閥門在使用過程中，其密封面長期處于介質(zhì)之中并受到介質(zhì)的沖刷和腐蝕。研究閥門密封面的強(qiáng)化和修復(fù)方法，延長閥門的使用壽命，具有十分重要的意義。國內(nèi)對一些高參數(shù)閥門的關(guān)鍵密封面一般采用等離子噴焊，電弧、火焰堆焊等傳統(tǒng)工藝進(jìn)行強(qiáng)化［1］。采用激光熔覆工藝對高參數(shù)閥門密封面進(jìn)行強(qiáng)化處理或修復(fù)，與傳統(tǒng)工藝相比，密封面質(zhì)量明顯提高，耐摩擦磨損、耐腐蝕性能更優(yōu)越等一系列優(yōu)點(diǎn)。
強(qiáng)化與修復(fù)的閥門有J41W-25、J41-16P等型號截止閥，RV-SG-1075等安全閥。閥體閥瓣材料為1Cr18Ni9Ti、2Cr13、r18Ni12Mo3Ti、碳鋼等，其加工面為φ50 mm～φ130 mm的環(huán)形平面或環(huán)形錐面。其中有閥瓣外表面，也有閥體的內(nèi)腔表面。密封面涂層采用市售或自制的Co基和Ni基粉末，粉末成分根據(jù)與零件材料和結(jié)構(gòu)相匹配的原則選用或?qū)ｉT煉制，粉末使用2123酚醛樹脂為粘接劑，用酒精調(diào)和并預(yù)置于加工面上，預(yù)涂層厚度根據(jù)需要為1 mm～3.5 mm不等。為與傳統(tǒng)工藝作比較，另用等離子噴焊和電弧堆焊加工一批試件，粉末和焊條材料的成分與激光加工用粉末的成分相同。試驗(yàn)先在同種材料的試塊或模擬件上進(jìn)行，最后再在零件上進(jìn)行。
激光熔覆技術(shù)的原理是，在需處理的零部件表面預(yù)置一層能滿足使用要求的特制粉末材料,然后用高能激光束（聚焦后功率密度為104 W/cm2～106 W/cm2）對涂層進(jìn)行快速掃描處理,預(yù)置粉末在瞬間熔化并凝固（冷卻速度達(dá)104℃/s～106℃/s）,涂層下基體金屬隨之熔化一薄層，二者之間的界面在很窄的區(qū)域內(nèi)迅速產(chǎn)生分子或原子級的交互擴(kuò)散,同時(shí)形成牢固的冶金結(jié)合。在快速熱作用下,基體受熱影響極小,無變形。熔層合金自成體系，其組織致密，晶粒細(xì)化,硬度和強(qiáng)韌性提高,表面性能大大改善。 試驗(yàn)用加工機(jī)為HGL―90型5 kW橫流CO2激光器，激光器輸出光束波長為10.6 μm,導(dǎo)光系統(tǒng)由光閘、反射鏡和砷化鎵(GaAs)晶體透鏡組成。聚焦后的激光束對采用預(yù)置粉末法涂敷在環(huán)形試件表面上的合金層進(jìn)行單道激光掃描，工藝參數(shù)為激光功率2 kW～4 kW，掃描速度4 mm/s～10 mm/s,光斑尺寸φ5 mm～φ10 mm。激光束能量分布形式為高斯分布，無保護(hù)氣體。試件由MNC801型數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺驅(qū)動。一般體積較小或形狀較簡單的零部件不需進(jìn)行預(yù)熱和后處理，對于體積較大的閥體零件需進(jìn)行預(yù)熱與退火處理，以消除應(yīng)力和防熔層開裂。
用萊茨ORTHOPLAN偏光顯微鏡、德國NEOPHOT-21大型金相顯微鏡、SX-40掃描電子顯微鏡對激光熔覆、等離子噴焊試件作金相組織分析、晶粒度評定和微觀形貌觀察，用HZG4-PC X射線衍射儀、JCXA－733電子探針儀進(jìn)行物相分析與成分分析。 用前蘇聯(lián)產(chǎn)MT-3型顯微硬度計(jì)測試試件硬度，用MM200型磨損試驗(yàn)機(jī)對2種工藝處理的試樣與光滑無損的GCr15對磨件在室溫加液壓機(jī)油潤滑條件下作相對滑動磨損對比試驗(yàn)，用2種工藝試樣在10%H2SO4溶液、10%HNO3溶液、20%NaOH溶液和30%尿素溶液中分別進(jìn)行8 h、24 h、48 h、72 h腐蝕，進(jìn)行腐蝕速率和抗腐蝕性能評價(jià)。
激光熔覆、等離子噴焊2種工藝處理的熔層金相組織形貌見圖1，沿加工面垂直方向可分為熔化區(qū)、互熔結(jié)合區(qū)、基體3個區(qū)域。從互熔結(jié)合區(qū)看，圖1a所示激光熔層與基體間有一白亮結(jié)合帶,其帶寬約為10 μm～30 μm，這是在高能激光束快速掃描時(shí)，熔層瞬間熔化并形成熔池，通過熔體傳給基體表面的熱量使表面薄層微熔并與熔層合金產(chǎn)生分子或原子級交互擴(kuò)散,從而形成了牢固的冶金結(jié)合帶。界面的結(jié)合強(qiáng)度與輸入的能量密度有關(guān),當(dāng)輸入基體的能量密度偏低,如激光功率太小,掃描速度太快,涂層太厚等,基體表層會因熔化不足而在界面出現(xiàn)機(jī)械結(jié)合;輸入的能量密度過高時(shí),又會使基體過量熔化,熱影響區(qū)加大,結(jié)合帶加寬,熔層成分被稀釋沖淡的程度加大?？刂坪媚芰棵芏扰c掃描速度，可使熔層與基體不但牢固結(jié)合，互熔區(qū)小，而且對基體熱影響小。圖1b所示等離子噴焊層與基體的互熔結(jié)合區(qū)寬大模糊，寬度約為120 μm～160 μm。等離子噴焊的基體預(yù)熱溫度高，熔化的粉末噴向基體表面的熱作用時(shí)間長，對基體的熱影響大，結(jié)合面比較疏松。
(a)激光熔層 (b)等離子熔層
圖1 結(jié)合區(qū)形貌(500×)激光工藝處理的熔層底部、中部和上部金相組織形貌見圖2。可見激光熔層以枝晶狀顯微組織為主，其組織細(xì)密均勻,晶粒度測定為10～12級。激光束能量高而集中，作用時(shí)間短而使熔層有較大的過熱、過冷度。過冷度大，熔池中的合金元素能迅速地形成多種化合物而增加非自發(fā)晶核的數(shù)量，使形核率大大提高，因而可形成細(xì)小均勻的顯微組織。組織細(xì)密能提高晶界結(jié)合力和抗腐蝕能力，增加熔焊層的強(qiáng)韌性。X射線衍射儀對熔焊層的物相分析還說明，激光熔層生成了多種碳化物、硼化物等多元共晶化合物，具有更為復(fù)雜的相結(jié)構(gòu)。這種組織與物相對熔層的硬度、強(qiáng)韌性、耐磨和耐腐蝕性能無疑更為有利。
(a)底部組織 (b)中部組織 (c)上部組織
圖2 激光熔層金相組織(250×)等離子焊層底部、中部和上部金相組織形貌見圖3?？梢娊M織呈胞晶狀，其組織明顯粗大,晶粒度為8～10級。
(a)底部組織 (b)中部組織 (c)上部組織
圖3 等離子焊層金相組織(250×)在本試驗(yàn)的試樣和零件上,激光熔覆層厚度能達(dá)到3.5 mm，涂層表面較光滑平整。?φ130 mm×5 mm的環(huán)形密封面的平面度可控制在0.4 mm以下。熔覆表面粗糙度達(dá)到Ra=6.3 μm ，用X2005型X射線儀對零件激光熔層進(jìn)行透照拍片探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，激光熔層的成品率大于95%，等離子噴焊層成品率為60%～70%，而電弧堆焊層成品率僅50%～60%。這是因?yàn)榧す馐饔脮r(shí)熔池中產(chǎn)生的對流傳質(zhì)作用［2］能充分?jǐn)嚢枞鄢?，使熔池中氣體和夾雜物能上浮析出，從而形成較為致密的涂層，保證了熔層的質(zhì)量。而等離子噴焊過程是利用等離子體使噴焊粉末熔化、加速，通過大氣空間再噴射到基體材料表面。此過程伴隨有空氣混入焊層，因此在噴焊層及界面部位往往有較多的氣孔與夾雜物分布在粗大的枝晶之間，不能上浮到表面。
由能譜儀對熔層的成分分析表明，激光熔層成分被基體Fe的稀釋率為等離子噴焊層的1/3，電弧堆焊層的1/14。由圖1、圖2、圖3可見激光熔層晶粒細(xì)小，與基體的互熔結(jié)合區(qū)細(xì)窄，說明熱作用時(shí)間短，對基體熱影響小，熔層與基體元素互擴(kuò)散小，有效地保證了熔層設(shè)計(jì)成分不被基體稀釋，不向基體擴(kuò)散。由此可見，激光熔層能有效地保留預(yù)設(shè)計(jì)的合金成分，并發(fā)揮其優(yōu)良性能。
密封面硬度取決于粉末成分、熔焊方法與工藝參數(shù)，可根據(jù)需要進(jìn)行選擇與調(diào)整。當(dāng)熔焊材料成分相同時(shí)，激光熔覆工藝得到的熔層平均顯微硬度比等離子噴焊層高20%～40%，比電弧堆焊層高50%～70%。這是由激光為熱源的快速加熱與快速冷卻特性形成的。
用1臺MM200型磨損試驗(yàn)機(jī)，對涂層材料為Ni基合金粉，基體材料為1Cr18Ni9Ti的激光熔覆和等離子噴焊樣品進(jìn)行了耐磨性能的對比測試。測試條件：2種試樣各制取4片，2片為一組。激光或等離子試樣固定不動。對磨件轉(zhuǎn)速為400 r/min，硬度HRC56，加載300 N，磨損時(shí)間為4 h或8 h。用萬分之一天平稱量出每組試片試驗(yàn)前后重量之差，并取平均值。用千分之一測量顯微鏡測量磨痕寬度，也取每組的平均值。結(jié)果見表1。表中L1、L2為2組激光熔覆試片，P1、P2為2組等離子噴焊試片。從表1可看出，激光熔覆層比等離子噴焊層的耐磨性高5倍。
表1 磨損試驗(yàn)結(jié)果用線切割方法切取涂層和基體材料同上的激光熔覆和等離子噴焊試塊各4塊，分別在不同溶液中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。腐蝕溶液置于溫度為60℃的水浴槽中保溫，腐蝕后用精密分析天平稱量其失重量，試驗(yàn)結(jié)果和分析數(shù)據(jù)見表2。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得出結(jié)論：激光熔覆工藝試片在H2SO4、HNO3、NaOH和尿素4種溶液介質(zhì)中的腐蝕速率均低于等離子噴焊工藝試片，具有優(yōu)良的綜合抗腐蝕性能。在H2SO4、HNO3 2種溶液中的對比尤為明顯。
表2 腐蝕試驗(yàn)結(jié)果我們采用激光熔覆工藝強(qiáng)化的截止閥、安全閥密封面，其質(zhì)量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工藝強(qiáng)化的密封面。在閥座內(nèi)腔環(huán)型密封面的加工上，激光束可直接掃描，而堆焊、噴焊等工藝因焊具不便進(jìn)入或操作不便而不能加工或不能保證質(zhì)量。 在生產(chǎn)線上的應(yīng)用說明，經(jīng)激光強(qiáng)化的閥門具有更好的耐摩擦磨損、耐沖蝕和耐腐蝕等性能，壽命明顯提高，減少了因閥門密封面事故造成的停產(chǎn)損失，閥門使用量減少，提高了生產(chǎn)線的安全性與可靠性。
［1］高清寶，王德全，蘇志東.閥門堆焊技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994：305～418
［2］王家金.激光加工技術(shù).北京：中國計(jì)量出版社，1992：274～279
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