CN104593766A - 一种煤化工球阀球体耐冲蚀表层的激光制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤化工球阀球体耐冲蚀表层的激光制备方法，其制备方法如下：（1）对球阀球体内孔进行加工，对于球体内孔尺寸进行预留；（2）对球体表面进行清洗与喷砂处理；（3）对球体进行预热；（4）根据球体尺寸对激光熔覆过程中的熔覆轨迹进行规划；（5）配置复合材料粉末；（6）通过激光器对球体进行激光熔覆；（7）对经过步骤（6）激光熔覆后的球体进行保温缓冷处理；（8）对经步骤（7）保温缓冷处理后的球体进行球面磨削与内孔加工至最终尺寸，即可。采用本发明工艺制备出的球阀球体耐冲蚀强化层能够满足耐磨、耐腐蚀等需求，且涂层无缺陷。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，特别涉及一种煤化工球阀球体耐冲蚀表层的激光制备方法。
背景技术
球阀是煤化工行业当中使用数量较多的介质输送控制设备，是煤制油设备备安全运行过程中必不可少的重要组成部分。
煤化工使用的球阀承受高温、高压以及高速固气两相流冲蚀，工况环境极其恶劣，这就对球阀材料和制造工艺提出了十分严格的要求，特别是球阀球体，其表面硬度需达HRC65 且耐冲蚀性能要好。仅依靠球阀本体材料难以满足使用需求，必须在球阀球体表面制备一层耐磨、耐腐蚀、耐冲蚀涂层。目前，能够满足这种特殊需求的涂层材料通常是碳化钨（WC）涂层，碳化钨涂层的制备技术主要有喷焊、超音速喷涂、等离子喷涂和激光熔覆等。采用喷焊、喷涂手段制得的球体表层往往硬度不高，表层与球体基材结合力低，耐冲蚀性能差。激光熔覆WC涂层结合强度高，但开裂倾向大，尤其是在球面上激光熔覆WC材料，在边缘区域由于无法散热，造成碳化钨过热，引起涂层开裂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种煤化工球阀球体耐冲蚀表层的激光制备方法，采用阀门球体内孔预留尺寸，避免激光熔覆球体边缘区域，同时优化涂层元素配比，减小涂层激光熔覆过程的开裂倾向，采用本发明工艺制备出的球阀球体耐冲蚀强化层能够满足耐磨、耐腐蚀等需求，且涂层无缺陷。
本发明是通过以下技术方案予以实现的。
一种煤化工球阀球体耐冲蚀表层的激光制备方法，其制备方法如下：
（1） 对球阀球体内孔进行加工，对于球体内孔尺寸进行预留，球体内孔直径比球体内孔最终直径大20~30mm；
（2） 对球体表面进行清洗与喷砂处理；
（3） 将待处理球体放入烘箱，对球体进行预热，预热温度控制在300~500℃，加热升温速度不超过100℃/h，达到设置温度后进行保温，保温时间2~3h；
（4） 根据球体尺寸对激光熔覆过程中的熔覆轨迹进行规划，起始点位于球体的预留区，所述激光熔覆过程中的熔覆轨迹规划为球体绕内孔中心轴线旋转，激光加工头沿球面作圆弧运动，并保证加工头始终垂直于球面；
（5） 配置复合材料粉末，所述复合材料粉末为钨基合金，所述钨基合金元素成分按质量百分比计为：C：3~5%，Cr：8~12%，Ni：20~24%，Fe：4-6%，Co：4-6%，Nb：1~3%，Si：1~3%，Ti：1~2%，B：0.5~1%， W：余量；
（6） 通过激光器对球体进行激光熔覆，激光熔覆过程中，将复合材料粉末侧向喷入激光熔池中，同时在激光熔覆过程中向激光熔覆区域吹入保护气体，防止激光熔覆区域被氧化，其中，所述激光功率密度为4.6~6.1kW/cm2、加工头相对球体线速度为2~5m/s、离焦量为-30~+30mm、送粉量为10~20g/min、搭接量为2.8~3.5mm；
（7） 对经过步骤（6）激光熔覆后的球体进行保温缓冷处理，缓冷温度不超过200℃，保温时间大于2小时，保温后自然冷却；
（8） 对经步骤（7）保温缓冷处理后的球体进行球面磨削与内孔加工至最终尺寸，即可。
上述一种煤化工球阀球体耐冲蚀表层的激光制备方法，其中，所述激光器为固体激光器或者CO2激光器。
上述一种煤化工球阀球体耐冲蚀表层的激光制备方法，其中，所述保护气体为氩气。
本发明的有意效果为：本方法可以提高球阀球体表面硬度、耐冲蚀性的激光制备方法，能够有效提提高球阀球体的使用寿命。
附图说明
图1为球阀球体内孔预留尺寸示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
实施例一：
本发明针对半径190mm的Inconel 718球阀球体，提供一种特种阀门球体表面耐冲蚀强化层的激光制备方法，包括如下步骤：
（1）对球阀球体1内孔进行加工，对于球体内孔尺寸进行预留，如图1所示，球体内孔最终直径尺寸为d2=180mm，在激光熔覆前球体内孔直径加工至d1=160mm；
（2）对球体表面进行丙酮清洗与喷砂处理；
（3）将待处理球体放入烘箱，对球体进行预热，预热温度控制为400℃，加热升温速度为80℃/h，达到设置温度后进行保温，保温时间2.5h；
（4）根据球体尺寸对激光熔覆过程中的熔覆轨迹进行规划，起始点位于球体的预留区，所述激光熔覆过程中的熔覆轨迹规划为轨：球体绕内孔中心轴线旋转，根据球体激光作用位置的直径，设置球体旋转速度，球体旋转速度=直径×3.14/激光光斑相对于球体表面线速度，保证激光光斑相对于球体表面线速度在2-5mm/s，同时激光加工头沿球面作圆弧运动，并保证加工头始终垂直于球面，运动速度为搭接量/球体每转一圈所用时间；
（5）配置复合材料粉末，所述复合材料粉末为钨基合金，所述钨基合金元素成分按质量百分比计为：C：3%，Cr：10%，Ni：20%，Fe：5%，Co：5%，Nb：2%，Si：2%，Ti：1.5%，B：1 %， W：50.5 %；
（6）通过激光器对球体进行激光熔覆，激光熔覆过程中，将复合材料粉末侧向喷入激光熔池中，同时在激光熔覆过程中向激光熔覆区域吹入保护气体，防止激光熔覆区域被氧化，其中，所述激光功率密度为5.1 kW/cm2、加工头相对球体线速度为2m/s、离焦量为-30mm、送粉量为15g/min、搭接量为3mm；
（7）对经过步骤（6）激光熔覆后的球体进行保温缓冷处理，缓冷温度为200℃，保温5小时，保温后自然冷却；
（8）对经步骤（7）保温缓冷处理后的球体进行球面磨削与内孔加工至最终尺寸，即可。
对加工后的球阀球体进行着色探伤，制得表层不允许出现裂纹、气孔，且熔敷表面平整。
本实施例所制备的球阀球体的熔覆层无气孔、无裂纹等缺陷，熔敷层与基体的界面处为冶金结合，球体耐冲蚀层中的碳化钨呈球状均匀分布，碳化钨颗粒所占比例为52.5%，强化层的显微硬度为979.9HV，厚度1.8mm，特别适用于煤化工中的球阀球体强化，使得球阀球体的服役寿命增加。
实施例二：
本发明针对半径80mm的304不锈钢球阀球体，提供一种特种阀门球体表面耐冲蚀强化层的激光制备方法，包括如下步骤：
（1）对球阀球体1内孔进行加工，对于球体内孔尺寸进行预留，如图1所示，球体内孔最终直径尺寸为d2=102mm，在激光熔覆前球体内孔直径加工至d1= 80 mm；
（2）对球体表面进行丙酮清洗与喷砂处理；
（3）将待处理球体放入烘箱，对球体进行预热，预热温度控制为450 ℃，加热升温速度为 50 ℃/h，达到设置温度后进行保温，保温时间 2 h；
（4）根据球体尺寸对激光熔覆过程中的熔覆轨迹进行规划，起始点位于球体的预留区，所述激光熔覆过程中的熔覆轨迹规划为轨：球体绕内孔中心轴线旋转，根据球体激光作用位置的直径，设置球体旋转速度，球体旋转速度=直径×3.14/激光光斑相对于球体表面线速度，保证激光光斑相对于球体表面线速度在 2.5 mm/s，同时激光加工头沿球面作圆弧运动，并保证加工头始终垂直于球面，运动速度为搭接量/球体每转一圈所用时间；
（5）配置复合材料粉末，所述复合材料粉末为钨基合金，所述钨基合金元素成分按质量百分比计为：C：5%，Cr：10%，Ni：20%，Fe：4%，Co：4%，Nb：2%，Si：1%，Ti：1%，B：1%， W：52%；
（6）通过激光器对球体进行激光熔覆，激光熔覆过程中，将复合材料粉末侧向喷入激光熔池中，同时在激光熔覆过程中向激光熔覆区域吹入保护气体，防止激光熔覆区域被氧化，其中，所述激光功率密度为6 kW/cm2、加工头相对球体线速度为2.5 m/s、离焦量为30 mm、送粉量为12 g/min、搭接量为2.8 mm；
（7）对经过步骤（6）激光熔覆后的球体进行保温缓冷处理，缓冷温度为 150 ℃，保温3小时，保温后自然冷却；
（8）对经步骤（7）保温缓冷处理后的球体进行球面磨削与内孔加工至最终尺寸，即可。
对加工后的球阀球体进行着色探伤，制得表层不允许出现裂纹、气孔，且熔敷表面平整。
本实施例所制备的球阀球体的熔覆层无气孔、无裂纹等缺陷，熔敷层与基体的界面处为冶金结合，球体耐冲蚀层中的碳化钨呈球状均匀分布，碳化钨颗粒所占比例为54 %，强化层的显微硬度为1000 HV，厚度1.1 mm，特别适用于煤化工中的球阀球体强化，使得球阀球体的服役寿命增加。
实施例三：
本发明针对半径40mm 的F51不锈钢球阀球体，提供一种特种阀门球体表面耐冲蚀强化层的激光制备方法，包括如下步骤：
（1）对球阀球体1内孔进行加工，对于球体内孔尺寸进行预留，如图1所示，球体内孔最终直径尺寸为d2=50mm，在激光熔覆前球体内孔直径加工至d1= 30 mm；
（2）对球体表面进行丙酮清洗与喷砂处理；
（3）将待处理球体放入烘箱，对球体进行预热，预热温度控制为400℃，加热升温速度为50℃/h，达到设置温度后进行保温，保温时间2 h；
（4）根据球体尺寸对激光熔覆过程中的熔覆轨迹进行规划，起始点位于球体的预留区，所述激光熔覆过程中的熔覆轨迹规划为轨：球体绕内孔中心轴线旋转，根据球体激光作用位置的直径，设置球体旋转速度，球体旋转速度=直径×3.14/激光光斑相对于球体表面线速度，保证激光光斑相对于球体表面线速度在3 mm/s，同时激光加工头沿球面作圆弧运动，并保证加工头始终垂直于球面，运动速度为搭接量/球体每转一圈所用时间；
（5）配置复合材料粉末，所述复合材料粉末为钨基合金，所述钨基合金元素成分按质量百分比计为：C：3%，Cr：12%，Ni：24%，Fe：6%，Co：6%，Nb：2%，Si：2%，Ti：2%，B：1%， W：42%；
（6）通过激光器对球体进行激光熔覆，激光熔覆过程中，将复合材料粉末侧向喷入激光熔池中，同时在激光熔覆过程中向激光熔覆区域吹入保护气体，防止激光熔覆区域被氧化，其中，所述激光功率密度为 4.6 kW/cm2、加工头相对球体线速度为3m/s、离焦量为-30mm、送粉量为12g/min、搭接量为3 mm；
（7）对经过步骤（6）激光熔覆后的球体进行保温缓冷处理，缓冷温度为 200℃，保温2小时，保温后自然冷却；
（8）对经步骤（7）保温缓冷处理后的球体进行球面磨削与内孔加工至最终尺寸，即可。
对加工后的球阀球体进行着色探伤，制得表层不允许出现裂纹、气孔，且熔敷表面平整。
本实施例所制备的球阀球体的熔覆层无气孔、无裂纹等缺陷，熔敷层与基体的界面处为冶金结合，球体耐冲蚀层中的碳化钨呈球状均匀分布，碳化钨颗粒所占比例为50%，强化层的显微硬度为950HV，厚度1mm，特别适用于煤化工中的球阀球体强化，使得球阀球体的服役寿命增加。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中，因此，本发明不受本实施例的限制，任何采用等效替换取得的技术方案均在本发明保护的范围内。
Claims (3)
1.一种煤化工球阀球体耐冲蚀表层的激光制备方法，其特征为，其制备方法如下：
对球阀球体内孔进行加工，对于球体内孔尺寸进行预留，球体内孔直径比球体内孔最终直径大20~30mm；
对球体表面进行清洗与喷砂处理；
将待处理球体放入烘箱，对球体进行预热，预热温度控制在300~500℃，加热升温速度不超过100℃/h，达到设置温度后进行保温，保温时间2~3h；
根据球体尺寸对激光熔覆过程中的熔覆轨迹进行规划，起始点位于球体的预留区，所述激光熔覆过程中的熔覆轨迹规划为球体绕内孔中心轴线旋转，激光加工头沿球面作圆弧运动，并保证加工头始终垂直于球面；
配置复合材料粉末，所述复合材料粉末为钨基合金，所述钨基合金元素成分按质量百分比计为：C：3~5%，Cr：8~12%，Ni：20~24%，Fe：4-6%，Co：4-6%，Nb：1~3%，Si：1~3%，Ti：1~2%，B：0.5~1%， W：余量；
通过激光器对球体进行激光熔覆，激光熔覆过程中，将复合材料粉末侧向喷入激光熔池中，同时在激光熔覆过程中向激光熔覆区域吹入保护气体，防止激光熔覆区域被氧化，其中，所述激光功率密度为4.6~6.1kW/cm2、加工头相对球体线速度为2~5m/s、离焦量为-30~+30mm、送粉量为10~20g/min、搭接量为2.8~3.5mm；
对经过步骤（6）激光熔覆后的球体进行保温缓冷处理，缓冷温度不超过200℃，保温时间大于2小时，保温后自然冷却；
对经步骤（7）保温缓冷处理后的球体进行球面磨削与内孔加工至最终尺寸，即可。
2.如权利要求1所述的一种煤化工球阀球体耐冲蚀表层的激光制备方法，其特征为，所述激光器为固体激光器或者CO2激光器。
3.如权利要求1所述的一种煤化工球阀球体耐冲蚀表层的激光制备方法，其特征为，所述保护气体为氩气。
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