结晶器铜板激光熔覆技术研究进展与应用综述

摘要：激光熔覆技术作为提升结晶器铜板表面性能的关键手段，在冶金连铸领域展现出显著优势。本文系统综述了国内结晶器铜板激光熔覆技术的研究进展，涵盖涂层材料体系创新、工艺参数优化、复合技术集成及专用装备开发等方面。重点分析了镍基合金、WC增强复合材料、二硼化钛增强合金等涂层材料的组织性能演变规律，探讨了数值模拟指导下的工艺窗口优化策略，总结了激光-电弧复合、熔覆-喷涂结合等新型复合工艺的技术特点。最后，展望了该技术向智能化、绿色化、高效化方向的发展趋势，为结晶器铜板表面强化与修复技术的进一步发展提供参考。

关键词：结晶器铜板；激光熔覆；表面强化；耐磨涂层；工艺优化

1. 引言

结晶器作为连铸机的核心部件，其铜板表面的耐磨性、耐热疲劳性和导热性直接影响到铸坯质量和设备寿命。传统电镀硬铬工艺存在环境污染、结合强度有限、易剥落等问题。激光熔覆技术以其能量密度高、热输入可控、冶金结合好等优势，成为替代传统工艺的有效手段。国内自21世纪初开展相关研究，经过二十余年发展，已在材料、工艺、装备等方面取得系列突破，部分技术实现产业化应用。

2. 涂层材料体系的发展与创新

2.1 镍基合金体系

早期研究集中于镍基自熔性合金（如Ni60），在铜基体上制备的熔覆层显微硬度可达1156HV，是基体（约100HV）的10倍以上，耐磨性能显著提升。东北大学曲聪凯的研究表明，优化后的Ni60熔覆层磨损量仅为铜基体的1/3，导热率保持在318.85W/(m·k)，兼顾了耐磨与导热需求。

2.2 增强相复合体系

为提升涂层高温性能，研究转向添加硬质颗粒增强相：

•        WC增强体系：Ni60+30%WC混合粉末熔覆层平均硬度达1113HV，耐磨性进一步提高。

•        二硼化钛增强体系：沈阳工业大学开发的TiB₂增强Ni60AA合金涂层，通过强化相弥散分布，提升了涂层红硬性和抗热疲劳性能。

•        Cr7C3增强Ni3Al体系：钢铁研究总院马成勇等研究的Ni3Al-35%Cr7C3合金，在扫描速度6mm/s时磨损量最低（0.42mg），展现出优异的高温耐磨性。

2.3 过渡层材料设计

为解决铜与涂层材料热物理性能失配问题，过渡层技术得到广泛应用：

•        纯镍过渡层：哈尔滨工程大学董增辉采用“铜基体+纯镍过渡层+强化层”结构，使结合强度达442.5MPa。

•        Ni-Ti合金过渡层：恒普激光通过植入Ni-Ti中间层，缓解热膨胀系数差异，提升界面结合强度。

3. 工艺优化与数值模拟

3.1 工艺参数窗口确定

通过数值模拟与实验验证相结合，研究确定了关键工艺参数的优化范围：

•        功率密度控制：激光功率≥2500W可保证熔池充分形成，实现冶金结合。

•        热输入管理：扫描速度≤4mm/s、光斑半径≤1.5mm的组合，可控制热影响区，减少基体变形。

•        预置层优化：预置粉末厚度0.3mm时，熔覆层连续均匀，缺陷率最低。

3.2 温度场模拟指导

华北理工大学李晓涵等通过有限元模拟结晶器铜板工作温度场，为熔覆材料选择和工艺制定提供理论依据，实现了“模拟先行、实验验证”的研发模式。

4. 复合技术与集成创新

4.1 激光-电弧复合技术

中冶堃元研究院开发的激光-TIG电弧复合工艺，利用激光精确预热、电弧高效熔覆的特点，依次制备过渡层和耐磨层，涂层硬度达925MPa以上，抗裂性显著改善。

4.2 熔覆-喷涂复合修复

北京首钢机电的复合修复工艺，先以激光熔覆制备底层保证结合强度，再用超音速喷涂制备面层提高耐磨性，实现了旧铜板的高质量修复。

4.3 梯度涂层制备

郑州大学苏科勇采用Nd:YAG激光器制备铁基梯度熔覆层，通过成分与组织梯度设计，缓解应力集中，提升涂层服役可靠性。

5. 专用装备与智能化发展

5.1 新型熔覆头设计

江苏智远激光开发的异焦蓝红激光复合熔覆头，结合蓝光对铜的高吸收率和红光的深熔能力，配合伴随红外激光预热，实现了铜表面高质量熔覆，解决了铜对红外激光高反射的技术难题。

5.2 智能化工艺控制

基于机器视觉的熔池在线监测、基于人工智能的工艺参数自适应系统开始应用于产业化生产线，实现熔覆质量的实时调控。

6. 专利技术布局与产业化

国内在该领域的专利布局密集，体现了技术创新的活跃度：

•        材料专利：涵盖铜钴合金、镍基复合粉末等新材料配方。

•        工艺专利：涉及梯度熔覆、复合修复、界面优化等新方法。

•        装备专利：包括专用熔覆头、送粉系统、过程控制装置等。

产业化方面，中冶赛迪、首钢机电、智远激光等企业已推出成套解决方案，修复后铜板寿命可达新板的80%以上，经济效益显著。

7. 技术挑战与发展趋势

7.1 现存挑战

•        涂层导热性保障：高硬度涂层与高导热性的平衡仍需优化。

•        大面积高效熔覆：如何提高熔覆效率、降低成本的工程化问题。

•        长期服役数据缺乏：实际连铸工况下的长周期性能数据不足。

7.2 发展趋势

1.      材料基因组学应用：通过计算材料学设计专用涂层材料，缩短研发周期。

2.      智能化增材制造：结合数字孪生、机器学习实现工艺自适应优化。

3.      绿色再制造深化：完善旧铜板修复标准体系，支撑循环经济发展。

4.      多功能涂层开发：兼具耐磨、耐蚀、防粘结、均匀传热的多性能涂层。

8. 结论

结晶器铜板激光熔覆技术经过多年发展，已从实验室研究走向工业化应用。在材料方面，从单一镍基合金发展到多元复合体系；在工艺方面，数值模拟指导下的参数优化提升了过程可控性；在装备方面，专用熔覆头的开发解决了铜表面熔覆的特定难题。未来，随着智能化、数字化技术的融合，该技术将朝着“精准设计、高效制备、智能调控、长寿命服役”的方向发展，为我国冶金装备的高质量发展提供关键技术支撑。

参考文献（部分）

1.      董增辉. 激光熔覆连铸结晶器强化层工艺与组织性能研究[D]. 哈尔滨工程大学, 2025.

2.      李晓涵, 李慧蓉, 等. 结晶器铜板镀层激光熔覆修复工艺及结合机制研究[J]. 连铸, 2025, 44(4): 1-9.

3.      马成勇, 董增辉, 等. 铜板表面激光熔覆Ni3Al基合金的组织与性能[J]. 粉末冶金工业, 2025, 35(1): 45-51.

4.      刘立夫, 等. 连铸结晶器铜板用激光熔覆强化耐磨涂层的制备方法: CN202511159928.9[P]. 2025-08-19.

5.      杨国哲, 等. 一种连铸结晶器铜板表面二硼化钛增强Ni60AA合金涂层的制备方法: CN119387516B[P]. 2025-10-21.

作者简介

江苏智远激光装备科技有限公司成立于2015年，是国家级高新技术企业，专注于激光加工"工艺+设备+服务"一体化解决方案，拥有14项发明专利、33项实用新型专利和1项软件著作权，荣获2024年度北京市科学技术发明二等奖、2024年度中国电子学会科学技术发明二等奖、2025年国际有色金属新材料大会优秀科技成果奖 等荣誉。