在低耐热基底上的激光镀覆的制作方法

专利名称：在低耐热基底上的激光镀覆的制作方法
在低耐热基底上的激光镀覆 发明领域本发明涉及把高熔点金属、合金和/或金属复合材料激光镀覆到低耐 热基底如铜或类似材料上的方法。本发明尤其涉及激光镀覆高温-腐蚀应 用中所用的部件，如与冶金容器的喷枪、喷嘴和风嘴等相关的那些，以 延长它们在如此恶劣条件下的使用寿命。发明背景常安装在促动管上的风嘴把空气、氣气和燃料注射进高炉和熔炉，如Pierce-Smith转炉。与风嘴类似，气体喷射器喷嘴把氧和燃料注射进 电弧炉的熔融钢浴。此外，喷枪喷嘴把氧气和燃料注射进炼钢的氧气顶 吹转炉。这些喷枪、喷嘴和风嘴通常要水冷并由耐熔渣或金属侵蚀性很 低的高导热铜或铜基合金制成。除这些外，冶金容器的喷枪和喷嘴一般 都经受热颗粒腐蚀和熔渣或金属侵蚀。另 一个问题是存在腐蚀性气体。这些腐蚀性气体包括酸性和非酸性 反应性金属蒸气。腐蚀性气体如氯和二氣化硫常源自燃料或者原料或熔 体中金属硫化物的氧化。类似于酸性气体，反应性蒸气，如镉、铅、锌 等一般都源自它们夹带在喂入高炉或电弧炉的废钢料中。这些气体强烈 地侵蚀金属注射设备。例如，二氧化疏易与铜反应而形成硫化物，如硫 化铜(CuS)。与带涂层风嘴和喷嘴头相关的再一个问题是，在极端循环加热与冷 却下使用一段时间后发生开裂。该开裂可朝内壁扩展，造成最后的漏水。为克服这些问题，工业界已尝试了在部件上的各种镀覆层或涂层。 为镀覆部件，工业上常在软合金基底上或使用固体陶瓷、硬合金或硬表 面涂层。该表面涂层可用焊接、喷-熔工艺或转移等离子弧(PTA)制成。 表面盖覆材料或是各种Co合金(例如，硬合金)或喷-熔Co-Cr-B-Si、 N卜B-Si或Ni-Cr-B-Si合金，加或不加碳化物。遗憾的是，所有这些材料 在短时期内就受严重磨损，常需要频繁至每周更换。喷-熔工艺用Ni或Co基合金，加或不加碳化物颗粒。两种合金都 含硼(B)和硅(Si)为融合剂，以便在它们熔化时在基底上提供润湿作用；但很少或不发生基底的熔化。表面涂层在使用中因受融熔金属的侵蚀而 常常开裂和分离。钴合金表面涂层，不论应用方式如何，耐浮渣(浮淹是 悬浮在熔融锌或锌合金中的特别硬的微观尺寸金属间化合物)的磨损性 或耐锌的侵蚀性都不强。最广泛使用的喷-熔涂层类型是镍基合金涂层。该涂层一般较厚，厚达0.125英寸。用0.010 ~ 0.020英寸的较薄厚度， 涂层因特别高的表面栽荷加上细硬浮渣(铁-锌-铝金属间化合物)的楔入 而迅速丧失，而且这种涂层不能产生明显的经济效益。另一方面，厚的 喷-熔涂层会开裂，造成界面受锌或铝的侵蚀。因此，这种涂层最终在因 磨损而实际丧失涂层之前就剥落了。PTA工艺基本上只是利用粉末喂料和等离子体能量的焊接工艺，而 非传统的粘结或埋弧焊。用PTA焊接的钴合金表面涂层，稀释作用仍过 大，虽然小于电弧焊。保护涂层的新近发展是用热喷涂层。美国专利6，503，442公开了用 于高温腐蚀性环境的带涂层设备。该设备有由以下物质组成的粘合层， 0 5wto/o碳、20 40wto/o铬、0 5wto/o镍、0 5wt。/o铁、2 ~ 25 wt。/o钼 与钨之和、0-3wt。/。硅、0 3wt。/o硼，其余是钴和提供高温下耐硫化性 必要的杂质。为耐热性，可以在该粘合层上覆盖氧化锆-基陶瓷涂层，而 且，另外为耐蚀性，可在氧化锆上覆盖硼化物或碳化物涂层。目前仍继续需要保护现代高温-腐蚀性应用中所用的部件，如与冶金 容器的喷枪、喷嘴和风嘴相关的那些部件，以延长它们在如此恶劣条件 下的使用寿命。即需要不会明显损伤部件表面，尤其那些低耐热部件的 表面涂布方法。本发明满足这种需要。发明概迷本发明涉及把高熔点材料涂布到基底的方法，所述基底的熔点温度 低于高熔点材料的熔点温度，该方法包括(a) 使激光器产生的激光束移遍所述基底的表面，所迷激光束由约 300 ~约10,600 nm的波长构成;(b) 把金属、合金或金属-合金复合材料粉末供至所述基底的表面；和(c) 使激光具有足够的能量，以对所述基底进行表面加热并实现金光对所迷基底进行表面加热而不畸变所述基底。所述基底优选是铜或铜-基合金。本发明还涉及形成用于高温腐蚀性环境的机械部件的方法，其包括 把高熔点材料涂布到具有所需形状机械部件外形的基底表面上，所迷基 底的熔点温度低于高熔点材料的熔点温度，通过激光镀覆所述基底的表面以形成激光镀覆层，所述激光镀覆包括(a) 将激光器产生的激光束移遍所述基底的表面，所述激光束由约 300 ~约10,600 nm的波长构成;(b) 把金属、合金或金属-合金复合材料粉末供至所迷基底的表面；和(c) 使激光具有足够的能量以对所述基底进行表面加热并实现金属、所述i底进行表面加热而不畸i所述^底，从而提供具有戶r述机械部件 设计形状外形的激光镀覆层。所述基底优选是铜或铜-基合金。本发明还涉及用于高温腐蚀性环境的机械部件，它们包含(a) 具有所述机械部件所需形状的外形的低熔点基底；和(b) 覆盖所述底基表面的包含高熔点金属、合金或金属-合金复合材 料的激光镀覆层；其中所述基底的熔点温度低于覆盖所述基底表面的高熔点金属、合 金或金属-合金复合材料的熔点温度。激光镀覆层的外形如所述基底的设 计形状，所迷激光镀覆层靠产生由波长为约300~约10,600 nm构成的 激光束的激光器涂布，所迷激光束对所述基底进行表面加热而不畸变所 迷基底。机械部件可包括高炉内的风嘴、氧气顶吹转炉内的喷枪头和电 弧炉内的喷嘴以及连续板坯连铸机内的模板。该机械部件优选用铜或铜 基合金制成。本发明还涉及把高熔点材料涂布到基底上的方法，所迷基底的熔点 溫度低于高熔点材料的熔点温度，该方法包括(a) 用激光器产生激光束，所述激光束由约300~约10,600 nm的波长构成；(b) 通过轴向调准不同于激光轴向调准的粉末排放喷嘴把金属、合金 或金属-合金复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喷嘴移过所迷基底的表面，以表面加热所述基底，从而使至少一层金属、合金或金属-合金复合材料粉末的激 光镀覆层熔结到所述基底的表面。激光对所迷基底进行表面加热而不畸 变所述基底。所述基底优选是铜或铜-基合金。本发明还涉及把高熔点材料涂布到基底上的方法，所迷基底的熔点温度低于高熔点材料的熔点温度，该方法包括(a) 用激光器产生激光束，所述激光束由约300 ~约10,600 nm的波长构成；(b) 通过轴向调准不同于激光轴向调准的粉末排放喷嘴把金属、合金 或金属-合金复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喷嘴移过所述基底第一区的表面，以 表面加热所迷基底的第一区，从而使至少一层金属、合金或金属-合金复 合材料粉末的激光镀覆层熔结到所述基底第 一 区的表面；(d) 使第一区冷却，然后使所述激光和所述粉末排放喷嘴移过所述基 底的第二区的表面，以表面加热所述基底的第二区，从而使至少一层金 属、合金或金属-合金复合材料粉末的激光镀覆层熔结到所述基底第二区 的表面；(e) 使第二区冷却，然后对其它区重复激光镀覆和冷却步骤，直到已 激光镀覆全部所需区。激光对所述基底进行表面加热而不畸变所迷基 底。所述基底优选是铜或铜-基合金。按照本发明，用于低耐热基底，如高炉内的风嘴、氧气顶吹转炉内 的喷枪头、电弧炉内的喷嘴和连续板坯连铸机内的模板等的高熔点金 属、合金或金属-合金复合材料粉末表面涂层，靠利用由约300~约10，600 nm波长构成的激光束的激光技术提供。激光对所述基底进行表面加热 而不畸变所迷基底。如本文所用，"不畸变"是指基底或机械部件的畸变 小于0.01英寸。应理解，本文所述方法的步骤可按给出的顺序进行，也 可以按足以实施本发明方法的任何其它顺序进行。附图简迷

图1是涂布到铜板上的CoCrC涂层的Nd:YAG激光镀復表面。图2是涂布到铜板上的CoCrC涂层的Nd:YAG激光镀褒和抛光表面。或铜基合金之类材料的吸光系i是激光束波长的函数:光学激光范围是 从紫外光直至红外光，取决于它们的激光介质。铜的吸光系数随波长的 减小而增加，这意味在实施本发明中，产生短波长的激光束比红外激光 束更适用。如本文所用，"吸光系数"是指被基底吸收的辐照能量与入射到基底上的能量之比。C02激光以10,600 nm运行，属远红外光。Nd:YAG激光以1060 nm 运行，仍属红外光。但是铜在1060 nm下的吸光系数远大于在10,600 nm 下的。适合于本发明的其它适用激光器包括，例如，在700~ 1060 nm 之间运行的激光二极管和YAG激光器。适用于本发明的YAG激光器称作钇-铝-石榴石激光器。这类激光器 也可包含掺杂材料，如钕(Nd),而且这类激光器有时也称作Nd:YAG激 光器。本发明也可以用使用其它掺杂材料的YAG激光器实施。适用于 实施本发明的YAG激光系统有商品可购。当以连续波长才莫式操作时， 激光在特定斑点上提供足够的热量以实现基底表面的表面加热和金属、 合金或金属-合金复合材料粉末的镀覆。在实践本发明时，材料-波长-吸光系数的相关性很重要。尤其优选 1060 nm和更短的波长。紫外激光可适用于实施本发明，但对该应用没 有可用的产生足够强光束的连续波长激光器。在实践本发明中可奏效的 是产生波长约300-约10,600 nm，优选约1060 nm或更短，更优选约 700 ~约1060 nm的激光束的数-千瓦激光器。适用于本发明的激光不限于连续波长光束，因为本发明更在意脉沖 频率与热导率的关系。波长约300~约10,600 nm，优选1060 nm或更短 的激光束优选经由光纤传输。激光镀覆为在实际上任意尺寸和构型的工件上涂布冶金粘结涂层 提供独特的方法。例如，激光束可以用光学抛光的水冷镜从激光发生器 通过内封激光束导管系统导向所选的工件。然后用连接在工具末端操纵 装置的适当光学系统把激光束聚焦成高能密度斑点并使聚焦光束平移 遍工件表面，以迅速熔化和凝固镀覆金属、合金或金属-合金复合材料粉 末。被传输的激光功率和聚焦斑点直径可以改变，以在工件表面产生能 表面加热该表面的功率密度。激光能量的精确控制允许在一遍通过中精确沉积0.0001 ~0.080英 寸的涂层厚度。激光镀覆层是冶金粘结在基底上的不渗透涂层，以及通 过涂布金属、合金或金属-合金复合材料粉末与基底的互混所造成的稀释 作用常控制到低于5%。由于激光镀覆工艺的输入热量少以及工件表面 的表面加热，带涂层部件的畸变最小而且基底内的金属学变化可忽略不 计。本发明的方法使用产生由约300~约10,600 nm波长构成的激光束 的激光器，以产生对基底表面的表面加热，其不会产生焊接引起的损伤 或开裂。在实践本发明中所用的激光器是本领域已知的。例如，激光器产生 用于镀覆操作中所用的激光束。在典型方法中，激光通过包括光纤材料 在内的光束制导、通过镜子，通过聚焦透镜而导向。然后激光撞击到工 件上。光束制导、镜子和聚焦透镜之类的部件都是激光镀覆领域内已知 的零件。金属、合金或金属-合金复合材料粉末可以靠粉末喂料器提供。 该粉末可通过粉末喂料喷嘴喂到工件上。激光系统的其它典型部件可包 括摄影机和视频监视器。工件一般夹持在工作台上。镀覆系统也可以用控制器或计算机数控定位系统。控制器可调配系 统的部件。如本领域所知，控制器也可包括数字成像系统。控制器制导 激光和粉末喂料扫移过工件表面。在一个实施方案中，工件在XY平面 内的移动可以通过工作台的移动而实现。上下移动或Z向移动可以通过 控制激光臂实现；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个方向上的移动。通过使用控制器，可以制导激光以选定的移动图案移过工件表面。 激光可跟踪沿工件表面的缝合图案。缝合之间的间距可以在约0.020英 寸~约0.028英寸范围内。优选地，相继缝合之间的间距要使缝合间无 可观的或尽量少的未融化区。此外，激光在转角处的移动可以是渐变或 弯曲移动，从而可以避免在从一个方向上的缝合移到另一方向上的缝合 时熔化材料过度堆积。其它激光缝合技术是本领域已知的且可应用于本 发明的方法。适用于本发明的激光系统可优选包含粉末喂料器，以便沉积通过喷 嘴排放的粉末金属。在优选实施方案中，激光镀覆系统采用与粉末喷嘴 离轴的布置；即粉末喷嘴的排放轴不同于激光本身的轴向调准。粉末排 放的优选速率在约0.01-0.10 g/s范围内。金属粉末的排放可以是控制器的另一部分。在激光镀覆系统中排放的粉末可以是金属、合金或金属-合金复合材 料粉末。激光镀覆工艺中所用的粉末应该与基底相容。适用于本发明的 示例性金属、合金或金属-合金复合材料粉末包括钴-基高温合金和镍-基 高温合金。优选的金属、合金或金属-合金复合材料粉末包括钴-铬-碳化物和镍-铬-铅。优选地，该粉末的尺寸为约100~ 300目，优选约120~ 270目，正如粉末的筛网尺寸所测量。金属、合金或金属-合金复合材料 可以，也可以不，与硬质金属间化合物如碳化鴒和碳化铬的颗粒共混。适用于本发明的镀覆材料可以是金属、合金或由陶瓷和金属间化合 物、碳化物、硼化物、氮化物等组成的金属-合金复合材料。陶瓷和金属 间化合物的加入量可以为2~80%，取决于具体应用和要求。加在金属 和合金中的化合物的颗粒尺寸可以随所需溶解的量而变。为较少的溶 解，用较大的颗粒，而为较多的溶解，用较小的颗粒。用来形成激光镀覆层的优选金属、合金或金属-合金复合材料粉末包 含以wt。/。计的下列组分约5-20的碳、约20~40的铬、约0~5的 纟臬、约0 5的纟失、约0 25的钼、约0~25的鵠、约0~3的-圭、约0~ 3的硼，其余是钴。本发明的钴-基合金含约20~40 wtQ/。的铬是有利的， 除非另有说明，在本说明书中所给出的所有组成都以wt。/o表示。铬为钴 基体提供耐氧化性和一些额外的对氧化作用的抵抗力。约3 ~ 20 wt。/。的鴒和钼的总加入量可提高合金的耐硫化性。这一点 对保护高温腐蚀性应用中所用的铜和铜基合金设备，如与冶金容器的喷 枪、喷嘴和风嘴相关的那些部件，尤其重要。在熔炼和加工中产生的高 温下，铜注射设备与二氧化硫迅速反应，形成有害的CuS。因疏化引起 的密度变化常造成陶瓷涂层剥落。此外，陶瓷涂层一般都倾向于含有渗 透陶乾涂层的孔和裂紋。涂层中的这些缺陷提供了严重裂隙腐蚀的场 所。因这些原因，涂层最好含至少2%的钨或钼，以增加合金的耐疏化 性 此外，把铁和镍含量限制到低于5%也可能有用，因为每种这些元 素可倾向于降低耐硫化性。把这些元素保持在工业实践那样低的水平上 可提高合金的耐硫化性。为增强镀覆层，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蚀性。金属、合金或金属-合金复合材料粉末的典型组成包含，以wt。/。计，约5 20的碳、约20~40的铬、约0~5的镍、约0~5的铁、约0 ~ 25 的钼、约0~25的鵠、约0~3的硅、约0 3的硼，其余是钴。优选金 属、合金或金属-合金复合材料粉末包含约20~约90 wt。/。的钴-铬-碳化 物；以及其余是，以wt。/。计，基本由如下成分组成的合金组分约1~ 约25的鵠、约2~约12的*臬、0~约7的铜、0~约5的钼、约0.1~约 15的锰、0~约1.5的铌和钽、0~约1.2的钛、0~约2.0的铝、以及约 0.1 ~约2的硅，其余是铁(Fe)。另一种示例性的金属、合金或金属-合金复合材料粉末包含，以wt% 计，约10-30的铬、约1 ~ 10的钼、约1 ~ 10的铝、约1 ~ 10的铁、 约1 ~ 10的钽、约0~5的猛、约0 5的4太、约0-5的碳、约0~3的 硼、0~3的锌，其余是镍。优选金属、合金或金属-合金复合材料粉末包含约20 ~约卯wt。/o的 镍-铬-铝；以及其余是，以wt。/。计，基本由以下成分組成的合金组分 约〗~约25的鎢、约2~约12的钴、0~约7的铜、0~约5的钼、约 0.1 -约1.5的猛、0~约1.5的铌和钽、0~约1.2的钬、0~约2.0的碳 和约0.1""约2的硅，其余是铁(Fe)。镀覆操作随激光和粉末喂料橫向移过工件表面而进展。镀褒工艺的 优选线速度可以在约5 ~约15英寸/min之间。操作期间的激光功率可以 在约100~约500瓦之间。激光镀覆可以被限制在工件上接受激光加热 效应的区域。因此，在优选实施方案中，镀覆面积在约0.001 ~约0.010 英寸2(0.0064516 ~ 0.064516 cm"范围内。限制镀覆面积会减少因镀復操 作而在工件内出现热引发微裂紋的可能性。在所迷基底上激光镀復的金 属、合金或金属-合金复合材料的厚度可以在约0.001英寸~约0.10英寸 范围。也可以实现面积超过0.001 ~ 0.010英寸2的镀覆。这类较大面积的镀覆法包括一系列分立的激光镀覆操作。每一个单独的镀覆步骤包含对工件上约0.001 ~约O.OIO英寸2面积范围内的激光镀覆操作。用工件上可接受的粉末熔化，该面积上的镀覆将实现成功的激光熔化。在已镀覆 一个单独区后，允许其冷却。冷却时，贴紧第一区的第二邻区可接收激 光熔化操作。以这种方式，可以进行一个个激光熔化操作，以实现整个 所需尺寸面积上的激光熔化。虽然激光镀覆操作可适应于其它类工件，但它是为高温腐蚀应用中所用的部件，如与冶金容器的喷枪、喷嘴和风嘴等相关的那些部件的特 定应用所设计和预定的，为的是延长它们在如此恶劣条件下的使用寿命。应该理解，所述方法无需按所述的顺序进行，而本说明书仅是一种 方法的举例。首先要鉴定适用的工件。工件的检查确认该工件是适用于 镀覆的侯选对象。该工件不应存在高温-腐蚀应用，如与冶金容器的喷枪、 喷嘴和风嘴等相关的那些应用而不合格的机械缺陷和其它损伤。该工件 可以经预镀覆操作，以制成适用于镀覆的工件。在一种实施方案中，工件接受喷砂/抛光处理。喷砂/抛光除去干扰 激光镀覆的材料，如腐蚀、杂质堆积和来自工件表面的污染。然后，用 控制器的数控系统确认工件的镀覆路径。使用通过摄影机的数字成像， 控制器记录来自工件的表面和尺寸数据。操作者通过控制器把镀覆路径 参数输入。输入如镀覆路径几何或"缝合"、距离和线速度等参数。也要 输入有关镀覆的信息，如激光功率和粉末喂料速率，以实现工件表面的 表面力口热。在这些准备性步骤之后，开始激光镀覆。先进行第一遍沉积。然后， 如必要，通过重复步骤重复一系列材料沉积步骤。在第一遍沉积中，激 光镀覆工艺把一层金属、合金或金属-合金复合材料粉末沉积到基底表面上。该沉积厚度为约20%。~约30%。英寸。工件相对于激光的移动速率 取决于所需的沉积厚度，但可以用约5~约15英寸/min的速率范围。在 第一遍镀覆结束时，控制器将检查镀覆沉积的厚度，如果材料的堆积少 于所要求的，则进行第二遍镀覆。虽然一遍镀覆可能足以沉积所需厚度 的材料，但也有可能需要多遍才达到所需尺寸新沉积材料的情况。以这 种方式， 一系列镀覆遍数可堆积所需厚度的新沉积金属、合金或金属-合金复合材料粉末。当数字观察器确定已达到材料厚度即所需极限时， 就停止镀覆u然后加工该工件，使之回到所要求的构型和尺寸。粉末金属、合金 或金属-合金复合材料的沉积可造成不均匀的表面。机械加工回复到所需 尺寸的均匀表面。同样，为保证基底表面上不留下空隙或凹坑，可能需 要过度沉积材料。可以用已知的机加技术来除去过量的镀覆材料。后镀覆步骤还可包括为实现应力释放的热处理之类的程序。后-镀覆 处理可包括表面淬火/用材料抛光。所公开的激光镀覆法的主要优点在于，利用由约300 ~约10,600 nm 波长构成的激光束允许对基底表面进行表面加热。用这种激光允许对基 底表面和粉末金属、合金或金属-合金复合材料的充分加热以在基底与金 属、合金或金属-合金复合材料之间形成熔融结合。但因热量在表面上且 非常集中而避免了在其它镀覆技术中所遭遇的开裂和损伤。对于在高温 -腐蚀应用，如与冶金容器的喷枪、喷嘴和风嘴相关的那些应用中所用的 铜和类似材料，基底与新材料之间的熔结程度和镀復硬度，对延长它们 在如此恶劣条件下的使用寿命非常理想。在所有情况下，在整个喷涂过 程中，必须很小心，以确保表面不变成过热和造成基底畸变。在小零件 上，为消除过热，可以在零件上吹压缩空气或冷却气体以利于冷却。本方法的另 一个优点是激光熔融操作可以只消耗少量粉末状金属、 合金或金属-合金复合材料。适用于本发明的激光能有效地粘结粉末合金 与基底材料而很少有粉末废料。这就实现了材料上的成本节省。在现有技术中，在风嘴上的焊接表面涂层是用熔点与铜类似的合金制成的，它们较软，对磨耗/磨蚀和二氧化硫(S02)侵蚀几乎不提供抵抗力。用本发明的激光镀覆技术，可镀覆更硬和熔点更髙的材料。如下文讨论，可以用镀覆表面涂层作为热喷陶乾涂层的底涂层以防止涂层因受S02侵蚀通过基底的裂隙腐蚀而剥落。喷枪头和喷嘴可以镀覆重涂耐S02的合金，不论有无热镀覆陶瓷涂层。铸造机模板可镀覆耐热合金，消除与镀硬铬中因出口端保护渣(mold flux)溶解在喷射冷却 水中而裂开弯液面和铜的裂隙腐蚀所引起的剝落问题。保护渣主要是熔 盐和氧化物的混合物，它们在模具中冷冻时附着在平板表面。在一种实施方案中，可以在激光镀覆底层上覆盖陶瓷氧化锆-基层。 有利地，氧化锆-基层选自下列一组氧化锆、部分稳定化氧化锆和完全 稳定化氧化锆。最有利地，该层是部分稳定化氧化锆，如氣化钙、铈土 或其它稀土氧化物、氧化镁和氧化钇稳定化的氧化锆。最优选的稳定刑 是氧化钇。尤其用氧化钇部分稳定化的氧化锆提供优良的耐热性和耐渣 /金属粘结性。氡化锆-基陶瓷层的密度至少为约80%可能是有利的，以限制热酸 性气体对底层的腐蚀效应。最有利地，其密度为至少约90%。陶壳层上可覆盖任选的表面层并包含耐热和耐热蚀的碳化物或硼 化物涂层。该表面盖覆材料可以是任何耐热的硼化或碳化铬，如CrB、Cr3C2、 Cr C3或Cr23C6。该涂层可以是純碳化物/硼化物或在耐热的钴或 镍-基高温合金的合金基体内。各层的厚度可随应用和使用环境而变。有利地，各层的厚度在约 0.002 ~约0.04英寸之间。等离子体、HVOF和引爆枪及Super D-GunTM 技术对底涂层和任选的表面涂层都有效。但由于HVOF不足以熔化氣化 锆-基粉末，所以氧化锆-基陶瓷涂层只可用等离子体、引爆枪或Super D-GunTM工艺涂布。氧化锆-基涂层优选用引爆枪或Super D-GunTM设备以热喷涂法沉积 在注射设备，如风嘴、喷枪或喷嘴的镀覆表面上。因此要把表面盖復材 料颗粒加热到高温并加速到高速(Super D-Gun是Praxair Surface Technologies, Inc. 的商标)。 最有利地，颗粒速度，对于引爆枪沉积，大于约750 m/s,而对于Super D-GunTM沉积，大于约1000m/s。提高颗粒速度，能 改善涂层与注射设备之间的结合和粘合。虽然目前并不优选，但其它热喷涂或相关工艺，如高速氧基燃料、 高速空气燃料和冷镀覆，是可行的，如果它们能产生足够的颗粒速度和 颗粒温度。而且，用很高速(动能)代替有些颗粒的加热(热能)并仍能实现 注射设备涂层必要的所需微观结构特性是可能的。获得总涂层厚度的方法是，使枪或其它热喷涂设备相对于被涂布设 备的暴露表面橫向移动，从而产生精确的预定图案的搭接颗粒附聚物。 更具体地，当用引爆枪或Super D-Gun时，沉积在注射设备至少一个镀 覆表面上的每个圓形颗粒附聚物形成厚度小于约25 nm和直径为约15 mm ~ 35 mm的涂层部分。该方法在喷枪、喷嘴或风嘴的部分或全部镀覆表面上形成涂层。它 尤其涉及在风嘴或其它气体喷射设备的镀覆表面上沉积预定厚度的涂 层。优选本方法用热喷涂设备来涂布注射设备的整个镀覆表面。激光镀覆和任选的表面淬火工艺的固有灵活性可适应部件几何的 大多数变量以获得理想尺寸、形状和厚度的涂层沉积。单熔珠(bead) 可沉积在宽为0.060英寸~ 〉2.000英寸的范围内以及镀覆沉积可以增 加层数来涂布到任何所需的厚度。对于宽表面积，平行的镀覆沉积熔珠 要涂布到足以搭接或关联(tie-in)，以保证均匀的涂层厚度。对于平而 大曲率表面，涂布合金要在橫向移动的激光束前沿不断喂料，但对于非 水平或小曲率表面，粉末喂料可以用喷射器喷嘴以高压惰性栽气直接注射进熔体熔化区。虽然激光镀覆属视线加工法，但可以用专用光学构型 来对空心圆柱体内表面之类较不易进入的区域涂布到相当深度。用激光镀覆和表面淬火工艺涂布的涂层在冶金学上比用传统电孤镀覆工艺，如气体-金属-弧(GMAW)、埋弧(SAW)和转移等离子弧(PTA) 涂布的涂层好得多，主要是因为热量输入少和稀释作用小。激光涂层具 有对经受恶劣操作环境的部件非常重要的出色机械性能(硬度、韧性、延 展性、强度)和更高的耐磨、耐蚀和耐疲劳性。而且，激光镀覆技术的执 行可以对传统涂布法，如铬电镀，提供替代解决办法。对于涉及空隙腐 蚀、颗粒沖击腐蚀、热腐蚀、滑动磨损和热(低周)疲劳的应用来说，已 观察到激光镀覆或涂层性能超过传统镀覆层或涂层的优越性。在一种实施方案中，YAG-产生的激光束可被导向拟涂布零件的表 面，提供把表面盖覆材料熔化和熔结到铜基底上所必要的能量。可以用 不同类型的YAG激光器发射波长为约700 ~ 1060 nm的光。镀覆材料可 原位喂进熔体池或在激光加工之前预置到基底表面上。产生镀覆层的方 法可以是使激光束在基底表面上作相对移动。可以用惰性保护气体，如 氦气或氩气，来保护熔体池免受周围气氛的影响。拟涂布基底可以在激 光加工前或激光加工期间加热，以减少激光功率要求并改善基底与表面 盖覆材料之间的熔结。镀覆基底可经受进一步加工，如抛光。实施例激光镀覆工艺用Nd:YAG激光器进行。工艺参数如下所列。把表面 盖覆材料注射进熔体池。制导激光束移过零件表面，产生焊珠。镀復以 一定指数使各焊珠搭接产生镀覆层。然后抛光镀覆层。图l示意按照本 实施例涂布到铜基底上的CoCrC涂层的Nd:YAG激光镀覆表面。图2 示意按照本实施例涂布到铜基底上的CoCrC涂层的Nd:YAG激光镀覆 和抛光表面。基底金属铜(Cu)表面盖覆材料CoCrC合金激光器Nd:YAG,抽吸二极管，纤维传输最大输出功率为5 kW 所用的激光功率4kW 激光斑尺寸直径约3mm。 表面速度250 ~400 mm/mm指数1.5 mm 粉末喂料速率6g/min 零件温度800。F本公开方法的其它变量都在如下权利要求所述的本发明的规定范 围内。如前所述，本文公开了本发明的详细实施方案，但应理解，所公 开的实施方案仅是可以多种形式实施的本发明的举例。
权利要求
1.一种把高熔点材料涂布到基底上的方法，所述基底的熔点温度低于高熔点材料的熔点温度，该方法包括(a)将激光器产生的激光束移遍所述基底的表面，所述激光束由约300～约10,600nm的波长构成；(b)把金属、合金或金属-合金复合材料粉末供至所述基底的表面；和(c)使激光具有足够的能量，以对所述基底进行表面加热并实现金属、合金或金属-合金复合材料粉末与所述基底表面之间的熔融结合。
2.权:要求1的方;去，其中所i^敫光束i由约1060 nm或更短的波长抅成。
3.权利要求1的方法，其中所述激光束由约700~约1060 nm的波长构成。
4. 权利要求1的方法，其中所述激光器对所述基底进行表面加热而 不畸变所迷基底。
5. 权利要求1的方法，其中提供所述金属、合金或金属-合金复合材 料粉末的步骤包括通过其轴向调准不同于激光器轴向调准的粉末排放喷嘴提供粉末。
6. 权利要求1的方法，其中步骤(a)、 (b)和(c)以足以把所述高熔点材 料涂布到所述基底上的任意顺序进行。
7. 权利要求1的方法，其中金属、合金或金属-合金复合材料粉末包 含钴-基高温合金或镍-基高温合金。
8.权利要求1的方法，其中金属、合金或金属-合金复合材料粉末包 含，以wt。/。计，约5 20的碳、约20~40的铬、约0~5的镍、约0~5 的铁、约0-25的钼、约0 25的钨、约0~3的硅、约0~3的硼，其 余是钴。
9. 权利要求1的方法，其中金属、合金或金属-合金复合材料粉末包 含，以wt。/o计，约10-30的铬、约1 ~ 10的钼、约1 ~ 10的铝、约1 ~ 10的4失、约1 ~ 10的钽、约0~5的锰、约0~5的4太、约0~5的碳、 约0~3的硼、0~3的锌，其余是镍。
10. 权利要求1的方法，其中所迷金属、合金或金属-合金复合材料 粉末是钴-铬-碳化物或镍-铬-铝。
11. 权利要求1的方法，其中在所述基底上的激光镀覆金属、合金或金属-合金复合材料的厚度为约0.001英寸~约0.10英寸。
12. 权利要求1的方法，其中所述基底是铜或铜-基合金。
13. 权利要求1的方法，其中所述激光器包括钕YAG激光器或激光二极管。
14.权利要求1的方法，其中所述基底包含选自下列一组的机械部 件高炉内的风嘴、氧气顶吹转炉内的喷枪头、电弧炉内的喷嘴和连续 板坯连铸机的模板。
全文摘要
本发明涉及高温-腐蚀应用中所用的部件，如与冶金容器的喷枪、喷嘴和风嘴相关的那些部件的激光镀覆，以延长它们在如此恶劣条件下的使用寿命。本发明尤其涉及把高熔点材料涂布到基底上的方法，所述基底的熔点温度低于高熔点材料的熔点温度，该方法包括(a)将激光器产生的激光束移遍所述基底的表面，所述激光束由约300～约10,600nm的波长构成；(b)把金属、合金或金属-合金复合材料粉末供至所述基底的表面；和(c)产生足够的功率至激光，以对所述基底进行表面加热并实现金属、合金或金属-合金复合材料粉末与所述基底表面之间的熔融结合。
文档编号C23C24/00GK101228295SQ200680026703
公开日2008年7月23日 申请日期2006年6月20日 优先权日2005年6月20日
发明者H·H·福库巴亚什, R·C·加斯曼 申请人:普莱克斯S.T.技术有限公司