[发明专利]一种基于轧辊的氧化锆热障涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于机械技术领域，特别涉一种适用于轧辊涂层的制备方法。

技术背景

在对带有液芯的厚板坯进行大压下量轧制时，由于铸坯在二冷区温度较高（表面约1000℃），拉坯速度较低（小于1m/min），压下量大，每一轧制周期轧辊辊面与铸坯接触时间近10秒钟，是普通轧辊与高温板坯接触时间的60倍，导致轧辊辊身表面受到严重热疲劳而发生龟裂，在热应力和机械应力的综合作用下，裂纹向深处扩展，短时间内导致辊子报废。

目前，采用等离子喷涂纳米氧化锆（ZrO2-8%Y2O3）团聚粉末制备了纳米氧化锆热障涂层,并利用2000w直流快速激励横流式CO₂激光器对其进行重熔处理。对重熔后的热障涂层进行了组织结构、氧化动力学、高温热腐蚀动力学、高温隔热性能、抗热震以及结合强度等性能分析。如《氧化锆热障涂层在航空发动机上的应用和发展》（[J].航空发动机.2010,36(06):53-57，孙福波,涂泉.）介绍了氧化锆热障涂层(TBCs)的特性、制备方法及其特点，分析了TBCs在航空发动机上的应用情况，并对TBCs技术的发展做出了展望。《航空发动机隔热屏等离子喷涂氧化锆热障涂层工艺研究》（[J].航空工艺技术.1995(05)，沈肖镇,王晓东,刘会刚,等.）介绍了在某新型发动机加力燃烧室隔热屏上等离子喷涂氧化锆热障涂层工艺，重点介绍了涂层抗热震性能、抗高温氧化性能及隔热效果。《激光重熔等离子喷涂纳米氧化锆热障涂层组织与性能研究》（[D].西南交通大学,2009，郝云飞.）

上述热障涂层多用于航空发动机，利用热障涂层高熔点,低热导率、低辐射率和高反射率等特点，喷涂在发动机热端部件（如火焰筒、加力燃烧室、涡轮叶片）的表面，将部件与高温燃气隔绝开来，以降低部件的工作温度，并保证部件免受燃气的高温腐蚀与冲蚀，有效提高了热端部件的使用寿命。但该热障涂层应用于轧辊的相关报道非常少，因为轧制过程中的热冲击作用，热障涂层极易被破坏失去隔热效果，单纯地由等离子喷涂工艺加工得到的涂层和轧辊基体之间的结合强度不能达到涂层轧辊工作时的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能提高辊面硬度、耐磨性，可以有效降低轧辊辊面温度的基于轧辊的氧化锆热障涂层的制备方法。本发明主要是以轧辊为基体，在辊身表面经等离子喷涂以及激光重熔制备热障涂层，本发明主要应用于连铸机拉矫辊、热轧轧机轧辊、液芯大压下轧机轧辊。

本发明的制备方法如下：

1、调制处理

对加工好的轧辊进行预热处理，860℃-890℃加热保温两小时，降温到740℃-760℃保温四小时，炉冷到500℃左右出炉；进行淬火，温度为1020℃-1050℃，保温30min，油冷至室温；回火温度为530℃-560℃，回火两个小时，回火两次。

2、清洗

对步骤1经过处理的轧辊用丙酮进行清洗，以去除其表面的油污；为了提高粘结层和基体金属的结合强度，在轧辊清洗完成后，应及时进行喷砂粗化处理；喷砂处理后至下一步喷涂粘结层的间隔时间越短越好，时间间隔最长不要超过两个小时。

3、等离子喷涂

用等离子喷涂设备将预先配比好的NiCoCrAlY合金粉末喷涂在轧辊表面，形成过渡层，喷涂过程中进行氩气保护，粘结层厚度0.1-0.2mm，接着采用质量分数8%氧化钇稳定的氧化锆粉末进行大气等离子喷涂陶瓷顶层，陶瓷层厚度0.3-0.4mm。

所述NiCoCrAlY合金粉末成分的质量百分比为Ni：72-76.5、Co：5-6、Cr：14-16、Al：4-5.5、Y：0.5。

4、激光重熔

为了提高涂层与基体的结合强度，在等离子喷涂热障涂层的基础上再进行激光器重熔。采用2000w直流快速激励横流式CO₂激光器对步骤3的等离子喷涂表面进行重熔处理，重熔过程中采用氩气进行冷却和保护，压力为0.25MPa，调节激光功率范围为350-600w，离焦量为40-60mm，扫描速率为2-4mm/s，光斑直径为4.5mm，激光比能约为30-40J/mm²，搭接率为30%，最好激光功率为505w，离焦量为50mm，扫描速率为3mm/s，光斑直径为4.5mm，激光比能为37.2J/mm²，搭接率为30%，经激光重熔加工后可以得到致密、结合强度较高、满足实际生产需要的涂层，提高轧辊的的使用寿命。