[发明专利]在低耐热基底上的激光镀覆

说明书

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、氧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氧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，二氧化硫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、Ni-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(浮渣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载荷加上细硬浮渣(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，：0～5wt％碳、20～40wt％铬、0～5wt％镍、0～5wt％铁、2～25wt％钼与钨之和、0～3wt％硅、0～3wt％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。

发明概述

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。激光对所述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，所述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10,600nm的波长构成；