉末喂料可以用噴射器噴嘴以高壓惰性栽氣直接注射進(jìn)熔體熔化區(qū)。雖然激光鍍覆屬視線加工法，但可以用專(zhuān)用光學(xué)構(gòu)型 來(lái)對(duì)空心圓柱體內(nèi)表面之類(lèi)較不易進(jìn)入的區(qū)域涂布到相當(dāng)深度。用激光鍍覆和表面淬火工藝涂布的涂層在冶金學(xué)上比用傳統(tǒng)電孤鍍覆工藝，如氣體-金屬-弧(GMAW)、埋弧(SAW)和轉(zhuǎn)移等離子弧(PTA) 涂布的涂層好得多，主要是因?yàn)闊崃枯斎肷俸拖♂屪饔眯?。激光涂層?有對(duì)經(jīng)受惡劣操作環(huán)境的部件非常重要的出色機(jī)械性能(硬度、韌性、延 展性、強(qiáng)度)和更高的耐磨、耐蝕和耐疲勞性。而且，激光鍍覆技術(shù)的執(zhí) 行可以對(duì)傳統(tǒng)涂布法，如鉻電鍍，提供替代解決辦法。對(duì)于涉及空隙腐 蝕、顆粒沖擊腐蝕、熱腐蝕、滑動(dòng)磨損和熱(低周)疲勞的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，已 觀察到激光鍍覆或涂層性能超過(guò)傳統(tǒng)鍍覆層或涂層的優(yōu)越性。在一種實(shí)施方案中，YAG-產(chǎn)生的激光束可被導(dǎo)向擬涂布零件的表 面，提供把表面蓋覆材料熔化和熔結(jié)到銅基底上所必要的能量。可以用 不同類(lèi)型的YAG激光器發(fā)射波長(zhǎng)為約700 ~ 1060 nm的光。鍍覆材料可 原位喂進(jìn)熔體池或在激光加工之前預(yù)置到基底表面上。產(chǎn)生鍍覆層的方 法可以是使激光束在基底表面上作相對(duì)移動(dòng)?？梢杂枚栊员Ｗo(hù)氣體，如 氦氣或氬氣，來(lái)保護(hù)熔體池免受周?chē)鷼夥盏挠绊?。擬涂布基底可以在激 光加工前或激光加工期間加熱，以減少激光功率要求并改善基底與表面 蓋覆材料之間的熔結(jié)。鍍覆基底可經(jīng)受進(jìn)一步加工，如拋光。實(shí)施例激光鍍覆工藝用Nd:YAG激光器進(jìn)行。工藝參數(shù)如下所列。把表面 蓋覆材料注射進(jìn)熔體池。制導(dǎo)激光束移過(guò)零件表面，產(chǎn)生焊珠。鍍復(fù)以 一定指數(shù)使各焊珠搭接產(chǎn)生鍍覆層。然后拋光鍍覆層。圖l示意按照本 實(shí)施例涂布到銅基底上的CoCrC涂層的Nd:YAG激光鍍覆表面。圖2 示意按照本實(shí)施例涂布到銅基底上的CoCrC涂層的Nd:YAG激光鍍覆 和拋光表面?；捉饘巽~(Cu)表面蓋覆材料CoCrC合金激光器Nd:YAG,抽吸二極管，纖維傳輸最大輸出功率為5 kW 所用的激光功率4kW 激光斑尺寸直徑約3mm。 表面速度250 ~400 mm/mm指數(shù)1.5 mm 粉末喂料速率6g/min 零件溫度800。F本公開(kāi)方法的其它變量都在如下權(quán)利要求所述的本發(fā)明的規(guī)定范 圍內(nèi)。如前所述，本文公開(kāi)了本發(fā)明的詳細(xì)實(shí)施方案，但應(yīng)理解，所公 開(kāi)的實(shí)施方案僅是可以多種形式實(shí)施的本發(fā)明的舉例。
權(quán)利要求
1.一種把高熔點(diǎn)材料涂布到基底上的方法，所述基底的熔點(diǎn)溫度低于高熔點(diǎn)材料的熔點(diǎn)溫度，該方法包括(a)將激光器產(chǎn)生的激光束移遍所述基底的表面，所述激光束由約300～約10,600nm的波長(zhǎng)構(gòu)成；(b)把金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末供至所述基底的表面；和(c)使激光具有足夠的能量，以對(duì)所述基底進(jìn)行表面加熱并實(shí)現(xiàn)金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末與所述基底表面之間的熔融結(jié)合。
2.權(quán):要求1的方;去，其中所i^敫光束i由約1060 nm或更短的波長(zhǎng)抅成。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述激光束由約700~約1060 nm的波長(zhǎng)構(gòu)成。
4. 權(quán)利要求1的方法，其中所述激光器對(duì)所述基底進(jìn)行表面加熱而 不畸變所迷基底。
5. 權(quán)利要求1的方法，其中提供所述金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材 料粉末的步驟包括通過(guò)其軸向調(diào)準(zhǔn)不同于激光器軸向調(diào)準(zhǔn)的粉末排放噴嘴提供粉末。
6. 權(quán)利要求1的方法，其中步驟(a)、 (b)和(c)以足以把所述高熔點(diǎn)材 料涂布到所述基底上的任意順序進(jìn)行。
7. 權(quán)利要求1的方法，其中金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末包 含鈷-基高溫合金或鎳-基高溫合金。
8.權(quán)利要求1的方法，其中金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末包 含，以wt。/。計(jì)，約5 20的碳、約20~40的鉻、約0~5的鎳、約0~5 的鐵、約0-25的鉬、約0 25的鎢、約0~3的硅、約0~3的硼，其 余是鈷。
9. 權(quán)利要求1的方法，其中金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末包 含，以wt。/o計(jì)，約10-30的鉻、約1 ~ 10的鉬、約1 ~ 10的鋁、約1 ~ 10的4失、約1 ~ 10的鉭、約0~5的錳、約0~5的4太、約0~5的碳、 約0~3的硼、0~3的鋅，其余是鎳。
10. 權(quán)利要求1的方法，其中所迷金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料 粉末是鈷-鉻-碳化物或鎳-鉻-鋁。
11. 權(quán)利要求1的方法，其中在所述基底上的激光鍍覆金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料的厚度為約0.001英寸~約0.10英寸。
12. 權(quán)利要求1的方法，其中所述基底是銅或銅-基合金。
13. 權(quán)利要求1的方法，其中所述激光器包括釹YAG激光器或激光二極管。
14.權(quán)利要求1的方法，其中所述基底包含選自下列一組的機(jī)械部 件高爐內(nèi)的風(fēng)嘴、氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐內(nèi)的噴槍頭、電弧爐內(nèi)的噴嘴和連續(xù) 板坯連鑄機(jī)的模板。
全文摘要
本發(fā)明涉及高溫-腐蝕應(yīng)用中所用的部件，如與冶金容器的噴槍、噴嘴和風(fēng)嘴相關(guān)的那些部件的激光鍍覆，以延長(zhǎng)它們?cè)谌绱藧毫訔l件下的使用壽命。本發(fā)明尤其涉及把高熔點(diǎn)材料涂布到基底上的方法，所述基底的熔點(diǎn)溫度低于高熔點(diǎn)材料的熔點(diǎn)溫度，該方法包括(a)將激光器產(chǎn)生的激光束移遍所述基底的表面，所述激光束由約300～約10,600nm的波長(zhǎng)構(gòu)成；(b)把金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末供至所述基底的表面；和(c)產(chǎn)生足夠的功率至激光，以對(duì)所述基底進(jìn)行表面加熱并實(shí)現(xiàn)金屬、合金或金屬-合金復(fù)合材料粉末與所述基底表面之間的熔融結(jié)合。
文檔編號(hào)C23C24/00GK101228295SQ200680026703
公開(kāi)日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2006年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月20日
發(fā)明者H·H·福庫(kù)巴亞什, R·C·加斯曼 申請(qǐng)人:普萊克斯S.T.技術(shù)有限公司