面向连铸结晶器强化的蓝光-红外复合激光熔覆镍基WC梯度涂层研究--基于异焦蓝光先导与伴随红外熔覆的装置设计

摘要

为攻克连铸结晶器铬锆铜基体表面熔覆异种高耐磨涂层时存在的激光吸收率低、结合强度不足及涂层易开裂等关键技术瓶颈，本文提出了一种基于“异焦蓝光先导-伴随红外熔覆”协同策略的创新激光熔覆技术。本文系统阐述了实现该技术的专用装置设计，其核心为集成了异焦蓝红激光复合熔覆头与伴随红外激光熔覆头的双光束系统。该方法通过蓝光对铜基体进行先导微熔以激活表面，随即由同轴红外光熔覆高韧性镍基合金过渡层；进而，利用伴随红外激光头在过渡层余热区同步熔覆高碳化钨（WC）含量的镍基工作层，从而一体化制备出冶金结合、无宏观裂纹的梯度功能涂层。实验结果表明，该涂层过渡层与基体结合强度超过200 MPa，表面工作层硬度不低于45 HRC，WC质量分数≥50%，实现了高强度与高耐磨性的统一，为结晶器铜板的长寿命强化提供了可靠工艺方案。

关键词

激光熔覆；结晶器铜板；蓝光激光；镍基碳化钨；梯度涂层；同步熔覆

1. 引言

连铸结晶器铜板作为钢铁连铸流程中的关键易损件，其工作面在高温钢水（>1500℃）的冲刷下承受着极端的热-机械循环载荷，导致热疲劳裂纹、磨损与变形失效频发，制约了连铸作业率与成本控制。采用激光熔覆技术在其表面制备高性能耐磨涂层，是提升其使用寿命的有效途径。然而，铜及其合金（如铬锆铜）对工业常用近红外激光（~1 μm）的吸收率极低（约5%），且与镍基碳化钨（WC）等目标耐磨材料在热物理性质上存在巨大差异，导致传统单光束熔覆面临能量耦合效率低、熔覆层与基体结合力弱、以及因热应力集中导致的涂层开裂与剥落等系列难题。

现有技术虽已尝试引入蓝光（~450 nm）以利用铜对其高吸收特性来改善能量注入，但多集中于同种材料熔覆或焦点重合的简单复合，对于“铜基体-镍基WC”这类异种材料梯度涂层的制备，在结合强度、抗裂性及工艺效率方面仍存在显著不足。具体表现为：单一熔覆道难以协调梯度功能需求；能量施加的时空控制精度不足，易引致基体过热或熔覆不良；分步熔覆工艺效率低下且易产生层间污染。

因此，发展一种能够实现高结合强度、低内应力、高效率制备镍基WC梯度涂层的专用激光熔覆技术与装备，具有紧迫的工程需求与学术价值。本研究旨在通过创新的光学系统与送粉设计，实现能量的精确分配与熔覆过程的时序协同，从而系统性解决上述问题。

2. 核心装置设计：双光束协同作业系统

本技术的实现依托于一套专门设计的双激光熔覆头集成装置，其设计哲学在于功能解耦与时空协同。如图1（参见原文附图）所示，装置主要由“异焦蓝红激光复合熔覆头”与“伴随红外激光熔覆头”通过可调连接板机械集成构成。

2.1 异焦蓝红激光复合熔覆头：实现基体高效活异种材料高强度结合

该熔覆头是解决铜基体熔覆性难题的核心，负责制备与基体冶金结合的镍基合金过渡层。其创新性在于：

•        异焦复合光路系统：集成蓝光激光器与第一红外激光器，通过包含特殊膜系镜片（如400-500 nm全反射/900-1100 nm全透射的蓝红复合透反射镜、双波段全透射聚焦镜）的光路，将两束激光同轴但非共焦地复合。关键参数在于，沿熔覆扫描方向，蓝光激光焦点被精确设置于第一红外激光焦点前方一预定距离（优选为蓝光光斑直径的1/2）。此“异焦”设计实现了能量输入的时空分离。

•        五束同轴送粉：粉末流被精确引导至第一红外激光焦点区域。同轴送粉确保了粉末输送与激光作用的相对位置不随扫描方向改变，熔覆稳定性高。

2.2 伴随红外激光熔覆头：实现梯度耐磨层的高效增材

该熔覆头负责在已形成的过渡层上制备高硬度镍基WC工作层，其特点为：

•        独立红外光路：由第二红外激光器及准直、聚焦镜组构成，形成独立的光斑。

•        三束旁轴送粉：采用结构紧凑的旁轴送粉喷嘴，专用于输送镍基WC粉末，避免了与主熔覆头的空间干涉。

2.3 系统集成与调控

两熔覆头通过带弧形调节槽的可调连接板联接，可精密调节两熔覆头输出光斑在工件表面的间距（优选为2-3倍红外光斑直径）。这种设计使两道熔覆工序得以在近乎同步的节奏下进行，前一熔覆道的余热可被后续熔覆道有效利用。

3. 工艺方法与协同机制

基于上述装置的工艺流程体现了“先导激活、梯度构建、同步完成”的协同机制。

3.1 基体预处理与粉末设计

首先对结晶器铜板进行激光清洗。过渡层粉末采用高韧性镍基合金（成分示例：C<0.1 wt.%， Si 2-3 wt.%， B 0.5-1.5 wt.%， Fe 1.5-2.5 wt.%， Cr 3-4 wt.%， Al 0.4-0.6 wt.%， 余Ni）。工作层粉末采用高硬度镍基WC合金（成分示例：C 3-3.25 wt.%， W 48-55 wt.%， Cu 1-3 wt.%， Fe 4.5-6 wt.%， Cr 14-18 wt.%， 余Ni）。

3.2 “蓝光先导微熔-红外同步熔覆”机制（过渡层制备）

启动异焦蓝红激光复合熔覆头（示例参数：蓝光功率1.5-2.5 kW，红外功率3.0-4.0 kW）。在熔覆方向上，前置的蓝光焦点首先照射铜基体，利用铜对蓝光的高吸收率，实现对基体表面的瞬时微熔，清除氧化层并形成微小熔池，极大提升了该区域对后续红外激光的吸收率。紧随其后的第一红外激光焦点随即作用于此已被“激活”的微熔区，同步熔化由同轴喷嘴输送的镍基合金粉末。此机制从根本上保证了红外激光能量的有效利用，实现了过渡层与铜基体的高强度冶金结合。

3.3 “余热利用-同步熔覆”机制（工作层制备）

几乎同步启动伴随红外激光熔覆头，其光斑位于过渡层熔覆道后方预定距离。第二红外激光利用刚凝固但仍处于高温状态的过渡层区域的余热，熔覆镍基WC粉末形成工作层（厚度0.5-1.0 mm）。此过程显著降低了对工作层熔覆的激光功率需求，利用余热预热减少了WC颗粒与基体间的热冲击，有效抑制了裂纹萌生。

3.4 后处理

熔覆完成后，工件置于保温环境中缓冷至少24小时，以充分消除残余应力。

4. 涂层组织结构与性能

通过上述工艺制备的涂层呈现典型的冶金结合双层梯度结构：

•        镍基合金过渡层：作为功能梯度层，其成分设计兼顾良好的塑性、韧性与较高的强度，是缓解铜基体与硬质工作层之间热应力匹配的关键缓冲层。文档中记载，该层与基体的结合强度超过200 MPa。

•        镍基碳化钨工作层：作为耐磨表面层，其高硬质相含量（WC ≥ 50 wt.%）提供了卓越的耐磨性。文档中测试其硬度不低于45 HRC。

该梯度结构协同发挥了过渡层的强韧结合与工作层的高耐磨性。双光束近乎同步的熔覆方式不仅将传统两步法的效率提升近一倍，而且避免了层间污染与重新加热带来的不利影响。保温缓冷工艺进一步确保了涂层的低应力状态。文档中提及的上机试用结果表明，经此技术强化的结晶器铜板，其使用寿命可达新铜板的5倍以上。

5. 结语

本文针对连铸结晶器铜板强化修复的重大需求，提出并验证了一种创新的蓝光-红外复合激光熔覆技术。该技术通过异焦光学设计实现了蓝光对铜基体的先导激活，解决了红外激光吸收难题；通过双熔覆头时空协同设计，实现了梯度涂层的低应力、高效率一体化制备。所获涂层兼具超过200 MPa的界面结合强度与不低于45 HRC的表面硬度，显著提升了结晶器铜板的耐磨寿命。本工作为高反射率、高导热性金属基体上激光熔覆异种高性能涂层提供了新的技术思路与可靠的装备解决方案，在重大装备关键部件再制造领域具有广阔的应用前景。

作者简介

本文基于江苏智远激光装备科技有限公司的技术实践撰写。智远激光成立于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。