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1、结晶器铜合金表面激光原位制备Ni基强韧耐磨梯度涂层的研究陈岁元目录1.绪论2.实验材料与研究方法3.激光原位制备单道熔覆涂层4.激光原位制备多道搭接梯度涂层5.激光原位制备梯度涂层的性能分析6.结论1.绪论图1.1连铸结晶器和结晶器铜管v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。v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。1.1研究背景1.绪论v结晶器铜板损坏失效的主要形式是磨损、热裂纹和热腐蚀。v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：Cu基体涂层界面没有形成冶金结合涂层表
2、面硬度低，耐磨性差1.2存在问题及研究现状强化层耐磨性较差，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。图1.2激光原位制备梯度涂层示意图SubstrateWorkinglayerTransitionLayersLaserbeam1.绪论v熔覆涂层与Cu基体之间为冶金结合界面，结合力高；v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；v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。1.3激光原位制备梯度涂层2.实验材料与研究方法ElementNiCoCrFeWMoSiCAlY2O3First
3、layerBal.5105212121SecondlayerBal.10155423221ThirdlayerBal.152010634321FourthlayerBal.2025108454212.1实验材料表2.1涂层中各层的成分（质量百分比%）（1）基体材料：某钢铁企业的结晶器实材铜铬合金，Cu、Cr的含量分别为99.22wt%和0.78wt%，（2）四层梯度涂层成分配比表2.1所示。2.实验材料与研究方法优化工艺参数（离焦量、电流、扫描速度）制备单道涂层多道搭接制备涂层第一、二层优化搭接率混粉涂置试样预处理显微组织分析显微硬度分析物相分析多道搭接制备涂层第三、四层摩擦磨损性能分析耐热冲
4、击性能分析2.2实验工艺流程2.实验材料与研究方法FocalpointScanningdirectionCladlayerPresetpowderFocusinglensLaserbeamSubstrate图2.1Nd:YAG激光制备熔覆涂层工艺示意图3.激光原位制备单道熔覆涂层3.1激光熔覆工艺参数的优化试样序号离焦量L(mm)光斑直径D(mm)电流I(A)功率P(W)扫描速度V(mms)能量密度E(Jmm2)a50.40200502.550.0b60.48200502.541.7c70.56200502.535.7表3.1离焦量L的优化3.激光原位制备单道熔覆涂层(a)(b)(c)图3.1
5、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能量密度大Cu稀释作用大组织均匀致密与基体结合良好熔池平坦能量不足3.激光原位制备单道熔覆涂层试样序号离焦量L(mm)光斑直径D(mm)电流I(A)功率P(W)扫描速度V(mms)能量密度E(Jmm2)a60.48175502.530.8b60.48200502.541.7c60.48225502.556.7表3.2电流强度I的优化图3.3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3.激光原位制备单道熔覆涂层图3.2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(a)175A(b)200A(c)22
6、5A(a)(b)(c)3.激光原位制备单道熔覆涂层试样序号离焦量L(mm)光斑直径D(mm)电流I(A)功率P(W)扫描速度V(mms)能量密度E(Jmm2)a60.48200501.569.4b60.48200502.052.1c60.48200502.541.7d60.48200503.034.7e60.48200503.529.8表3.3扫描速度V的优化3.激光原位制备单道熔覆涂层(a)(b)(c)(d)(e)图3.4不同扫描速度制备的单道熔覆涂层横截面组织形貌(a)1.5mms(b)2.0mms(c)2.5mms(d)3.0mms(e)3.5mms图3.5不同电流制备的单道熔覆涂层横截
7、面的显微硬度曲线3.激光原位制备单道熔覆涂层工艺参数脉冲频率(Hz)脉宽(ms)离焦量(mm)光斑直径(mm)电流(A)功率(W)扫描速度(mms)能量密度(Jmm2)数值15360.48200502.541.7表3.4优化后的脉冲激光单道熔覆各工艺参数3.激光原位制备单道熔覆涂层v单道涂层表面为等间隔分布的“波纹”状形貌；v单道熔覆层内相邻的脉冲激光束存在搭接区域。图3.6激光熔覆单道涂层的表面宏观形貌Lasermovingdirection图3.7脉冲激光单道熔覆工艺的简易模型LasermovingdirectionLaserspotdiameterMovingdistanceduring
8、eachpulseMovingdistancebetweentwoadjacentpulseThefirstmoltenpoolThesecondmoltenpool3.2单道涂层的宏观形貌和金相显微组织分析3.激光原位制备单道熔覆涂层v熔池与基体界面处，首先凝固形成平面晶组织；v凝固界面前形成较窄的成分过冷区，凝固相以柱状枝晶形式向熔池内生长；v熔池内部获得较大的过冷度T，通过均质形核形成了高密度的晶核，并迅速凝固，形成超细晶组织。图3.8脉冲激光单道熔覆层横截面的金相显微组织Single-trackcoatingCuSubstrate图3.9激光熔覆层中的典型组织形貌Ultra-fineg
9、rainColumnargrainFlatgrainCuSubstrate4.激光原位制备多道搭接梯度涂层v整个涂层组织致密完整，未见有任何明显的裂纹和气孔等缺陷，并与Cu基体结合紧密；v涂层的厚度大约在60m80m之间。4.1多道搭接梯度涂层第一层的制备图4.1多道搭接熔覆涂层的组织形貌Multi-trackcoatingCusubstrate图4.2多道搭接梯度涂层第一层横截面SEM形貌Multi-trackcoatingSubstrate4.激光原位制备多道搭接梯度涂层v处超细晶和柱状晶交替层状分布的组织形貌由于相邻的脉冲激光束在单道涂层内搭接形成的；v位置的柱状晶组织是由于相邻单道熔覆
10、涂层的搭接造成。图4.3梯度涂层第一层的显微硬度曲线(a)及显微硬度压痕照片(b)(a)(b)SubstrateCoating4.激光原位制备多道搭接梯度涂层v显微硬度沿基体至涂层方向逐渐升高；v最外层硬度达到了209HV，涂层的显微硬度约为基体的2倍。图4.4梯度涂层第一、二层的显微组织形貌SecondlayerFirstlayerSubstrate4.激光原位制备多道搭接梯度涂层v涂层内部无裂纹、气孔，与基体结合良好；v第二层内部出现了弥散分布的白色析出颗粒。4.2多道搭接梯度涂层第二层的制备4.激光原位制备多道搭接梯度涂层v析出颗粒尺寸细小，直径大多在1m5m之间，甚至有亚微米的颗粒；v
11、颗粒中Cr和C的含量分别为45.1wt%和13.7wt%，为高硬度的富Cr复合碳化物析出相。(a)(b)图4.5第二层熔覆层中析出相形貌及EDS成分分析图4.6一、二层涂层中主要元素的线扫描分析CuNiCoCrCFeWCu4.激光原位制备多道搭接梯度涂层4.激光原位制备多道搭接梯度涂层图4.7二层梯度涂层的XRD图谱多合金相共生结构图4.8梯度涂层第一、二层的显微硬度曲线(a)及显微硬度压痕照片(b)(a)(b)CoatingSubstrate4.激光原位制备多道搭接梯度涂层4.激光原位制备多道搭接梯度涂层v熔覆涂层表面呈光亮的银白色，且非常平整，未见任何宏观的表面裂纹、凸起、孔洞等缺陷。v具
12、有整齐均匀排列的“波纹”状形貌。图4.9梯度涂层的宏观形貌(a)(b)1mm4.3四层梯度涂层的制备InterfaceSubstrateThefirstlayerThesecondlayerThethirdlayerTheforthlayer图4.10四层梯度涂层截面的SEM形貌4.激光原位制备多道搭接梯度涂层v与基体呈冶金结合界面；v在组织形貌上实现了四层梯度变化。图4.11梯度涂层三、四层界面的SEM形貌ThethirdlayerFlatgrainTheforthlayerInterfaceColumnargrain4.激光原位制备多道搭接梯度涂层v梯度涂层各层之间的界面处同样符合平面晶柱
13、状晶超细晶这一凝固过程，各层之间也都形成了冶金结合的界面；v四层涂层内部观察到了较多的球状析出颗粒。4.激光原位制备多道搭接梯度涂层v四层涂层内部仍以超细晶组织为主；v富Cr和贫Cr的液相流凝固后产生了Cr的微观偏析。图4.12梯度涂层第四层的SEM形貌及EDS成分分析(b)bc(a)(c)4.激光原位制备多道搭接梯度涂层vNi元素在涂层内一、二层中含量最高，表层有了一定的下降；vCo、Cr和Fe元素沿基体至涂层表层的方向呈逐渐升高的趋势；vCu元素变得越来越少，到涂层表面处降到了极低的水平。NiCoCuCrWFe图4.13四层梯度涂层中各主要元素的面扫描分布图4.14四层梯度涂层的XRD图谱
14、4.激光原位制备多道搭接梯度涂层vNi、Co基体相；vCr-Ni-Fe-C、Ni4(WMo)、FeNi和Ni3Al合金相；v少量剩余的C单质相。图4.15四层梯度涂层的显微硬度曲线(a)及显微硬度压痕照片(b)(b)CoatingSubstrate4.激光原位制备多道搭接梯度涂层v四层梯度涂层的显微硬度呈出典型的梯度升高的趋势；v外层平均硬度达到了834HV，约为Cu基体硬度的8.3倍。图5.1Cu基体、梯度涂层不同磨损时间下的磨损失重曲线图5.2Cu基体、梯度涂层不同磨损转数时的摩擦系数曲线5.激光原位制备梯度涂层的性能分析v梯度涂层磨损量仅为Cu基体试块磨损量的约18；v涂层对摩擦副的摩擦
15、系数仅为Cu基体的12-13。5.1摩擦磨损性能分析5.激光原位制备梯度涂层的性能分析vCu基体表面粘着有大量的磨屑（箭头处），EDS分析表明其成分为Cu-Fe混合物，且Cu含量较高；vCu基体与碳钢摩擦副之间发生了典型的粘着磨损，粘着点位置由于粘着点处的剪切、撕扯作用留下了片状磨损形貌。(a)(b)(c)图5.3Cu基体磨损1小时后磨损面的SEM形貌照片(a)50(b)500(c)1000WeardirectionWeardirection图5.4Cu基体表面粘着磨屑的EDS能谱5.激光原位制备梯度涂层的性能分析(a)(b)(c)图5.5梯度涂层磨损1小时后磨损面的SEM形貌照片Weardi
16、rectionv涂层的摩擦面整体上较为平整；v磨损类型为涂层内部脱落的球形硬质颗粒产生的磨料磨损。123968754图5.6Ni-P化学镀试样250热震试验宏观形貌（1）原始形貌；（2）（9）热震18次后形貌5.激光原位制备梯度涂层的性能分析v镀层未出现明显的宏观裂纹、脱落等严重质量问题，表面光滑平整并与基体紧密结合；v试块表面产生了轻微的氧化现象。5.2耐热冲击性能分析(GBT5270-2005)5.激光原位制备梯度涂层的性能分析1235467891图5.7梯度涂层试样250热震试验宏观形貌（1）原始形貌；（2）（9）热震18次后形貌v梯度涂层的表观形貌未见明显变化；v试块表面受到轻微的氧化，颜色变深。5.激光原位制备梯度涂层的性能分析12345678图5.8Ni-P化学镀试样750热震试验宏观形貌（1）（8）热震18次后形貌图5.9Ni-P化学镀试样热震过程中剥落的氧化皮5.激光原位制备梯度涂层的性能分析18237645图5.10梯度涂层试样750热震试验宏观形貌（1）（8）热震18次后形貌v未见涂层有任何宏观的开裂
