一种激光制造与再制造热顶结晶器铜板的功能层合金材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种激光制造与再制造热顶结晶器铜板的功能层合金材料及其制备方法 (Functional layer alloy material for laser manufacturing and remanufacturing of hot top crystallizer copper plate and preparation method thereof ) 是由 倪春雷 陈海涛 董思远 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明属于激光熔覆和金属复合板材料领域,具体涉及一种激光制造与再制造热顶结晶器铜板的功能层合金材料及其制备方法。一种激光制造与再制造热顶结晶器铜板的功能层合金材料,由以下质量百分数的组分组成：C：0.01%～0.08%,Cr：18.0%～22.0%,Mo：3.3%～8.0%,Nb：3.0%～5.0%,Al：0.01%～0.4%,Ti：0.4%～1.0%,Mn：0.2%～0.5%,Co：0.01%～1.0%,P：0.01%～0.08%,Ta：0.01～0.5%,Ni余量。本发明提供一种激光制造与再制造热顶结晶器铜板的功能层合金材料,并用激光熔覆的方法将低导热系数镍基功能层合金材料制备在铜板的弯月面处,从而达到降低弯月面处的导热能力,实现热顶结晶器的目的,解决连铸裂纹的问题。(The invention belongs to the field of laser cladding and metal composite board materials, and particularly relates to a functional layer alloy material for laser manufacturing and remanufacturing a hot top crystallizer copper plate and a preparation method thereof. A functional layer alloy material for laser manufacturing and remanufacturing of a hot top crystallizer copper plate comprises the following components in percentage by mass: c: 0.01% -0.08%, Cr: 18.0% -22.0%, Mo: 3.3% -8.0%, Nb: 3.0% -5.0%, Al: 0.01% -0.4%, Ti: 0.4% -1.0%, Mn: 0.2% -0.5%, Co: 0.01% -1.0%, P: 0.01% -0.08%, Ta: 0.01-0.5% and the balance of Ni. The invention provides a functional layer alloy material for laser manufacturing and remanufacturing a hot-top crystallizer copper plate, and a low-thermal conductivity nickel-based functional layer alloy material is prepared at a meniscus of the copper plate by using a laser cladding method, so that the heat conductivity at the meniscus is reduced, the purpose of realizing a hot-top crystallizer is achieved, and the problem of continuous casting cracks is solved.)
技术领域
本发明属于激光熔覆和金属复合板材料领域，具体涉及一种激光制造与再制造热顶结晶器铜板的功能层合金材料及其制备方法。
背景技术
板坯连铸结晶器是板坯生产设备中的核心，具有钢水净化的功能，并且与铸坯表面的缺陷有直接关系。对于连铸生产的包晶钢及高碳钢板坯在连铸过程中容易出现裂纹，其原因就与结晶器有密切关系。
产生裂纹的原因一方面，板坯在凝固包晶反应过程中的凝固收缩及相变转变过程中的线收缩造成收缩量大，使坯壳与铜板过早形成气隙，导致坯壳生长不均匀及收缩不均匀，在薄弱处形成应力集中造成裂纹；另一方面，铸坯很大程度上取决于弯月面处初生坯壳的均匀性，而初生坯壳的均匀性决定于弯月面处的热流密度和传热的均匀性。热流密度大，初生坯壳增长太快，会增加振痕深度，同时使坯壳提前收缩，增加了坯壳厚度的不均匀性。局部产生凹陷，组织粗化，产生明显的裂纹敏感性。
但通过降低结晶器在弯月面处的冷却强度能减轻初生坯壳的热应力，弱化一次冷却的不均性，提高坯壳生长的均匀度，减少裂纹的发生。但目前为了减少铜板弯月面处导热的方法很有限，主要有加保温装置或改变铜板的水槽结构，在铜板背面增加低导热合金层，如申请号为CN200620030695.9和CN200620030694.4的专利，以及增加铜板表面镀层厚度的方法，如申请号为CN201510655708.5专利，但这些方法存在限制传热能力有限，保温装置复杂，镀层结合强度不足的缺陷。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种激光制造与再制造热顶结晶器铜板的功能层合金材料，并用激光熔覆的方法将低导热系数镍基功能层合金材料制备在铜板的弯月面处，从而达到降低弯月面处的导热能力，实现热顶结晶器的目的，解决连铸裂纹的问题。本发明中所用功能层合金材料为镍基合金。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种激光制造与再制造热顶结晶器铜板的功能层合金材料，该合金材料包括以下质量百分数的组分组成：C：0.01%~0.08%，Cr：18.0%~22.0%，Mo：3.3%~8.0%，Nb：3.0%~5.0%，Al：0.01%~0.4%，Ti：0.4%~1.0%，Mn：0.2%~0.5%，Co：0.01%~1.0%，P：0.01%~0.08%，Ta：0.01~0.5%，Ni余量。
一种激光制造与再制造热顶结晶器铜板的功能层合金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、在距铜板上口50-400mm的范围内将铜板加工出深1.0-10.0mm倒角为15°~45°的待熔覆凹槽。
步骤2、制备功能层粉末：按照C：0.01%~0.08%，Cr：18.0%~22.0%，Mo：3.3%~8.0%，Nb：3.0%~5.0%，Al：0.01%~0.4%，Ti：0.4%~1.0%，Mn：0.2%~0.5%，Co：0.01%~1.0%，P：0.01%~0.08%，Ta：0.01~0.5%，Ni余量的质量分数配置功能层粉末，用功能层粉末进行打底熔覆，熔覆厚度0.3-0.8mm，包括倒角。
步骤3、选用光纤输出激光器进行铺粉或送粉多层扫描熔覆，单层熔覆厚度控制在0.7-2.0mm直到高于铜板基材0.5-1.2mm。
步骤4、熔覆后按图纸加工至成品。
进一步地，所述步骤3的熔覆工艺为：激光功率密度300W/mm2~450W/mm2，扫描速度：800~1500mm/min，搭接率：50%，保护气氛：氩气，熔覆过程中控制熔池及熔池半径300mm范围内氧含量小于500ppm。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下。
（1）通过调整熔覆厚度的方式调整弯月面处的导热能力，从而实现根据现场需求实调整导热能力的要求，冶金结合结合的熔覆层不会在使用过程中出现剥落的现象。
（2）该镍基合金的合金度较高导热率小于15W/m·℃熔覆，而且激光熔覆成型良好，可以实现多层熔覆并且没有裂纹产生。
（3）机加的凹槽处倒角为15°~45°保证在激光熔覆过程中使倒角根部变成圆角避免应力集中，导致在熔覆和使用过程中产生裂纹。
（4）由于加入了适当比例的Ta元素改善合金固溶体的塑性，提高合金抗热冲击能力，使铜板在后续的矫形及高温使用过程中不会造成熔覆层的开裂。
（5）合金中加入适当比例的Ti元素，利用Ti可以降低熔覆过程中保护气氛中的N，O含量，减少熔覆层内的反应气孔，同时形成的氧化物可作为异质形核剂质点细化晶粒，提高熔覆层的韧性，还可以提高熔覆层的耐磨性。而且Ti的加入可以使更多的Al固溶入基体，提高熔覆层的耐蚀性。
（6）适当P的加入可以提高合金高温抗蠕变能力，提高铜板在使用时的高温力学性能。
（7）可以使铸坯表面温度升高至少10℃以上。
附图说明
图1为激光制造与再制造热顶结晶器铜板加工后的示意图。（1-铜板基体，2-激光熔覆的打底层，3-激光熔覆的功能层）。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
一种激光制造与再制造热顶结晶器铜板的功能层合金材料，该合金材料包括以下质量百分数的组分组成：C：0.01%~0.08%，Cr：18.0%~22.0%，Mo：3.3%~8.0%，Nb：3.0%~5.0%，Al：0.01%~0.4%，Ti：0.4%~1.0%，Mn：0.2%~0.5%，Co：0.01%~1.0%，P：0.01%~0.08%，Ta：0.01~0.5%，Ni余量。
一种激光制造与再制造热顶结晶器铜板的功能层合金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、在距铜板上口50-400mm的范围内将铜板加工出深1.0-10.0mm倒角为15°~45°
的待熔覆凹槽。
步骤2、制备功能层粉末：按照C：0.01%~0.08%，Cr：18.0%~22.0%，Mo：3.3%~8.0%，
Nb：3.0%~5.0%，Al：0.01%~0.4%，Ti：0.4%~1.0%，Mn：0.2%~0.5%，Co：0.01%~1.0%，P：0.01%~0.08%，Ta：0.01~0.5%，Ni余量的质量分数配置功能层粉末，用功能层粉末进行打底熔覆，熔覆厚度0.3-0.8mm，包括倒角。
步骤3、选用光纤输出激光器进行铺粉或送粉多层扫描熔覆，单层熔覆厚度控制在0.7-2.0mm直到高于铜板基材0.5-1.2mm。
步骤4、熔覆后按图纸加工至成品。
进一步地，所述的熔覆工艺为：激光功率密度300W/mm2~450W/mm2，扫描速度：800~1500mm/min，搭接率：50%，保护气氛：氩气，熔覆过程中控制熔池及熔池半径300mm范围内氧含量小于500ppm。
实施例1。
（1）在距铜板上口60-100mm的范围内将铜板加工出深2.0mm倒角为45°的待熔覆凹槽。
（2）先用镍基合金进行打底熔覆，熔覆厚度0.5mm，包括倒角。
（3）选用光纤输出激光器进行铺粉或送粉扫描熔覆功能层合金粉末，C：0.08%，Cr：22.0%，Mo：8.0%，Nb：5.0%，Al：0.4%，Ti：1.0%，Mn：0.5%，Co：1.0%，P：0.08%，Ta：0.5%，Ni余量。单层熔覆厚度控制在1.1mm。熔覆工艺为：激光功率密度450W/mm2，扫描速度：1200mm/min，搭接率：50%，保护气氛：氩气，熔覆过程中控制熔池及熔池半径300mm范围内氧含量小于500ppm。
（4）熔覆后按图纸加工至成品。
实施例2。
（1）在距铜板上口60-120mm的范围内将铜板加工出深3mm倒角为30°的待熔覆凹槽。
（2）先用镍基合金进行打底熔覆，熔覆厚度0.6mm，包括倒角。
（3）选用光纤输出激光器进行铺粉或送粉扫描熔覆功能层合金粉末，合金成份按质量百分比计：C：0.05%，Cr：20.0%，Mo：5.0%，Nb：4.0%，Al：0.2%，Ti：0.6%，Mn：0.3%，Co：0.5%，P：0.05%，Ta：0.1%，Ni余量。单层熔覆厚度控制在1.5mm。熔覆工艺为：激光功率密度450W/mm2，扫描速度：1000mm/min，搭接率：50%，保护气氛：氩气，熔覆过程中控制熔池及熔池半径300mm范围内氧含量小于300ppm。
（4）熔覆后按图纸加工至成品。
实施例3。
（1）在距铜板上口50-150mm的范围内将铜板加工出深5mm倒角为15°的待熔覆凹槽。
（2）先用镍基合金进行打底熔覆，熔覆厚度0.8mm，包括倒角。
（3）选用光纤输出激光器进行铺粉或送粉扫描熔覆功能层合金粉末，合金成份按质量百分比计：C：0.01%，Cr：18.0%，Mo：3.3%，Nb：3.0%，Al：0.1%，Ti：0.4%，Mn：0.2%，Co：0.01%，P：0.02%，Ta：0.02%，Ni余量。单层熔覆厚度控制在2.0mm。熔覆工艺为：激光功率密度450W/mm2，扫描速度：800mm/min，搭接率：50%，保护气氛：氩气，熔覆过程中控制熔池及熔池半径300mm范围内氧含量小于100ppm。
（4）熔覆后按图纸加工至成品。
采用本发明的合金材料，经实施例制备的热顶结晶器铜板熔覆层与铜板基板的结合强度大于100Mpa，在线使用过程中不会出现熔覆层与铜基板起层剥落现象。该结晶器铜板下线总过钢量可达10万吨以上。