專利名稱：連鑄結(jié)晶器銅金屬表面涂層的一種新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以在連鑄結(jié)晶器銅金屬表面熔覆一層其他金屬涂層，從而獲得高結(jié)合力表面改性涂層的新方法和裝置。該方法采用高峰值功率的脈沖激光，特別適合在銅鋁等高導(dǎo)熱金屬表面進行金屬熔覆；該方法實施簡單、價格便宜、適合大量應(yīng)用。

背景技術(shù)：
很多情況下我們要求對金屬工件的表面進行改性，使金屬工件表面具有與工件本體不同的特性，例如在普通鋼材表面涂覆一層其他金屬材料，使工件具有耐磨、耐腐蝕或耐高溫的性能。在鋼材表面涂覆這樣的涂層技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，一般有電鍍、噴涂和焊接熔覆技術(shù)等方法。
但對于銅或鋁這類高導(dǎo)熱和低強度金屬表面的涂層技術(shù)卻相對比較困難。由于這類金屬的高導(dǎo)熱特性，以加熱為基礎(chǔ)的焊接熔覆技術(shù)很難實現(xiàn)，因為基體材料導(dǎo)熱太快很難達到熔化的程度。同時由于這類金屬往往強度比較低，因此噴涂技術(shù)也很難實現(xiàn)，因為噴涂上去的金屬顆粒很難被強度低的基體把持住。這樣這類金屬的表面改性技術(shù)往往只能采用電鍍技術(shù)，但電鍍技術(shù)的缺陷也是很明顯的，特別是當(dāng)涂層要求有一定厚度時電鍍技術(shù)的涂層很難獲得高強度。這類金屬表面涂層技術(shù)往往是一個科學(xué)難題。
銅鋁這類金屬表面有往往需要很好的涂層技術(shù)，例如冶金企業(yè)鋼胚連鑄生產(chǎn)線上使用的連鑄結(jié)晶器。連鑄結(jié)晶器的作用是冷卻鋼水，所以要求采用具有高導(dǎo)熱性的純銅，但由于鋼水冷卻成鋼胚后要從結(jié)晶器表面通過，因此對結(jié)晶器表面有磨損，但純銅的硬度很低不耐磨損，就要求在導(dǎo)熱性能極好的純銅表面涂覆能夠耐磨的表面涂層，從而使結(jié)晶器既保持純銅的高導(dǎo)熱性，又能夠保證在鋼胚通過使不被快速磨損，表面涂層的目的就是提高純銅的表面硬度。
目前該部件表面的涂層通過電鍍的方法制備。例如典型的工作面鍍鎳鐵合金的鉻鋯銅質(zhì)結(jié)晶器，基體是鉻鋯銅板，表面鍍鎳鐵合金。具有電鍍層的結(jié)晶器比無鍍層結(jié)晶器使用壽命大大提高。目前最新的技術(shù)是在電鍍的基礎(chǔ)上進一步通過噴涂技術(shù)將鎳鉻等合金涂鍍在結(jié)晶器表面，使用壽命進一步提高。雖然通過目前的表面涂鍍技術(shù)已經(jīng)能夠大大提高結(jié)晶器壽命，但由于目前涂鍍技術(shù)結(jié)合強度不高，容易出現(xiàn)“掉塊”剝落，影響使用壽命和鋼胚質(zhì)量。
本發(fā)明提出一種可以在銅鋁等高導(dǎo)熱金屬表面熔覆一層其他金屬涂層，從而獲得高結(jié)合力表面改性涂層的新方法和裝置。該方法采用高峰值功率的脈沖激光，特別適合在銅鋁等高導(dǎo)熱金屬表面進行金屬熔覆；該方法實施簡單、價格便宜、適合大量應(yīng)用。
本發(fā)明的基本原理是將待熔覆金屬粉末(可以是單一金屬或合金)、薄片或細絲，置于銅或鋁等金屬本體表面，利用高峰值功率的脈沖激光束照射金屬表面，將待熔覆金屬和銅或鋁等金屬本體表面同時熔化，當(dāng)激光脈沖結(jié)束后待熔覆金屬與銅或鋁等金屬本體表面形成冶金結(jié)合熔覆。每一個激光脈沖能夠形成的熔覆點很小也很薄，但重復(fù)上述的操作可以形成一個大面積的薄層熔覆層，在這個熔覆薄層上重復(fù)操作，可以形成所需一定厚度的熔覆層，控制每一層的平面截面形狀，所有這些截面形狀的組合可以形成具有一定的立體形狀的熔覆層。
本發(fā)明的核心是采用脈沖激光束。采用脈沖激光器的原因是脈沖激光束照射將待熔覆金屬和銅或鋁等金屬本體表面同時熔化后，在待熔覆金屬還沒有收縮之前激光脈沖就結(jié)束，沒有收縮的待熔覆金屬均勻地凝固于金屬本體表面。如果采用連續(xù)激光，實驗證明要使銅鋁等高導(dǎo)熱金屬表面熔化，必須要求很高的激光功率；另外即使能夠獲得這么高的激光功率，當(dāng)激光照射使金屬表面熔化使，同時也使周圍的待熔覆金屬熔化，這些熔化的待熔覆金屬自然地收縮于激光束中心，結(jié)果是待熔覆金屬很難均勻地覆蓋于銅鋁等高導(dǎo)熱金屬表面，往往是形成一些分離的顆粒，無法形成熔覆層。
脈沖激光束可以是固體的YAG脈沖激光，也可以是其他具有高輸出功率的脈沖激光系統(tǒng)，例如CO2激光器、氬離子激光器、自由電子激光器等。
當(dāng)采用脈沖激光進行熔覆時，最難熔覆的是直接與基體金屬材料結(jié)合的第一層。第一層熔覆上去之后的其他層實際上是待熔覆材料自身的熔覆，相對更簡單一些；當(dāng)熔覆層有一定厚度后，甚至可以采用連續(xù)激光進行后續(xù)的熔覆。
采用脈沖激光熔覆的結(jié)果是一種完全冶金結(jié)合的涂層，涂層包括熔覆層、過渡層和基體組成，過渡層是熔覆材料和基體材料混合的結(jié)果，激光熔覆的過渡層較之采用其他熱源進行的焊接熔覆過渡層要薄很多。
采用脈沖激光熔覆的優(yōu)點還包括不會出現(xiàn)裂紋，原因是脈沖激光熔覆時基體的溫升很小，熱影響很小。


圖1是本發(fā)明的基本原理。
將待熔覆的合金粉末(2)置于銅或鋁材(1)表面，激光束(3)聚焦后照射在金屬表面，熔化后凝固形成熔覆點(4)，重復(fù)重疊熔覆的結(jié)果形成致密的大面積熔覆層。
圖2表示多層熔覆的結(jié)果形成具有所需厚度的熔覆層。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定，測量效率高。
只要激光脈沖能量和脈寬合適，本發(fā)明可以適用于將任意金屬熔覆于高導(dǎo)熱金屬表面。
典型的激光器可以使用固體YAG激光。典型的激光平均功率可以是幾十一幾百瓦，典型的激光脈沖是毫秒量級，這樣典型的激光峰值功率是幾千到幾十千瓦。當(dāng)然采用更高的激光功率有助于提高熔覆速度。
具體實施裝置 本發(fā)明提供了可以在銅鋁等高導(dǎo)熱金屬表面熔覆一層其他金屬涂層的方法和裝置。
將待熔覆金屬粉末(可以是單一金屬或合金)、薄片或細絲，置于銅或鋁等金屬本體表面，利用高峰值功率的脈沖激光束照射金屬表面，將待熔覆金屬和銅或鋁等金屬本體表面同時熔化，當(dāng)激光脈沖結(jié)束后待熔覆金屬與銅或鋁等金屬本體表面形成冶金結(jié)合熔覆。
每一個激光脈沖能夠形成的熔覆點很小也很薄，將工件置于一個能夠水平運動的工作臺上。當(dāng)完成一個熔覆點后工作臺水平運動一個很小的距離，重復(fù)上述的熔覆操作就可以形成一個大面積的薄層熔覆層。熔覆層完成后，再置一層待熔覆金屬在前一層熔覆層上，同時工件向下運動一個薄層的距離，在這個熔覆薄層上重復(fù)熔覆操作，可以形成第二層熔覆層，重復(fù)操作就可以最終熔覆出所需一定厚度的熔覆層。
控制每一層的平面截面形狀，所有這些截面形狀的組合可以形成具有一定的立體形狀的熔覆層。
熔覆時也可以不是工件運動，而是激光束運動，只要工件和激光束之間實現(xiàn)相互運動就能夠?qū)崿F(xiàn)大面積熔覆。
權(quán)利要求
1.一種可以在連鑄結(jié)晶器銅金屬表面熔覆一層其他金屬涂層的方法，基本特征是將待熔覆金屬粉末(可以是單一金屬或合金)、薄片或細絲，置于連鑄結(jié)晶器銅金屬本體表面，利用高峰值功率的脈沖激光束照射金屬表面，將待熔覆金屬和銅金屬本體表面同時熔化，當(dāng)激光脈沖結(jié)束后待熔覆金屬與銅金屬本體表面形成冶金結(jié)合熔覆。重復(fù)上述的操作可以形成一個大面積的薄層熔覆層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述脈沖激光連鑄結(jié)晶器銅金屬表面熔覆方法，其特征是在前一個熔覆薄層上重復(fù)操作，可以形成新的熔覆層，直至所需一定厚度的熔覆層，控制每一層的平面截面形狀，所有這些截面形狀的組合可以形成具有一定的立體形狀的熔覆層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述脈沖激光連鑄結(jié)晶器銅金屬表面熔覆方法，其特征在于脈沖激光束可以是固體的YAG脈沖激光，也可以是其他具有高輸出功率的脈沖激光系統(tǒng)，例如CO2激光器、氬離子激光器、自由電子激光器等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述脈沖激光連鑄結(jié)晶器銅金屬表面熔覆方法，其特征在于當(dāng)熔覆層有一定厚度后，采用連續(xù)激光進行后續(xù)的熔覆。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述脈沖激光連鑄結(jié)晶器銅金屬表面熔覆方法，其特征在于將連鑄結(jié)晶器置于一個能夠水平和上下運動的工作臺上，實現(xiàn)工件和激光束之間實現(xiàn)相互運動通過自動控制系統(tǒng)自動實現(xiàn)大面積熔覆。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述脈沖激光連鑄結(jié)晶器銅金屬表面熔覆方法，其特征在于將連鑄結(jié)晶器不動，但激光頭能夠水平和上下運動，實現(xiàn)工件和激光束之間實現(xiàn)相互運動通過自動控制系統(tǒng)自動實現(xiàn)大面積熔覆。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述脈沖激光連鑄結(jié)晶器銅金屬表面熔覆方法，其特征在于將連鑄結(jié)晶器不同激光頭可以通過手持，實現(xiàn)工件和激光束之間實現(xiàn)相互運動通過手動實現(xiàn)大面積熔覆。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述脈沖激光連鑄結(jié)晶器銅金屬表面熔覆方法，其特征在于每一層熔覆的金屬可以不同，目的是使熔覆層的特性逐漸變化，形成過渡結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提出一種可以在連鑄結(jié)晶器銅金屬表面熔覆一層其他金屬涂層的方法，基本特征是將待熔覆金屬粉末(可以是單一金屬或合金)、薄片或細絲，置于連鑄結(jié)晶器銅金屬本體表面，利用高峰值功率的脈沖激光束照射金屬表面，將待熔覆金屬和銅金屬本體表面同時熔化，當(dāng)激光脈沖結(jié)束后待熔覆金屬與銅金屬本體表面形成冶金結(jié)合熔覆。重復(fù)上述的操作可以形成一個大面積的薄層熔覆層，在前一個熔覆薄層上重復(fù)操作，可以形成新的熔覆層，直至所需一定厚度的熔覆層，控制每一層的平面截面形狀，所有這些截面形狀的組合可以形成具有一定的立體形狀的熔覆層。
文檔編號C23C24/00GK101294282SQ20071005196
公開日2008年10月29日 申請日期2007年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月25日
發(fā)明者杜建偉, 陳培鋒 申請人:陳培鋒, 杜建偉