泵、閥門密封面激光熔覆技術(shù)要求

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泵、閥門密封面激光熔覆設(shè)備、熔覆材料、熔覆工藝、工藝評定、質(zhì)量檢驗(yàn)、缺陷修復(fù)等方面的要求。2100433B

吳旭浩，王愛華，吳斌，顏偉清

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了泵、閥門密封面激光熔覆設(shè)備、熔覆材料、熔覆工藝、工藝評定、質(zhì)量檢驗(yàn)、缺陷修復(fù)等方面的要求。 本標(biāo)準(zhǔn)適用于碳素鋼、合金鋼、不銹鋼等通用、電站、石油化工用泵、閥門密封面激光熔覆鈷基、鎳基、鐵基及金屬陶瓷涂層的制造與檢驗(yàn)。

摘　要：使用5kW橫流CO2激光器對預(yù)置于基材為Cr18Ni12Mo2Ti不銹鋼的閥體閥蓋零件密封面上的Co基自熔合金粉末進(jìn)行單道掃描，得到的激光熔層表面光整，厚度為2mm，基體無變形。激光熔覆層消除了氣孔、裂紋、夾雜物等缺陷，其組織致密，晶粒度細(xì)小，硬度和強(qiáng)韌性更高。熔層與基體實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合。

關(guān)鍵詞：激光熔覆；進(jìn)排液閥；表面強(qiáng)化

1前言

尿素生產(chǎn)線上的甲胺液具有極強(qiáng)的腐蝕性，這類腐蝕性液體所經(jīng)過的主要設(shè)備管線和控制元件的內(nèi)件大多采用各種耐酸不銹鋼制造。對這類元件或?qū)ζ涔ぷ鞅砻孢M(jìn)行強(qiáng)化處理，以提高其工作性能和延長工作壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和安全性，具有重要的意義。

本文采用大功率激光器，對甲胺泵進(jìn)排液閥密封面進(jìn)行了激光熔覆強(qiáng)化試驗(yàn)，并進(jìn)行了檢測分析和使用驗(yàn)證。

2　甲胺泵進(jìn)排液閥的結(jié)構(gòu)與工況

甲胺泵進(jìn)排液閥的工況條件是：工作介質(zhì)為氨基甲酸銨，壓力范圍1.7～20MPa（17～200kgf/cm2），介質(zhì)溫度188～200℃，閥體閥蓋密封面沖擊力20MPa，沖擊頻率50～70r/min。從結(jié)構(gòu)上看，閥體比閥蓋更為復(fù)雜，圓柱型閥體上有數(shù)十個(gè)通孔或盲孔，閥體兩端面孔系間分別有兩個(gè)狹窄的同心環(huán)形密封面，尺寸為（φ132×2.5）mm （φ95×3.5）mm和（φ83×4.5）mm （φ50×4.5）mm。閥體與閥蓋的材料均為Cr18Ni12Mo2Ti。采用火焰、電弧堆焊、等離子噴焊等工藝來強(qiáng)化這種狹窄的密封面都有施焊困難，熱影響大，易使工件變形和產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力等。故密封面一直未作任何強(qiáng)化處理。由于密封面的沖擊磨損、墊傷和腐蝕變形等造成閥門使用壽命短，從而停機(jī)次數(shù)多，工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，原材料消耗大。

3　激光熔覆試驗(yàn)

密封面涂層采用市售的Co基粉末，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)涂層厚度為2mm，試驗(yàn)先在同種材料的試塊或模擬件上進(jìn)行，最后在零件上做。加工機(jī)為HGL-90型5kW橫流CO2激光器，其輸出光束波長為10.6μm，導(dǎo)光系統(tǒng)由光閘、反射鏡和砷化鎵（GaAs）晶體透鏡組成。聚焦后的激光束對在試件環(huán)形表面上的預(yù)涂層進(jìn)行單道激光掃描，工藝參數(shù)為：激光功率P=2～3kW，掃描速度V=6～10mm/s，光斑尺寸φ=4～6mm。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(tái)驅(qū)動(dòng)。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)熱與熔覆后的退火處理，以防熔層開裂和消除應(yīng)力。

4　試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1　熔覆層的微觀結(jié)構(gòu)

圖1是激光熔覆處理的熔層在結(jié)合面附近的金相組織形貌，沿加工面垂直方向可分為熔化區(qū)、互熔結(jié)合區(qū)和基體3個(gè)區(qū)域。從互熔結(jié)合區(qū)看，圖1所示激光熔層與基體間為一細(xì)窄的結(jié)合帶，其帶寬約為10～30μm。如控制好能量密度與掃描速度，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2為激光處理的熔層中上部金相組織形貌，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。由圖1、2可見熔層比基體的組織要細(xì)密得多，組織細(xì)密能提高晶界結(jié)合力和抗腐蝕能力，增加熔覆層的強(qiáng)韌性。

圖1　激光熔層熱影響區(qū)附近　×320圖2　激光熔層中上部金相組織　×3204.2　熔層厚度與質(zhì)量

在本試驗(yàn)中，激光熔覆層厚度能達(dá)到2mm，熔層表面較光滑平整。環(huán)形密封面的平整度可控制在0.4mm以下。熔層表面粗糙度達(dá)到Ra6.3μm，用X2005型X射線儀對零件激光熔層探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷，成品率可大于95。圖3為激光熔覆后的閥體閥蓋。

圖3　激光熔覆后的閥體閥蓋4.3　熔層成分與硬度

激光熔覆工藝由于高能熱源的快速作用，熔層合金在瞬間熔化和凝固，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)成分較少被基體稀釋和向基體擴(kuò)散。大的過冷度使熔層硬度大大提高，密封面硬度還取決于粉末成分，熔覆方法與工藝參數(shù)，可根據(jù)需要控制和調(diào)節(jié)。本試驗(yàn)的閥體閥蓋密封面硬度為40～48HRC。

4.4　熔層耐磨耐腐蝕性能

在MM200型磨損試驗(yàn)機(jī)上對熔覆層與閥體分別取樣進(jìn)行了耐磨性能的對比測試。其測試條件為：兩種試樣各制取6片，3片為一組。激光或等離子試樣固定不動(dòng)。對磨件轉(zhuǎn)速400r/min，硬度為56HRC，加載294N（30kgf），磨損時(shí)間4h。用萬分之一天平，對每組試片試驗(yàn)前后進(jìn)行稱重，取平均值，用千分之一測量顯微鏡測量磨痕寬度，取每組的平均值。結(jié)果激光熔覆層的耐磨性比基體的高10倍以上。在不同溶液中進(jìn)行的腐蝕試驗(yàn)也說明激光熔覆強(qiáng)化層的抗腐蝕性2100433B

仿激光熔覆機(jī)是將電能通過鎢極放電高度集中在很小（ф0.2-2.0mm）的范圍內(nèi)，在瞬間（最短0.001s）將焊絲及母材共同融化。由于電弧時(shí)間極短，并且通過微電腦數(shù)字輸出、精確控制電流（最小2A），因此可以精確給定將焊絲和母材融化的熱能，不會(huì)有多余的能量傳遞到焊點(diǎn)四周；同時(shí)焊補(bǔ)間隔時(shí)間達(dá)到了焊補(bǔ)時(shí)間的幾十甚至數(shù)百倍，所以仿激光熔覆機(jī)可以做到對工模具不變形、不咬邊，不發(fā)熱的完美修復(fù)！