结晶器铜表面激光熔覆讲解
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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。
重点展示材料表面技术领域前沿研究成果、应用和发展前景，开拓本 科生的国际视野，培养专业学习热情；重点突出教学团队的科研得到 的图表及结果，使学生直观、清晰地了解到各种表面新技术的理论、 应用及学术价值。
课程内容体现出“国际化、厚基础、技术新、特色强”的特征，适于 培养具有分析解决材料表面实际问题的能力及有创新性、国际视野的 科研及工程技术人员。
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。
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。
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
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
Hale Waihona Puke Baidu
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。
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。
图1.5 激光原位制备梯度涂层示意图
梯度设计，形成强韧性涂层；熔覆涂层与Cu基体之间为冶金结合界面，结合力高； 原位生成的硬质颗粒细小，且表面无污染，与涂层基体之间结合强度高，有利于提
高涂层的硬度和耐磨性能； 强化相含量由内层至外层梯度升高，解决高硬度耐磨涂层韧性差，易开裂的问题。
2.梯度涂层合金粉末成分设计原则
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
图1.2 激光熔覆涂层实物照片
激光熔覆工艺方法 1. 预制粉末法： 2. 同步送粉法：
1.3 激光熔覆示意图
常用激光熔覆材料体系
自熔性合金粉末:可分为钴基、镍基和铁基自熔合金， 其主要特点是含有硼和硅，因而具有自我脱氧和造渣 的性能，即谓自熔性。
碳化物复合粉末：由碳化物硬质相与金属或合金作为 粘结相所组成的粉末体系。
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
1.3 激光熔覆概念及工艺方法
激光熔覆是利用高能量密度 （103~109W/cm2）的激光束，照 射在金属基体表层上预先涂覆的 涂层材料，使之与基体表面薄层 同时熔化，经快速冷凝后在基材 表面形成稀释度极低的、与金属 基体形成冶金结合的表面涂层， 从而显著改善基体材料的表面耐 磨、耐蚀、抗氧化等特性的一种 表面处理工艺。
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。
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。
重点展示材料表面技术领域前沿研究成果、应用和发展前景，开拓本 科生的国际视野，培养专业学习热情；重点突出教学团队的科研得到 的图表及结果，使学生直观、清晰地了解到各种表面新技术的理论、 应用及学术价值。
课程内容体现出“国际化、厚基础、技术新、特色强”的特征，适于 培养具有分析解决材料表面实际问题的能力及有创新性、国际视野的 科研及工程技术人员。
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。
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。
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
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
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Second layer Bal. 10
15
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Third layer Bal. 15
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Fourth layer Bal. 20
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Hale Waihona Puke Baidu
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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。
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。
图1.5 激光原位制备梯度涂层示意图
梯度设计，形成强韧性涂层；熔覆涂层与Cu基体之间为冶金结合界面，结合力高； 原位生成的硬质颗粒细小，且表面无污染，与涂层基体之间结合强度高，有利于提
高涂层的硬度和耐磨性能； 强化相含量由内层至外层梯度升高，解决高硬度耐磨涂层韧性差，易开裂的问题。
2.梯度涂层合金粉末成分设计原则
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
图1.2 激光熔覆涂层实物照片
激光熔覆工艺方法 1. 预制粉末法： 2. 同步送粉法：
1.3 激光熔覆示意图
常用激光熔覆材料体系
自熔性合金粉末:可分为钴基、镍基和铁基自熔合金， 其主要特点是含有硼和硅，因而具有自我脱氧和造渣 的性能，即谓自熔性。
碳化物复合粉末：由碳化物硬质相与金属或合金作为 粘结相所组成的粉末体系。
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
1.3 激光熔覆概念及工艺方法
激光熔覆是利用高能量密度 （103~109W/cm2）的激光束，照 射在金属基体表层上预先涂覆的 涂层材料，使之与基体表面薄层 同时熔化，经快速冷凝后在基材 表面形成稀释度极低的、与金属 基体形成冶金结合的表面涂层， 从而显著改善基体材料的表面耐 磨、耐蚀、抗氧化等特性的一种 表面处理工艺。
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。