CN102534606B

CN102534606B - 一种用于核电阀门密封面的镍基合金涂层及其制备方法

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Publication number: CN102534606B
Application number: CN201210055133.XA
Authority: CN
Inventors: 傅戈雁; 徐爱琴; 张宗列; 石世宏; 王晨; 张辉
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2032-03-05
Also published as: CN102534606A

Abstract

本发明公开了一种用于核电阀门密封面的镍基合金涂层，其特征在于：由镍基合金粉末材料经激光熔覆处理方法制备而成，所述镍基合金粉末材料的组成以重量百分比计为：铬：20.0～24.0%，硅：4.0～4.2%，硼：3.0～3.5%，钼：3.0～3.2%，铁：8.0～8.5%，碳：1.0～1.2%，氧化钇0.8～1.0%，其余为镍。采用同步送粉法或预铺涂层法进行激光熔覆处理。本发明所述用于制备核电阀门密封面涂层的镍基合金粉末混合物不含有贵金属钴，特别符合阀门在核环境下工作的需要；同时，由于该混合物的配方设计，并且利用了激光熔覆技术制备涂层的优势，因此得到的镍基合金核电阀门密封面涂层具有良好的高温性能。

Description

一种用于核电阀门密封面的镍基合金涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种密封面涂层，具体涉及一种用于核电阀门密封面的涂层，尤其是一种镍基合金涂层。

背景技术

由于核工业的特殊性、苛刻的工作环境、以及自然灾害所带来的安全问题，对核电阀门的使用性能提出了更高的要求。目前核电阀门密封的堆焊材料一般均为含钴合金，如Stellite 6或Stellite 21等。Stellite合金具有良好的耐高温摩擦磨损性能、耐热腐蚀及耐热疲劳性能等，因而钴基合金常用于条件较恶劣，抗磨损、抗腐蚀要求较高的核电阀门密封面。然而，钴基合金具有两大不可避免的缺陷：一方面，在核辐射环境下，由合金中的Co₅₉受激形成的Co₆₀同位素，会延长核辐射的半衰期，给停堆检修造成困难以及增加核屏蔽的难度和成本；另一方面，钴基合金价格昂贵，且钴资源在我国极为稀缺。因此，钴基合金在下一代核电站的核电阀门密封面材料的使用中受到了限制。

目前我国核电阀门堆焊仍采用等离子喷焊、火焰堆焊等传统方法，覆层堆焊质量受到一定限制。而激光熔覆技术因其自身的特点，与堆焊、热喷涂、电镀等传统表面处理技术相比，具有熔覆层组织更致密、晶粒更细小特征外、还具有稀释率可控、孔隙率和缺陷率低，熔覆层与基体形成良好冶金结合、基体热变形极小、工艺易于实现自动化等一系列优点。因此，激光熔覆技术具有良好的应用前景。

激光熔覆材料体系主要有铁基合金、镍基合金、钴基合金和金属陶瓷等。激光熔覆铁基合金适用于温度要求不高(﹤400℃)的耐磨零件，与镍基合金相比，铁基合金激光熔覆层韧性和高温稳定性稍差。钴基、镍基合金具有高硬度、耐磨、抗热和抗氧化等性能。因此，采用钴基、镍基材料的激光熔覆层被广泛应用于各种恶劣工况条件下服役的高参数阀门密封面，如美国的汽车排气阀座也用激光熔覆Stellite合金，俄罗斯利哈乔夫汽车厂的排气阀座采用激光熔覆耐热合金等。然而，激光熔覆专用材料体系较少，缺乏系列化的专用粉末材料。目前激光熔覆所用的粉末体系多沿用热喷涂粉末材料。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种无钴镍基合金涂层，以及该涂层的制备方法。使涂层的耐高温摩擦磨损等性能达到或超过常用Stellite家族钴基合金，在节约贵重钴金属的同时，满足核电阀门密封面的工作需要。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种用于核电阀门密封面的镍基合金涂层，由镍基合金粉末材料经激光熔覆处理方法制备而成，所述镍基合金粉末材料的组成以重量百分比计为：

铬（Cr）：20.0～24.0%，硅（Si）：4.0～4.2%，硼（B）：3.0～3.5%，钼（Mo）：3.0～3.2%，铁（Fe）：8.0～8.5%，碳（C）：1.0～1.2%，氧化钇（Y₂O₃）0.8～1.0%，其余为镍。

上述技术方案中，所需碳元素的含量可以是完全由外加的碳化铬（Cr₃C₂）中的碳元素提供；同时因碳元素所加的碳化铬（Cr₃C₂）还提供部分的铬元素，剩余的铬元素由外加的微细纯铬金属提供。此时，镍基合金粉末材料的组成以重量百分比计为：

铬：13.5～16.2%，硅：4.0～4.2%，硼：3.0～3.5%，钼：3.0～3.2%，铁：8.0～8.5%，碳化铬：7.5～9%，氧化钇0.8～1.0%，其余为镍。

最终获得的镍基合金粉末的粒度为200～300目。

应用镍基合金粉末材料制备核电阀门密封面涂层的方法优选以下两种种方法之一：

一种用于核电阀门密封面的镍基合金涂层的制备方法，包括下列步骤：

(1) 用机械混合法获得权利要求1或2所述的镍基合金粉末材料，粉末粒度为200～300目，并烘烤干燥；

(2) 用功率密度为136～181J/mm²的激光辐照核电阀门密封面基材表面形成局部溶池，用同步送粉法将镍基合金粉末材料送入溶池，用惰性气体作为输送气体；其中激光扫描速度为3～6mm/s；在激光作用基材和镍基合金粉末材料的同时，用惰性气体保护溶池表面以避免氧化；

(3)根据核电阀门密封面涂层所需面积大小，采用单道激光扫描或多道搭接激光扫描即可得到核电阀门密封面的镍基合金涂层。

上述技术方案中，步骤

Figure 201210055133X100002DEST_PATH_IMAGE001

中所述镍基合金粉末材料送入溶池的质量流率为：5～10 g/min。

步骤

中所述多道搭接激光扫描的搭接率为30%。

(1) 用机械混合法获得权利要求1或2所述的镍基合金粉末材料，粉末粒度为200～300目；

(2)用乙醇溶解硅酸树脂材料作为粘接剂，与所述镍基合金粉末材料调和，在核电阀门密封面上涂敷成预铺涂层，并烘烤干燥；

(3)用功率密度为136～181J/mm²的激光辐照所述预铺涂层，同时向熔池吹送惰性气体以避免溶池表面氧化；所述激光采用CO₂激光，激光扫描速度为3～6mm/s；

(4)根据核电阀门密封面涂层所需面积大小，采用单道激光扫描或多道搭接激光扫描即可得到镍铬合金核电阀门密封面涂层。

上述技术方案中，步骤中所述多道搭接的搭接率为30%。

本发明的原理为：以镍铬系列合金为基础，考虑核电阀门密封面耐高温、耐腐蚀、耐磨损的要求添加各种功能元素；各主要元素在合金中的作用如下：

镍元素：镍基可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；镍基合金易形成共格有序的金属间化合物γ相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度。

铬元素：固溶强化和钝化作用；提高耐蚀性能和抗高温氧化性能；富余的铬容易与碳、硼形成碳化铬、硼化铬硬质相从而提高合金硬度和耐磨性。

硼、硅元素：降低合金熔点，扩大固液相线温度区，形成低熔共晶体；具有脱氧还原作用和造渣功能；对涂层有硬化、强化作用。注意到激光熔池寿命较短，过多的低熔点造渣物来不及浮到熔池表面而残留在熔覆层内，在冷却过程中形成液态薄膜，加剧涂层开裂，或者使熔覆层中产生夹杂，故与一般热喷涂材料相比本发明适当降低了硼、硅含量。

钼元素：提高基体的高温强度和红硬性；原子半径大，固溶后使晶格发生大的畸变，显著强化合金基体。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1．本发明所述用于制备核电阀门密封面涂层的镍基合金粉末混合物不含有贵金属钴，特别符合阀门在核环境下工作的需要；同时，由于该混合物的配方设计，并且利用了激光熔覆技术制备涂层的优势，因此得到的镍基合金核电阀门密封面涂层具有良好的高温性能。

2．本发明镍基涂层采用激光熔覆方法制备，与传统的等离子喷焊、火焰堆焊相比，激光熔覆技术具有能量输入密度高而集中、热作用时间短、基体受热影响小、结合面强度高等突出优点，熔池的对流传热传质作用，可使涂层组织更致密，晶粒度更细小，硬度和强韧性更高，各种缺陷更少。

附图说明

图1是实施例一中涂层测试高温硬度分布曲线图；

图2是实施例一中摩擦系数测试结果图；

图3是实施例一中摩损量测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：一种用于核电阀门密封面的镍基合金涂层，由镍基合金粉末材料经激光熔覆处理方法制备而成，所述镍基合金粉末材料的组成以重量百分比计为：

其中，所需碳元素的含量可以是完全由外加的碳化铬（Cr₃C₂）中的碳元素提供；同时因碳元素所加的碳化铬（Cr₃C₂）还提供部分的铬元素，剩余的铬元素由外加的微细纯铬金属提供。

最终获得的镍基合金粉末的粒度为200～300目。

本实施例的制备方法，包括下列步骤：

步骤

步骤

中所述多道搭接激光扫描的搭接率为30%。

为了验证本发明镍基激光熔覆层的良好性能，分别进行了与高温硬度、高温耐磨性、耐腐蚀性的研究，并与Stellite6钴基合金性能进行比较。试验结果如下：

（一）高温硬度性

为了验证本发明镍基激光熔覆层的高温强度性能，分别在室温、300℃、600℃和900℃条件下，测试自配合金和Stellite6 钴基合金的硬度，试验结果如图1所示。

从图1的高温硬度分布曲线可以发现，两种合金的显微硬度值均随温度的升高而减小，但是本发明镍基合金的硬度值明显高于Stellite6钴基合金。20～600℃之间，本发明合金具有较高的显微硬度，分布在HV555～620之间，并且随温度下降的幅度也不大，这是因为合金中的硬质相起到提高合金高温硬度的作用，反之Stellite6合金的硬度则由478HV降至288HV，呈现较大的变化幅度；600～900℃之间，本发明合金的硬度降为312HV，仍具有高温使用性能。

（二）高温耐磨性

为了验证自配镍基激光熔覆层的高温耐磨性能，分别在室温、300℃和600℃条件下测试了材料的摩擦磨损行为，其中磨损试验参数分别为：

载荷：500 g；

磨损时间：20 min；

磨损半径：2 mm；

磨损线速度：16.88 mm/min；

对磨件：氮化硅陶瓷球，半径3 mm，硬度16GPa。

从图2可以看出，Stellite6、本发明合金均具有较低的摩擦系数（与不锈钢相比）。尤其在360℃左右（核阀常见使用温度），本发明合金表现出良好的减磨性能。这是因为该温度下，本发明合金中的硬质相与韧性相交替作用的结果。而常温和600℃时，本发明合金的摩擦系数则稍高于Stellite6，这也说明，本发明合金优异的高温使用性能主要靠合金中的各种硬质相保证。图3中，本发明合金明显较小的磨损量，也正好说明了这一点。因此，上述本发明镍基合金具有良好的减磨耐磨损性能。

（三）耐腐蚀性

为了验证自配镍基合金的耐腐蚀性能，分别在30℃和80℃下，在5%HNO₃和20%NaOH溶液中，分别进行持续72小时的耐腐蚀性研究，并与Stellite6钴基合金性能进行对比，试验结果如下：

由上表可知，在酸性腐蚀液中，本发明镍基合金具有比Stellite6钴基合金更好的耐腐蚀性能，且高温下，这种优异性更为明显。在碱性溶液中，二者具有相近的耐腐蚀性能，最终均达到稳定的腐蚀速率，且数值均很小，这说明，本发明镍基合金与Stellite6均具有良好的耐腐蚀性能，且本发明合金稍优异。

综上所述，本发明镍基合金具有良好的常温及高温使用性能，且性能均优异于常用的Stellite6钴基合金，因此，本发明合金更适用于作为核阀密封面的涂层。

实施例二：一种用于核电阀门密封面的镍基合金涂层，由镍基合金粉末材料经激光熔覆处理方法制备而成，所述镍基合金粉末材料的组成以重量百分比计为：

其制备方法，包括下列步骤：

其中，步骤

中所述多道搭接的搭接率为30%。

采用本实施例方法制备获得的涂层与实施例一的方法获得的涂层具有相近的效果。

Claims

1.一种用于核电阀门密封面的镍基合金涂层，其特征在于：由镍基合金粉末材料经激光熔覆处理方法制备而成，所述镍基合金粉末材料的组成以重量百分比计为：

2.一种用于核电阀门密封面的镍基合金涂层，其特征在于：由镍基合金粉末材料经激光熔覆处理方法制备而成，所述镍基合金粉末材料的组成以重量百分比计为：

铬：20.0～24.0%，硅：4.0～4.2%，硼：3.0～3.5%，钼：3.0～3.2%，铁：8.0～8.5%，碳：1.0～1.2%，氧化钇0.8～1.0%，其余为镍。

3.一种用于核电阀门密封面的镍基合金涂层的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

(2) 用功率密度为136～181J/mm²的激光辐照核电阀门密封面基材表面形成局部熔池，用同步送粉法将镍基合金粉末材料送入熔池，用惰性气体作为输送气体；其中激光扫描速度为3～6mm/s；

4.根据权利要求3所述的用于核电阀门密封面的镍基合金涂层的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述镍基合金粉末材料送入熔池的质量流率为：5～10 g/min。

5.根据权利要求3所述的用于核电阀门密封面的镍基合金涂层的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述多道搭接激光扫描的搭接率为30%。

6.一种用于核电阀门密封面的镍基合金涂层的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

(3)用功率密度为136～181J/mm²的激光辐照所述预铺涂层，同时向熔池吹送惰性气体以避免熔池表面氧化；所述激光采用CO₂激光，激光扫描速度为3～6mm/s；

7.根据权利要求3所述的用于核电阀门密封面的镍基合金涂层的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述多道搭接的搭接率为30%。