CN103103520A - 一种核电阀门阀杆表面激光复合强化的工艺 - Google Patents

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冯爱新
薛伟
朱亮
顾永玉
黄瑞
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Abstract

本发明提供了一种核电阀门阀杆表面激光复合强化的工艺，使用二氧化碳激光器先在核电阀门阀杆的轴承位置熔覆一层镍基合金粉末作为打底层，再熔覆一层碳化钨合金粉末这种更坚硬的表面材料作为表面层，然后利用大功率Nd:YAG激光器对熔覆涂层表面进行激光重熔。同时采用氩气作为保护气体，实现核阀阀杆表面复合强化，使阀杆具有更长的使用寿命和耐摩擦性能。本发明不仅能在核阀阀杆工作面上得到高耐磨、高抗腐蚀的强化层，减少备件的报废率，节省生产成本，而且可使核阀阀杆具有更长的使用寿命和更平衡的运行性能，避免了核阀阀杆工作面因腐蚀、磨损而引起的跳动，本发明既适用于加工新的核阀阀杆，也适用于修复报废的核阀阀杆。

Description

一种核电阀门阀杆表面激光复合强化的工艺
技术领域
本发明涉及激光加工领域，特别涉及一种核电阀门阀杆表面激光复合强化的工艺。
背景技术
能源问题是影响国际政治经济关系的焦点和核心，是影响国家安全和国内经济社会发展的永恒主题，发展核电等新能源，减少对日益减少的不可再生化石能源的依赖是解决能源问题的重要内容与方向。日本核泄漏事故以来,灾难性事故条件下核电站安全性和核电装备的运行可靠性与稳定性引起世界各国的高度重视，进一步提高核电阀门关键零部件的耐磨性、疲劳寿命和运行稳定性与可靠性，影响深远，意义重大。
对比分析各种同类产品结构，针对核阀阀杆滑动轴承摩擦副支承部分无法进行润滑、在高温工况中运行（350℃高温环境长期使用）轴系热胀冷缩量大，容易发生轴承卡涩现象的瓶颈问题，本发明提出基于激光熔覆和激光重熔工艺的复合强化技术代替现有的CO2气体保护焊乙炔气堆焊（CoCrW）工艺，在摩擦副表面形成深度的残余压应力和匹配特性（应力、硬度）优良的摩擦副表面组织结构状态，改善表面接触状况，提高抗粘着磨损能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种核电阀门阀杆表面激光复合强化的工艺，解决在350℃高温环境长期使用调节下，阀杆滑动轴承摩擦副无润滑运行、极易发生粘着磨损的瓶颈问题。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种核电阀门阀杆表面激光复合强化的工艺，包括以下步骤：
（1）用二氧化碳激光器先在核电阀门阀杆的轴承位置熔覆一层镍基合金粉末作为打底层，再熔覆一层碳化钨粉末作为表面层；
（2）用大功率Nd:YAG激光器对阀杆熔覆区域进行激光重熔处理。
本发明的进一步设置在于，步骤（1）包括以下子步骤：
（1.1）对阀杆待熔覆区域进行预处理；
（1.2）分别制备镍基合金粉末和碳化钨粉末，并将镍基合金粉末预置在阀杆待熔覆区域表面；
（1.3）用二氧化碳激光器作为热源在阀杆表面辐照形成熔池，在高温的环境中镍基合金粉末熔覆在阀杆工作面上，形成致密的打底层；
（1.4）将碳化钨粉末预置在阀杆熔覆后的区域，然后用二氧化碳激光器进行熔覆。
本发明的进一步设置在于，步骤（2）包括以下子步骤：
（2.1）用砂纸打磨阀杆熔覆区域，并对熔覆区域进行清洗；
（2.2）待阀杆干燥后，利用大功率Nd:YAG激光器对阀杆熔覆区域进行激光重熔处理；
（2.3）对经过上述处理后的阀杆进行常规机械加工，使阀杆满足尺寸及粗糙度要求，即得到具有优异耐摩擦耐腐蚀性能的核电阀门阀杆。
本发明的进一步设置在于，步骤（1.3）和步骤（1.4）中，在激光处理过程中，采用氩气作为保护气体。
本发明的进一步设置在于，步骤（1.1）所述的预处理是指在阀杆的轴承位置浇工业酒精作初步清洗，再浇丙酮作最终清洗，然后用吹风机吹干或自然风干。
本发明所述的核电阀门阀杆表面激光复合强化的工艺先采用不同的材料梯度激光熔覆的方法对阀杆表面材料进行改性，使基体表面残余拉应力水平降低，得到具有良好耐磨损、耐腐蚀性的熔覆层，然后采用激光重熔的方法改善熔覆层的质量，使熔覆层晶粒更加细化，组织结构更为均匀而致密，具有更好的界面结合强度，使核阀阀杆工作面具有更好的耐磨损、耐腐蚀性能，减少了材料的磨损量，更大程度的延长了阀杆的使用寿命。
本发明的有益效果如下：
1.在保证整体的机械力学性能并且不增加很多生产成本的前提下，仅在核电阀门阀杆易受磨损和腐蚀的轴承位置进行激光复合强化，实现了核阀阀杆的延寿，工艺及产品的性价比更高。
2.在阀杆轴承位置先激光熔覆镍基合金粉末作为打底层，再激光熔覆碳化钨粉末作为强化层，实现了复合梯度强化，硬度更高，耐磨性更好。
3.在所有熔覆材料中镍基合金材料使用最为广泛，与钴基合金相比，价格便宜，作为打底层性价比高。同时在镍基合金材料上激光熔覆碳化钨粉末这种坚硬的表面材料作为表面层，极大的提高了零部件的耐磨性。
4.整个激光熔覆过程都是在氩气保护环境下操作，保证了复合强化层中不会出现氧化渣等初始缺陷，保证了复合强化层的性能均匀性。采用氩气作为保护气体，在阀杆轴承位置形成深度的残余压应力和匹配特性（应力、硬度）优良的摩擦副表面组织结构状态，改善表面接触状况，提高抗粘着磨损能力。
5.通过激光重熔，可以降低熔覆层表面的粗糙度，晶粒细化组织均匀，形成致密的重熔层，提高了涂层的结合强度。
6.通过激光重熔，克服了激光熔覆无法熔透的缺点，同时在重熔后仍然保留了特有的梯度结构，因此所得的涂层的结合性能更好。
7.本发明不仅能在核阀阀杆工作面上得到高耐磨、高抗腐蚀的强化层，减少备件的报废率，节省生产成本，而且可使核阀阀杆具有更长的使用寿命和更平衡的运行性能，避免了核阀阀杆工作面因腐蚀、磨损而引起的跳动。
8.本发明既适用于加工新的核阀阀杆，也适用于修复报废的核阀阀杆，具有良好的经济效益与广泛的经济前景。
附图说明
图1是本发明的工艺流程示意图；
图2是经过激光复合强化后的核电阀门阀杆剖视图；
1-核电阀门阀杆，2-强化层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种核电阀门阀杆表面激光复合强化的工艺，包括以下步骤：
（1）用二氧化碳激光器先在核电阀门阀杆的轴承位置熔覆一层镍基合金粉末作为打底层，再熔覆一层碳化钨粉末作为表面层；
（1.1）对阀杆待熔覆区域进行预处理，在阀杆的轴承位置浇工业酒精初步清洗，再浇丙酮最终清洗，以清洗该工作面的油污和杂质，然后用吹风机吹干或自然风干。
（1.2）分别制备镍基合金粉末和碳化钨粉末，并将镍基合金粉末预置在阀杆待熔覆区域表面。
（1.3）在氩气气氛中，用二氧化碳激光器作为热源在阀杆表面辐照形成熔池，在高温的环境中镍基合金粉末熔覆在阀杆工作面上，形成致密的打底层。
（1.4）为了获得更好的耐摩擦性能，在阀杆工作面上再熔覆碳化钨这种更坚硬的材料作为抗磨抗蚀的表面层，实现梯度强化。先将碳化钨粉末预置在阀杆熔覆后的区域，然后用二氧化碳激光器进行熔覆，在激光处理过程中，采用氩气作为保护气体，并且根据加工情况适当调整保护气体的流量。
（2）用大功率Nd:YAG激光器对阀杆熔覆区域进行激光重熔处理。
（2.1）用1000#砂纸打磨阀杆熔覆区域，然后使用丙酮或酒精对熔覆区域进行清洗，以达到去除油污和杂质的目的。
（2.2）待阀杆干燥后，利用大功率Nd:YAG激光器对阀杆熔覆区域进行激光重熔处理。
（2.3）对经过上述处理后的阀杆进行常规机械加工，使阀杆满足尺寸及粗糙度要求，即得到具有优异耐摩擦耐腐蚀性能的核电阀门阀杆。如图2所示，核电阀门阀杆1的两端工作面上具有激光熔覆和重熔后的强化层2。

Claims (5)

1.一种核电阀门阀杆表面激光复合强化的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）用二氧化碳激光器先在核电阀门阀杆的轴承位置熔覆一层镍基合金粉末作为打底层，再熔覆一层碳化钨粉末作为表面层；
（2）用大功率Nd:YAG激光器对阀杆熔覆区域进行激光重熔处理。
2.根据权利要求1所述的核电阀门阀杆表面激光复合强化的工艺，其特征在于，步骤（1）包括以下子步骤：
（1.1）对阀杆待熔覆区域进行预处理；
（1.2）分别制备镍基合金粉末和碳化钨粉末，并将镍基合金粉末预置在阀杆待熔覆区域表面；
（1.3）用二氧化碳激光器作为热源在阀杆表面辐照形成熔池，在高温的环境中镍基合金粉末熔覆在阀杆工作面上，形成致密的打底层；
（1.4）将碳化钨粉末预置在阀杆熔覆后的区域，然后用二氧化碳激光器进行熔覆。
3.根据权利要求1所述的核电阀门阀杆表面激光复合强化的工艺，其特征在于，步骤（2）包括以下子步骤：
（2.1）用砂纸打磨阀杆熔覆区域，并对熔覆区域进行清洗；
（2.2）待阀杆干燥后，利用大功率Nd:YAG激光器对阀杆熔覆区域进行激光重熔处理；
（2.3）对经过上述处理后的阀杆进行常规机械加工，使阀杆满足尺寸及粗糙度要求，即得到具有优异耐摩擦耐腐蚀性能的核电阀门阀杆。
4.根据权利要求2所述的核电阀门阀杆表面激光复合强化的工艺，其特征在于，步骤（1.3）和步骤（1.4）中，在激光处理过程中，采用氩气作为保护气体。
5.根据权利要求2所述的核电阀门阀杆表面激光复合强化的工艺，其特征在于，步骤（1.1）所述的预处理是指在阀杆的轴承位置浇工业酒精作初步清洗，再浇丙酮作最终清洗，然后用吹风机吹干或自然风干。
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