激光熔覆技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應用

　　離心泵廣泛用于電力、冶金、煤炭、建材等行業(yè)輸送含有固體顆粒的漿體，而閥門用于控制空氣、水、蒸汽、各種腐蝕性介質(zhì)、泥漿、油品、液態(tài)金屬和放射性介質(zhì)等各種類型流體的流動，可以說沒有泵閥就沒有現(xiàn)代工業(yè)，泵閥產(chǎn)品在使用過程中，長期處于介質(zhì)之中并受到介質(zhì)的沖刷和腐蝕，要求工作面同時具有高硬度、高耐磨和耐腐蝕特點，這對泵閥的密封性能提出了更加嚴苛的要求，傳統(tǒng)的表面強化工藝局限性凸顯。

　　激光熔覆技術(shù)正逐漸發(fā)展成為研制和生產(chǎn)高端泵閥產(chǎn)品（如離心泵口環(huán)、平衡套、平衡盤、球閥、閘閥、調(diào)節(jié)閥等）的“殺手锏”，借激光之匙，正在開啟高端泵閥產(chǎn)品應用市場的大門

　　一、激光熔覆工藝與傳統(tǒng)工藝的比較優(yōu)勢

　　傳統(tǒng)上泵閥密封面主要有以下幾種方式：

　　1）鍍硬鉻：涂層厚度<0.1mm，主要用于軟密封，易開裂剝；
2）熱噴焊：是目前硬密封的主流方式，涂層厚度1-1.5mm，熱變形量大，涂層薄時易露白，涂層厚時層易脫落；
3）弧焊：包括MIG、TIG、PTA，涂層厚度3-5mm，材料浪費大，稀釋率高，硬度分布不均勻，組織粗大，易變形、易開裂；

　　激光熔覆工藝作為一種可以精確控制能量的制造技術(shù)，與傳統(tǒng)工藝相比具有以下特點：

　　1）強韌性好：細密的涂層結(jié)構(gòu)同時兼顧強韌性，同等硬度下具有更好的耐磨性和一定的抗沖擊能力；
2）界面結(jié)合強度高：冶金結(jié)合，抗拉強度>500MPa，大于基體強度；
3）稀釋率低：激光熔覆的稀釋率≦3%，同樣的合金激光熔覆層的硬度比等離子熔覆高3-5HRC；
4）熔覆層組織晶粒細小，熔覆層組織致密，無孔隙，具有各向同性 ；
5）硬度均勻：表面沒有軟點，硬度差≦3HRC，有效層深內(nèi)硬度一致性好。

　　圖1表述了鈷基合金STL12激光熔覆和等離子堆焊層深度方向的硬度分布圖。圖中的紅色部分是激光熔覆硬度分布曲線，黑色是等離子堆焊硬度分布曲線，兩條藍色虛線分別代表各自的涂層/基材的界面。激光熔覆的有效層厚度為1.25mm，熔覆層內(nèi)硬度分布均勻；等離子堆焊層的厚度為3.5mm，有效涂層厚度僅為1.25mm，稀釋層厚度達到2.25mm，稀釋層硬度顯著下降，因此浪費了昂貴的涂層材料。圖2是上述兩種涂層的顯微組織對比，可以看出激光熔覆層的枝晶更為細小，這得益于激光熔覆工藝比等離子堆焊工藝具有更高的冷速，摩擦磨損實驗表明激光熔覆層擁有更優(yōu)的耐磨性。

　　二、泵閥激光熔覆應用現(xiàn)狀及水平

　　上世紀90年代華中科技大學王愛華、蘇州大學石世宏等專家學者就進行了泵閥激光熔覆工藝和材料的研究，取得了很多成果，但是由于諸多因素的限制，泵閥硬密封面激光熔覆的產(chǎn)業(yè)應用一直未能取得突破。

　　2010年以來泵閥行業(yè)出現(xiàn)了企業(yè)同質(zhì)化低水平競爭嚴重，低端通用產(chǎn)品相對過剩，高端泵閥市場難以進入的發(fā)展瓶頸，這促使越來越多的泵閥企業(yè)紛紛加大科技創(chuàng)新投入，向超零界、高低溫、核電、煤化工等高端泵閥產(chǎn)品進軍。

　　2012年溫州建設國家級激光與光電產(chǎn)業(yè)集群，在溫州市政府的大力推動下溫州大學，浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院，浙江工業(yè)大學，久恒光電與溫州市眾多泵閥企業(yè)開展了多個泵閥領(lǐng)域重大激光項目的合作研究。

　　浙江工業(yè)大學姚建華團隊的“直接輸出半導體寬光束激光熔覆Fe-C-Cr-Si-Mo合金組合制造閥門研究”獲得了與基體具有良好冶金結(jié)合并且稀釋率低的熔覆層，熔覆層平均硬度值達到640HV0.2,顯著高于基體硬度170HV0.2，熔覆層的耐磨性提高了3倍左右。

　　南方閥門制造有限公司和吉林大學、浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院合作開展了激光熔覆鐵基合金技術(shù)研發(fā)工作，開發(fā)耐高溫、抗磨損、高密封的超(超)臨界閥門。

　　上述研究成果受加工成本、加工效率、質(zhì)量穩(wěn)定性等瓶頸的限制，產(chǎn)業(yè)化推廣依然困難重重。

　　久恒光電與華中科技大學材料學院、瑞安市政府共同成立了瑞安市激光應用工程示范中心，從2014年開始開展泵閥激光熔覆產(chǎn)業(yè)化應用研究推廣，經(jīng)過多年的努力開發(fā)了一系列的材料、工藝，相繼在產(chǎn)品成本，加工效率，批量加工的穩(wěn)定性上取得突破，目前已為800臺套工業(yè)離心泵和4000多臺各類閥門的閥體、閥座提供了激光熔覆加工，涉及硅化工，煤化工，石油石化，電力，醫(yī)藥，生化，造紙等特殊工況的應用，產(chǎn)業(yè)化成果取得初步成效，同時也開發(fā)了一系列針對泵閥應用的專用激光熔覆設備。

　　三、泵閥激光熔覆工藝和材料

　　激光熔覆在不同的工況下采用不同的基體材料，不同的基體材料熔覆工藝各不相同。常見的基體材料包括，碳鋼鑄件,低合金鋼，鐵素體鋼，奧氏體不銹鋼，馬氏體不銹鋼，鎳和鎳合金等。

　　泵閥產(chǎn)品是一種特殊的產(chǎn)品，很多應用場合涉及生產(chǎn)安全問題，泵閥密封面激光熔覆工藝必須符合一定的規(guī)范，以保證焊接過程的規(guī)范性，泵閥密封面激光熔覆工藝應充分考慮材料、結(jié)構(gòu)形狀、熱處理性質(zhì)等因素,為了規(guī)范泵閥產(chǎn)品的激光熔覆工藝，久恒光電根據(jù)自己多年的經(jīng)驗積累，起草了“泵閥密封面激光熔覆技術(shù)要求”的激光熔覆標準，對焊前預熱溫度及保溫時間；激光熔覆層最小厚度、過渡層最小厚度；焊后熱處理溫度、保溫時間；稀釋率的控制要求；激光熔覆基面的形狀及尺寸都做出了相應的規(guī)定。

　　按 GB/T 22652 的規(guī)定在初次使用的粉末品種、初次使用的基體材料、新的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、多層堆焊變更為單層堆焊等情況下進行激光熔覆工藝評定。

　　四、泵閥產(chǎn)品的三個典型應用案例

　　多晶硅耐磨球閥激光熔覆

　　多晶硅行業(yè)硅粉工段耐磨球閥，口徑DN80，用于尾氣回收裝置替代進口耐磨球閥，介質(zhì)為硅粉+氯硅烷，硅粉硬度為HRC63-65左右，介質(zhì)溫度為450℃，介質(zhì)流速快，對閥門有較強的沖刷，此工況要求閥門具有極高的密封性能、耐沖刷性能及耐磨性能。

　　久恒光電采用激光熔覆金屬陶瓷超耐磨復合涂層技術(shù)，對球體的密封面進行激光熔覆，以替代原有的超音速噴涂WC涂層，涂層的顯微結(jié)構(gòu)如圖4所示，該材料由鎳基合金和WC組成，基體相的硬度為450-460HV，WC相的硬度在2100-2300HV，激光熔覆后WC顆粒完整且與基體相的界面呈冶金結(jié)合，致密度高、界面結(jié)合度高、耐磨性高。 與超音速噴涂相比，這種涂層結(jié)構(gòu)具有很好的耐磨和耐沖刷性能，與基體之間呈冶金結(jié)合，不會出現(xiàn)開裂和剝落現(xiàn)象。

　　應用結(jié)果表明，原來所用進口閥門的使用不到壽命3個月，閥門因泄漏導致后續(xù)的工段負荷較重，影響裝置的正常運行，無法滿足現(xiàn)場的使用要求。采用激光熔覆技術(shù)的閥門于2016年12月份投入運行，歷經(jīng)3年多時間，密封性能穩(wěn)定，質(zhì)量穩(wěn)定，開關(guān)到位，未出現(xiàn)其他不良問題，性能遠超進口閥門，實現(xiàn)了閥門的替代進口。

　　2、煤化工高溫給水泵激光熔覆

　　XXX能源化工有限公司高溫給水泵，用于甲醇醋酸系列深加工工程氣化裝置中，輸送介質(zhì)：灰水，含有最大0.5%固體，介質(zhì)密度：941kg/m，輸送介質(zhì)溫度：120℃，轉(zhuǎn)速2980r/min,流量：220m/h，單級揚程：100m，級數(shù)8級，總揚程800m。該泵的葉輪口環(huán)、泵體口環(huán)、平衡套、平衡盤密封面激光熔覆鐵基合金，表面硬度HRC55-57,其密封涂層經(jīng)受了18個月煤化工等領(lǐng)域洗滌塔流程系統(tǒng)中高含量顆粒介質(zhì)的輸送的考驗，耐沖蝕性能與傳統(tǒng)的堆焊工藝相比提高，4-6倍。

　　圖5 激光熔覆后的高溫給水泵葉輪口環(huán)、泵體口環(huán)、平衡套、平衡盤

　　3、2500BL級高參數(shù)球閥

　　高參數(shù)特種耐磨球閥已廣泛應用于煤化工、煤制油、多晶硅、有機硅、石油、化工、電力及軍工等領(lǐng)域，絕大多數(shù)項目為國家重大工程項目。

　　久恒光電與美國WALLCOLMONOY公司合作，在全球第一次采用Colmonoy 88鎳基合金激光熔覆方式熔覆了60套2500BL高參數(shù)球閥球體和閥座密封面，涂層的性能與PTA技術(shù)相比具有更低的稀釋率和更高的硬度，使球閥的整體性能得到很大提升。

　　五、 結(jié)語

　　隨著現(xiàn)代科學技術(shù)和工業(yè)不斷發(fā)展，對零部件工作的環(huán)境也越來越趨于復雜化，表面性能的要求越來越高。泵閥產(chǎn)品在使用過程中，長期處于介質(zhì)之中并受到介質(zhì)的沖刷和腐蝕，硬度高、耐磨、耐腐蝕是產(chǎn)品必備的特性，采用激光熔覆工藝對高參數(shù)閥門密封面進行強化處理。

　　與傳統(tǒng)工藝相比，密封面質(zhì)量明顯提高，耐磨差磨損性能得到極大提升，并具有處理的熱變形小、熔覆層的厚度可控、涂層與基體金屬可實現(xiàn)牢固的冶金結(jié)合、工藝過程可實現(xiàn)自動化等特點，將大大增泵閥產(chǎn)品的耐高溫、抗磨損、高密封和可靠性，延長其服役壽命,提高該類產(chǎn)品的科技含量和產(chǎn)品附加值，產(chǎn)品國產(chǎn)化，逐步替代進口閥門；有助于產(chǎn)業(yè)化升級和區(qū)域創(chuàng)新能力的提升，顯著的提升我國高端泵閥產(chǎn)品在國際市場上的競爭力，對提高我國泵閥產(chǎn)品在國際市場中的地位具有重要的意義。