激光熔覆阀门零件的研究与应用讲解

1、激光熔覆阀门零件的研究与应用阀门在使用过程中，其密封面长期处于介质之中并受到介质的冲刷和腐蚀。研究 阀门密封面的强化和修复方法，延长阀门的使用寿命，具有十分重要的意义。国 内对一些高参数阀门的关键密封面一般采用等离子喷焊，电弧、火焰堆焊等传统 工艺进行强化 1。采用激光熔覆工艺对高参数阀门密封面进行强化处理或修 复，与传统工艺相比，密封面质量明显提高，耐摩擦磨损、耐腐蚀性能更优越等 一系列优点。1 激光熔覆试验与检测1.1 试验零件与材料强化与修复的阀门有 J41W-25 、J41-16P 等型号截止阀， RV-SG-1075 等安全阀。 阀体阀瓣材料为1Cr18Ni9Ti、2Cr13、r18

2、Ni12Mo3Ti、碳钢等，其加工面为 5 0 mm 130 mm的环形平面或环形锥面。 其中有阀瓣外表面，也有阀体的内腔 表面。密封面涂层采用市售或自制的 Co 基和 Ni 基粉末，粉末成分根据与零件材 料和结构相匹配的原则选用或专门炼制，粉末使用 2123 酚醛树脂为粘接剂，用 酒精调和并预置于加工面上，预涂层厚度根据需要为 1 mm3.5 mm 不等。为 与传统工艺作比较，另用等离子喷焊和电弧堆焊加工一批试件，粉末和焊条材料 的成分与激光加工用粉末的成分相同。 试验先在同种材料的试块或模拟件上进行， 最后再在零件上进行。1.2 试验原理与方法激光熔覆技术的原理是，在需处理的零部件表面预置

3、一层能满足使用要求的特制 粉末材料 ,然后用高能激光束（聚焦后功率密度为104 W/cm2106 W/cm2 ）对涂层进行快速扫描处理，预置粉末在瞬间熔化并凝固（冷却速度达 104 C /s10 6C /s），涂层下基体金属随之熔化一薄层，二者之间的界面在很窄的区域内迅速 产生分子或原子级的交互扩散 ,同时形成牢固的冶金结合。在快速热作用下 ,基体 受热影响极小 ,无变形。熔层合金自成体系，其组织致密，晶粒细化,硬度和强韧性提高,表面性能大大改善。试验用加工机为HG90型5 kW横流CO2激光器，激光器输出光束波长为 1 0.6 口 m导光系统由光闸、反射镜和砷化镓（GaAs）晶体透镜组成。聚

4、焦后的激光 束对采用预置粉末法涂敷在环形试件表面上的合金层进行单道激光扫描，工艺参 数为激光功率2 kW4 kW，扫描速度 4 mm/s10 mm/s,光斑尺寸 5 mm 10 mm。激光束能量分布形式为高斯分布，无保护气体。试件由MNC801型数 控回转工作台驱动。 一般体积较小或形状较简单的零部件不需进行预热和后处理， 对于体积较大的阀体零件需进行预热与退火处理，以消除应力和防熔层开裂。1.3 检测方法用莱茨 ORTHOPLAN 偏光显微镜、德国 NEOPHOT-21 大型金相显微镜、 SX-4 0 扫描电子显微镜对激光熔覆、等离子喷焊试件作金相组织分析、晶粒度评定和 微观形貌观察，用 H

5、ZG4-PC X 射线衍射仪、 JCXA 733 电子探针仪进行物相 分析与成分分析。用前苏联产 MT-3 型显微硬度计测试试件硬度，用 MM200 型磨损试验机对 2 种 工艺处理的试样与光滑无损的 GCr15 对磨件在室温加液压机油润滑条件下作相 对滑动磨损对比试验，用2种工艺试样在10%H2SO4溶液、10%HNO3溶液、2 0%NaOH 溶液和 30%尿素溶液中分别进行 8 h、 24 h、 48 h、 72 h 腐蚀，进行 腐蚀速率和抗腐蚀性能评价。2 试验结果与分析2.1 熔层与基体的结合激光熔覆、等离子喷焊 2 种工艺处理的熔层金相组织形貌见图 1 ，沿加工面垂直 方向可分为熔化

6、区、互熔结合区、基体 3 个区域。从互熔结合区看，图 1a 所示 激光熔层与基体间有一白亮结合带，其带宽约为10 m30 m,这是在高能激 光束快速扫描时，熔层瞬间熔化并形成熔池，通过熔体传给基体表面的热量使表 面薄层微熔并与熔层合金产生分子或原子级交互扩散,从而形成了牢固的冶金结合带。界面的结合强度与输入的能量密度有关 ,当输入基体的能量密度偏低 ,如激 光功率太小 ,扫描速度太快 ,涂层太厚等 ,基体表层会因熔化不足而在界面出现机械 结合;输入的能量密度过高时 ,又会使基体过量熔化 ,热影响区加大 ,结合带加宽 ,熔 层成分被稀释冲淡的程度加大。控制好能量密度与扫描速度，可使熔层与基体不

7、但牢固结合，互熔区小，而且对基体热影响小。图 1b 所示等离子喷焊层与基体 的互熔结合区宽大模糊，宽度约为120 口m160 口m。等离子喷焊的基体预热温 度高，熔化的粉末喷向基体表面的热作用时间长，对基体的热影响大，结合面比 较疏松。(a) 激光熔层 (b) 等离子熔层 图1结合区形貌(500 X)2.2 熔层显微组织与物相 激光工艺处理的熔层底部、中部和上部金相组织形貌见图 2 。可见激光熔层以枝 晶状显微组织为主，其组织细密均匀，晶粒度测定为1012级。激光束能量高而 集中，作用时间短而使熔层有较大的过热、过冷度。过冷度大，熔池中的合金元 素能迅速地形成多种化合物而增加非自发晶核的数量，

8、使形核率大大提高，因而 可形成细小均匀的显微组织。组织细密能提高晶界结合力和抗腐蚀能力，增加熔 焊层的强韧性。 X 射线衍射仪对熔焊层的物相分析还说明，激光熔层生成了多种 碳化物、硼化物等多元共晶化合物，具有更为复杂的相结构。这种组织与物相对 熔层的硬度、强韧性、耐磨和耐腐蚀性能无疑更为有利。(a) 底部组织 (b) 中部组织 (c) 上部组织图2激光熔层金相组织(250马等离子焊层底部、中部和上部金相组织形貌见图3。可见组织呈胞晶状，其组织明显粗大 ,晶粒度为 810 级。(a) 底部组织 (b) 中部组织 (c) 上部组织图3等离子焊层金相组织(250 X)2.3 熔层厚度与质量在本试验的

9、试样和零件上，激光熔覆层厚度能达到3.5 mm,涂层表面较光滑平整。？ 130 mnX 5 mm的环形密封面的平面度可控制在 0.4 mm以下。熔覆表面粗糙 度达到Ra=6.3卩m，用X2005型X射线仪对零件激光熔层进行透照拍片探伤， 未发现缺陷。据统计，激光熔层的成品率大于 95%，等离子喷焊层成品率为 60% 70%，而电弧堆焊层成品率仅 50%60%。这是因为激光束作用时熔池中产生的 对流传质作用 2能充分搅拌熔池，使熔池中气体和夹杂物能上浮析出，从而 形成较为致密的涂层，保证了熔层的质量。而等离子喷焊过程是利用等离子体使 喷焊粉末熔化、加速，通过大气空间再喷射到基体材料表面。此过程伴

10、随有空气 混入焊层，因此在喷焊层及界面部位往往有较多的气孔与夹杂物分布在粗大的枝 晶之间，不能上浮到表面。2.4 熔层微区成分与稀释率由能谱仪对熔层的成分分析表明，激光熔层成分被基体 Fe 的稀释率为等离子喷 焊层的 1/3，电弧堆焊层的 1/14。由图 1、图 2、图 3可见激光熔层晶粒细小， 与基体的互熔结合区细窄，说明热作用时间短，对基体热影响小，熔层与基体元 素互扩散小，有效地保证了熔层设计成分不被基体稀释，不向基体扩散。由此可 见，激光熔层能有效地保留预设计的合金成分，并发挥其优良性能。2.5 熔层硬度密封面硬度取决于粉末成分、 熔焊方法与工艺参数， 可根据需要进行选择与调整。 当熔

11、焊材料成分相同时，激光熔覆工艺得到的熔层平均显微硬度比等离子喷焊层 高20%40%，比电弧堆焊层高50%70%。这是由激光为热源的快速加热与 快速冷却特性形成的。2.6 熔层耐磨性能用1台MM200型磨损试验机，对涂层材料为 Ni基合金粉，基体材料为1Cr18N i9Ti 的激光熔覆和等离子喷焊样品进行了耐磨性能的对比测试。测试条件： 2 种 试样各制取 4 片， 2 片为一组。激光或等离子试样固定不动。对磨件转速为 400 r/min，硬度HRC56，加载300 N，磨损时间为4 h或8 h。用万分之一天平称 量出每组试片试验前后重量之差，并取平均值。用千分之一测量显微镜测量磨痕 宽度，也取

12、每组的平均值。结果见表 1。表中L1、L2为2组激光熔覆试片，P1、 P2 为 2 组等离子喷焊试片。从表 1 可看出，激光熔覆层比等离子喷焊层的耐磨 性高 5 倍。表 1 磨损试验结果2.7 熔层耐腐蚀性用线切割方法切取涂层和基体材料同上的激光熔覆和等离子喷焊试块各 4块，分 别在不同溶液中进行腐蚀试验。 腐蚀溶液置于温度为60 C的水浴槽中保温，腐蚀 后用精密分析天平称量其失重量，试验结果和分析数据见表 2。由试验数据分析 可得出结论： 激光熔覆工艺试片在 H2SO4、 HNO3、 NaOH 和尿素 4种溶液介质 中的腐蚀速率均低于等离子喷焊工艺试片，具有优良的综合抗腐蚀性能。在 H2S O4、 HNO3 2 种溶液中的对比尤为明显。表 2 腐蚀试验结果3 应用我们采