材料表面新技术

3. 涂层梯度设计与分层的功能
Fourth layer Third layer
Second layer First layer
Cu alloy substrate
Function of third and fourth layer is to form highest hardness coating so that to improve wear and erode resistance of coating
表4.2 电流强度I的优化
试样序号 离焦量 光斑直径 电流I L/ (mm) D/ (mm) /(A)
a
6
0.48
175
b
6
0.48
200
c
6
0.48
225
功率P 扫描速度 能量密度E /(W) V/ (mm/s) /(J/mm2)
50
2.5
30.8
50
2.5
41.7
50
2.5
56.7
(a)
(b)
❖课程共计16章
第1章 绪 论； 第2章材料表面热处理技术；第3章三束表 面处理技术；第4章 堆焊技术；第5章热喷涂技术；第6章 热浸镀技术；第7章 电镀及电刷镀技术；第8章 超声-电脉 冲沉积纳米复合镀技术；第9章化学镀与化学转化膜技术； 第10章气相沉积技术；第11章 材料表面纳米化技术；第12 章材料表面变形强化技术；第13章 特种表面技术；第14章 涂装技术；第15章表面微细加工技术；第16章复合表面处 理技术。
Mo、W固溶在Fe、Ni、Co基体中，能使晶格发生畸变，显著强化涂层 基体，提高基体的高温强度，提高耐磨性。同时Mo还具有较强的细化晶 粒、增加韧性、提高塑性的作用，从而降低涂层产生裂纹的倾向。
C元素能与富余的Cr、W原位形成高硬度的碳化物，形成弥散的碳化物 陶瓷强化相，进一步提高熔覆层的硬度和耐磨性。
❖ 铜及铜合金具有良好的导热性，常被用于制备导热部件，结晶器就 是其的一个重要应用。
❖ 结晶器是连铸工艺的核心设备，结晶器铜板的表面质量，直接影响 着连铸生产的稳定性。
连铸生产工艺是现代钢铁工业的核心工艺之一，而结晶器作为连铸从 液态钢水到凝固成固态坯壳重要导热部件，是连铸工艺的心脏设备。 其基本功能是利用冷却水通过水冷铜板间接带走钢水中热量，使钢水 在结晶器内连续地形成具有一定厚度和一定强度的坯壳。在生产过程 中，结晶器铜板要不断地经受高温、高压和强磨擦的冲击，工作环境 极其恶劣。因此，结晶器铜板表面性能的好坏直接影响到连铸工艺的 产品质量、生产效率和生产成本。
400
350
175A
200A
300
225A
250
Macro-hardness/HV
200
(c)
150
100
50
图4.2 不同电流强度下制备的单道熔覆涂层横截面金相 组织形貌
0 0
25
50
75
100
125
150
Distance/m
图4.3 不同电流制备的单道熔覆涂层横截面
的显微硬度变化曲线
(a) 175A, (b) 200A, (c) 225A
铜合金表面激光原位制备Ni基强 韧耐磨梯度涂层新技术
目录
1. 绪论 2.梯度涂层合金粉末成分设计原则 3.涂层梯度设计与分层的功能 4.激光原位制备梯度涂层技术 5.梯度涂层制备及组织结构分析 6.激光原位制备梯度涂层的性能分析 7.激光诱导原位制备技术总结
1.绪论
1.1 技术应用背景
图1.1 连铸结晶器和结晶器铜管
表4.3 扫描速度V的优化
试样序号 离焦量 光斑直径 电流I L/ (mm) D/ (mm) /(A)
a
6
0.48
200
b
6
0.48
200
c
6
0.48200d60.48200
e
6
0.48
200
功率P 扫描速度 能量密度E /(W) V/ (mm/s) /(J/mm2)
50
1.5
69.4
50
2.0
52.1
❖ 要制备结晶器表面用先进涂层，设计新的多元素、多组元增强Ni 基合金复合粉末体系，以便在激光作用下原位形成陶瓷颗粒增强 的超细晶组织结构，成为提高涂层硬度改善耐磨性能的有效途径 之一。
1.4 激光原位制备梯度涂层新技术原理
Laser beam
Transition Layers
Substrate
Working layer
c
7
0.56
200
功率P 扫描速度 能量密度E /(W) V/ (mm/s) /(J/mm2)
50
2.5
50.0
50
2.5
41.7
50
2.5
35.7
E P D V
(a)
(b)
能量密度大 Cu稀释作用大
(c)
组织均匀致密 与基体结合良好
熔池平坦 能量不足
图4.1 不同离焦量下制备的单道熔覆涂层横截面金相组织形貌 (a) 5mm; (b) 6mm; (c) 7mm
Al元素是Ni基合金形成γˊ（Ni3Al）强化相的主要形成元素，对涂层起 时效沉淀强化作用。另外Al元素是强还原剂，能与大多数金属氧化物发生 铝热反应，铝热反应为激光熔覆提供额外的化学热。同时，反应过程中原 位生成的Al2O3颗粒能有效地阻碍基体金属晶粒的长大，起到细化晶粒、 弥散强化的作用。
Y2O3稀土氧化物，可以细化和改善熔覆层的显微组织，使熔覆层中金 属陶瓷硬质相的颗粒形状得到改善，并且在熔覆层中均匀分布，使熔覆层 显微硬度、耐磨性和耐蚀性均得到显著的提高。
材料表面新技术
材料表面新技术课程简介
❖ 该课程为材料科学与工程学科本科生开设，是材料学科先进材料制备 研究领域本科生的必修课程。
❖ 该课程融合包括材料表面、界面、失效分析、防护、功能及其所针对 的表面技术的理论和工艺等共性核心内容，形成“基础理论+表面存 在问题+解决的技术路线+核心工艺+形成的组织结构+性能的表征方 法+经济分析”的模型化介绍。
❖ 自粘结复合粉末：是指在热喷涂过程中，由于粉末产 生的放热反应能使涂层与基材表面形成良好结合的一 类热喷涂材料。
❖ 氧化物陶瓷粉末：具有优良的抗高温氧化能力，还有 隔热、耐磨、耐蚀等性能,此类陶瓷粉末主要分为氧化 铝、氧化锆两个系列.
激光熔覆涂层特点
❖ 熔覆层稀释率低
❖ 激光束功率密度高，作用时间 短， 基材热影响区小、变形小。
❖ 激光熔覆层组织致密、微观缺 陷少、结合强度高，
❖ 对环境无污染、辐射，噪声低、 劳动条件好。
图1.4 激光熔覆实物照片
1.3 铜合金表面激光熔覆存在问题及激光新技术发展
❖ 利用激光处理技术在铜合金表面制备具有高耐磨的涂层是改结晶 器表面性能的主要方法之一。激光熔覆涂层的硬度常常较低，且 激光熔覆容易出现裂纹和气孔缺陷，降低涂层的强韧性。
2.1 材料
（1）基体材料：宝钢的结晶器实材铜铬合金，Cu、Cr的含量分别 为99.22wt%和0.78 wt%，
（2）四层梯度涂层成分配比表2.1所示。
表2.1涂层中各层的成分（质量百分比,%）
Element
Ni Co Cr Fe W Mo Si
C
Al Y2O3
First layer Bal.
5
10
5
2
1
2
1
2
1
Second layer Bal. 10
15
5
4
2
3
2
2
1
Third layer Bal. 15
20
10
6
3
4
3
2
1
Fourth layer Bal. 20
25
10
8
4
5
4
2
1
2.2 合金元素及添加物的作用
Ni为fcc结构，组织稳定，从室温到高温无同素异构转变，耐氧化 性强，并且具有很大的合金化能力。Ni与基体Cu元素都是fcc结构，且 拥有非常相近的原子半径，可以和Cu形成无限互溶固溶体；Ni的线膨 胀系数为13.3×10-6K-1，而Cu的线膨胀系数为16.5×10-6K-1，故选用Ni 做为梯度涂层的基体材料，能使涂层与铜合金基体形成良好的冶金结 合。
Fig.2.1 The structure and function of designing three layer gradient coating.
4.激光原位制备梯度涂层技术
4.1工艺流程及表征方法
试样预处理
混粉
涂置
制备单道涂层
优化工艺参数 （离焦量、电流、扫描速度）
优化搭接率
多道搭接制备 涂层第一、二层
1.2 存在问题及现状
❖ 结晶器铜板损坏失效的主要形式是磨损、热裂纹和热腐蚀。 ❖ 目前，结晶器Cu合金表面强化技术主要有：电镀、复合镀和热
喷涂等。但尚存在着以下主要问题：
➢强化层耐磨性较差，铜结晶器表面寿命较低； ➢涂层与铜基体之间未形成冶金结合，反复热冲击易脱落。
Cu 基
涂 层
体
涂层表面硬度低，耐磨性差 界面没有形成冶金结合
50
2.5
41.7
50
3.0
34.7
50
3.5
29.8
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Macro-hardness/HV
400
350
300
250
200
1.5mm/s
150
2.0mm/s
2.5mm/s
100