CN105861882A - 一种激光组合制造专用合金粉末及其在硬密封球阀中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光组合制造专用合金粉末及其在硬密封球阀中的应用，所述合金粉末由如下质量配比的原料组成：碳1.8～2.0％，铬28～31％，钨8～10％，钼2‑3％，镍3～4％，铁3～5％，硅1～2％，锰1～2％，硼0.1～1％，钴余量；采用本发明所述激光合金混合物，在球体密封面整体车削进行激光熔覆，可以获得与基体呈冶金结合、组织均匀、表面形貌良好的涂层；在实际使用中球阀不需加热，在硬度、耐磨、韧性、耐冲击方面的性能上比基材SS316有很大的提升；该熔覆层具有较高的硬度、耐磨性、韧性和抗冲击性能，综合性能优异；熔覆工艺适应性宽，重复性一致，操作性强。

Description

一种激光组合制造专用合金粉末及其在硬密封球阀中的应用
(一)技术领域
本发明涉及一种材料与激光加工，尤其涉及激光组合制造专用合金粉末及其在制备耐磨煤制油化工硬密封球阀中的应用。
(二)背景技术
煤制油化工在我国尚属新兴产业，但是煤制油和煤化工在中国的发展却是迅猛而深入。煤液化分为直接液化和间接液化，无论是直接液化还是间接液化，工艺介质中不仅有煤粉，而且还含有H2S、H2、O2、CO、NH3、CO2、Cl-等易燃易爆及腐蚀性介质。由于液化煤复杂的成分与工况的要求，对其装置中使用的阀门从材料到制造都会提出一些特殊的要求。在煤制油化工上，采用大量的金属硬密封球阀，直接液化上采用的金属硬密封耐磨阀门在使用过程中极容易出现高温抱死、高温泄漏、冷态阀门无法启闭的现象。常温常压状态下，有些阀门由于频繁开启或处于半开关状态，以至快速毁损，寿命极低。
鉴于煤制油化工阀门对材料性能的高要求，钴基合金以其材料耐高温、耐磨损、耐腐蚀性能而被广泛用于阀门行业中。但目前，国内外在高品质阀门上均采用表面堆焊强化处理、超音速火焰喷涂、等离子喷涂等工艺。堆焊工艺多为氧-乙炔火焰堆焊，这种堆焊方法生产效率低而且热影响区大，稀释率大，焊接质量不稳定，废品率高达6％～10％。超音速火焰喷涂(HVOF)技术也广泛用于阀门表面的涂层，但超音速火焰喷涂涂层由于涂层较高的孔隙率、高压蒸汽的渗透、涂层与基体的结合强度较低、残余应力的存在，涂层质量普遍不高。等离子喷涂以其零件无变形不改变基体金属的热处理性质、涂层的种类多、工艺稳定涂层质量高等特点在高性能阀门上的应用也很广泛，但等离子喷涂的涂层一直存在一些问题：涂层与界面结合强度偏低、涂层的表面粗糙度较大，耐应变性差，在交变弯曲应力或重载条件下易引起涂层剥落、涂层的孔隙率高，显微硬度低，降低了涂层的耐磨性。
激光组合制造是在零件的关键部位进行选区性材料的成形，进行优化结构设计、优化选材及优化制造，激光组合制造更强调与基体材质的不同，多组元功能性结构，实现异质材料的结合，以及制造层内部材料的梯度变化，亦可以利用报废的部件作为母体，实现全生命周期的循环利用，并节材降耗。实现了材料组合、方法组合和功能组合。随着煤制油化工行业的不断发展，球阀使用环境的日益苛刻，常用工艺下球阀表面处理因磨损或涂层与基体结合力不足等问题使得使用寿命不高。而激光组合制造由于是在零件的关键部位进行选区性材料的成形，可以利用报废零件作为母体进行激光组合再制造，所以激光组合制造的这些特性使其很适合在球阀密封面强化与再制造上使用。本发明中激光组合制造阀门密封面在合适的参数下可以获得常规工艺处理很难获得高硬度、高结合力、耐腐蚀、耐磨损与擦伤的密封面熔覆层，从而能够有效延长阀门的使用寿命。
(三)发明内容
本发明目的是提供一种适用于煤制油化工恶劣工况的激光合金混合物，并在球阀易失效部位，如密封面或因各类磨损、表面擦伤、微裂纹引起的损伤部位采用预设工艺进行激光组合制造。经激光组合制造处理后的球阀具备高硬度、耐磨损与擦伤、耐冲击，从而延长球阀的使用寿命。
本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种激光组合制造专用合金粉末，所述合金粉末由如下质量配比的原料制成：碳(C)1.8～2.0％，铬(Cr)28～31％，钨(W)8～10％，钼(Mo)2-3％，镍(Ni)3～4％，铁(Fe)3～5％，硅(Si)1～2％，锰(Mn)1～2％，硼(B)0.1～1％，钴(Co)余量。
进一步，优选所述激光合金混合物由如下质量配比的原料制成：碳1.8％，铬29.5％，钨8.8％，钼3％，镍3.3％，铁4.4％，硅1.7％，锰1.7％，硼0.7％，钴45.1％。
进一步，优选所述合金粉末由如下质量配比的原料制成：碳2％，铬31％，钨9.9％，钼3％，镍4％，铁5％，硅2％，锰2％，硼1％，钴40.1％。
本发明所述激光组合制造专用合金粉末制备方法为：将配方量的激光组合制造专用合金粉末各组分混合，通过真空感应熔炼、除渣、精炼、均匀化后惰性气体雾化，获得激光组合制造专用合金粉末。
本发明所述的具有高硬度、抗磨损与擦伤、耐腐蚀的激光合金混合物成分设计原理为：
(1)碳C：1.8～2.0％
当碳含量增加时，可以和其他合金元素形成不同的碳化物等硬质相。如与W形成M3C、M6C等，与Cr元素形成M7C3，M23C6等碳化物，从而达到强化熔覆层的效果。由于煤制油化工硬密封阀门密封面与高温介质相接触，受到磨损与冲击，因此激光组合制造后的材料应该具有高硬度、耐磨、耐擦伤等性能。所以混合物合金设计的碳含量较高。
(2)铬Cr：28～29％
Cr元素的添加主要是为了在Co基合金中形成富铬碳化物。高的Cr含量有助于涂层抵抗腐蚀与氧化。
(3)钨W：8～10％
W元素会对涂层提供额外的强化，由于其较大的原子尺寸，当它固溶在基体中时，可以阻碍位错移动。它也会形成碳化物，弥散分布于涂层当中，形成耐磨硬质相。
(4)钼Mo：2-3％
Mo的熔点为2620℃，其原子结合力强，在涂层中会与Co形成强化相Co3Mo的金属间化合物。Mo的热膨胀系数小，导热性好，在涂层中加入Mo，可以使涂层的强度、韧性、耐热性大幅度提高。
本发明还提供一种所述激光组合制造专用合金粉末在制备耐磨煤化工用硬密封球阀中的应用，所述应用为：所述耐磨煤化工用硬密封球阀包括阀体、球体和阀座，阀体内套设有球体，阀体与球体接触处设有阀座，所述球体上设有一流道，所述阀座和阀体在对应所述流道两端的位置上设有开口，在所述球体表面进行整体车削，将激光组合制造专用合金粉末研磨至100～325目，由惰性气体送粉，采用半导体激光器与同轴送粉的熔覆方式将激光组合制造专用合金粉末涂覆在球体表面并使涂覆合金粉末后的球体表面与所述的阀体紧密配合。所述半导体激光器的功率为1.5～1.9KW，激光扫描速度为240～360mm/min。所述送粉量为10～15g/min，熔覆道次之间的搭接率为40-60％(优选50％)。所述球阀为不锈钢SS316(也可适用于其它牌号不锈钢)制备而成。
本发明所述激光组合制造专用合金粉末制备方法为：将配方量的激光组合制造专用合金粉末的各组分混合，放置在200℃烘箱内烘烤2h；将烘烤后的混合物放入频感应炉(优选JZ-500/2，宁波市鄞州国辉电子技术有限公司)中，电炉的温度用热电偶测量，经过2h的熔化后，当合金完全熔融且恒定在过热度150℃时，进行制粉；喷粉完成后，出粉并用酒精除去水分，200℃烘干后过100-325目筛，即为激光组合制造专用合金粉末。
所述球体表面车削深度为0.2-1.5mm(优选0.5mm)。所述激光合金混合物涂覆厚度为0.5-2mm(优选0.7～0.9mm)。
本发明所述激光组合制造专用合金粉末在实际使用中不需要预热，可在合适的参数下获得高硬度、抗磨损、耐高温、耐擦伤的球阀密封面熔覆层，且制造工艺适应性较宽，重复性一致，完全可用于球阀密封部位的修复与再制造。熔覆层主要依靠Cr7C3、(Co,W)6C与金属间化合物Co3Mo形成的共晶组织进行强化。在球阀易失效部位(即工作轨迹)进行激光组合制造选区成型。这种工艺在保证密封面密封的情况下最大程度的节省了昂贵材料，可以充分发挥激光组合制造选区成型的优势。
作为优选，所述工件为球阀的球体，在激光组合制造前，对球体密封面整体进行单边0.5mm的余量去除，在铣去的部位进行激光组合制造合金粉末熔覆。经激光组合制造后，虽然激光组合制造的材料与基材不同，属于异质材料的结合，但熔覆层与基体结合良好，无气孔、夹杂、裂纹等缺陷出现。熔覆层内存在多种碳化物与金属间化合物等强化相，致熔覆层硬度高达HRC52。并且此工艺的适应范围广。具有很强的实用性。
与现有技术相比，本发明有益效果主要体现在：
采用本发明所述激光合金混合物，在球体密封面整体车削进行激光熔覆，可以获得与基体呈冶金结合、组织均匀、表面形貌良好的涂层。在实际使用中球阀不需加热，在硬度、耐磨、韧性、耐冲击方面的性能上比基材SS316有很大的提升。该熔覆层具有较高的硬度、耐磨性、韧性和抗冲击性能，综合性能优异。熔覆工艺适应性宽，重复性一致，操作性强，完全可用于球阀密封面部位的强化与再制造，工艺简单可靠。大幅度延长了煤制油化工球阀的使用寿命与可靠性。
(四)附图说明
图1为激光组合制造涂层与SS316基体摩擦系数对比。
图2激光组合制造涂层扫描电镜图片。
图3激光组合制造涂层XRD分析。
图4激光组合制造实体球体。
图5实体球体着色探伤。
图6为球阀装配图，其中1为球体，2为阀座，3为阀体。
(五)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1激光组合制造专用合金粉末
(1)激光组合制造专用合金粉末总质量7kg，质量组成为，C：1.8wt％，Cr：28.1wt％，Mo：2wt％，W：8.3wt％，Ni：3.1wt％，Fe：3wt％，Si：1wt％，Mn：1wt％，B：0.1wt％，Co：51.6％。
(2)按步骤(1)配方量，分别称量各个组分，混合，放置在200℃烘箱内烘烤2h；
(3)将步骤(2)烘烤后的混合物7kg放入宁波市鄞州国辉电子技术有限公司生产的JZ-500/2中频感应炉中，电炉的温度用热电偶测量，经过2h的熔化后，当合金完全熔融且恒定在过热度150℃时，进行制粉；喷粉完成后，出粉并用酒精除去水分，200℃烘干后过100-325目筛，密封待用。
实施例2激光组合制造专用合金粉末
激光组合制造专用合金粉末质量组成为C：2.0wt％，Cr：31wt％，Mo：3wt％，W：9.9wt％，Ni:4wt％，Fe：5wt％，Si：2wt％，Mn：2wt％，B：1wt％，Co：40.1％。其他操作同实施例1，获得激光组合制造专用合金粉末7kg。
实施例3激光组合制造专用合金粉末
激光组合制造专用合金粉末质量组成为C：1.9wt％，Cr：29.5wt％，Mo：2.5wt％，W：9wt％，Ni:3.5wt％，Fe：4wt％，Si：1.5wt％，Mn：1.5wt％，B：0.5wt％，Co：46.1％。其他操作同实施例1，获得激光组合制造专用合金粉末7kg。
实施例4激光组合制造专用合金粉末的应用
(1)参见图6，所述耐磨煤化工用硬密封球阀包括阀体、球体和阀座，阀体内套设有球体，阀体与球体接触处设有阀座，所述球体上设有一流道，所述阀座和阀体在对应所述流道两端的位置上设有开口，球阀基体材料为不锈钢SS316，先对球体密封面整体车削，车削深度为单边0.5mm，如图4所示。
(2)将实施例1制备的激光组合制造专用合金粉末放入沸腾式送粉器中。采用两机械臂相配合的方式进行球体表面恒焦距、恒线速度的激光熔覆，在熔覆过程中始终保持熔覆面水平并与送粉头轴线垂直。球阀密封面激光熔覆工艺参数调整至：
a、激光功率至1.5KW，扫描速度为4mm/s，送粉量为10g/min，保护气压力为0.2MPa，激光光斑直径为4mm；搭接率为50％。
b、激光功率至1.7KW，扫描速度为5mm/s，送粉量为13g/min，保护气压力为0.2MPa，激光光斑直径为4mm；搭接率为50％。
c、激光功率至1.9KW，扫描速度为15mm/s，送粉量为15g/min，保护气压力为0.2MPa，激光光斑直径为4mm；搭接率为50％。
(3)激光熔覆之后，磨床加工至工作尺寸。
经装机后擦伤试验机检测，阀门开/关时间每次均为20秒，按WI-0916要求进行密封泄漏测试：气80psi保持120s；水315psi保持120s。规定开关闭次数下，相比传统化学镀镍(ENP)工艺5000次已出现泄露，激光组合制造专用合金粉末熔覆球体在规定的次数内，水与气均无泄露出现，如表2所示。
进行了50余组的试验，择优选取激光组合制造工艺参数值如表1所述，在表1所述激光组合制造工艺参数之下均可获得满意的熔覆层，硬度可达到HRC50～52；
试样采用HT-600高温摩擦磨损试验进行高温磨损测试，400℃高温磨损试验中，其摩擦系数曲线表明其耐磨损性能相比基体得到明显改善，如图1所示。
熔覆层的扫描电镜显微组织如图2所示，可以看到涂层中主要存在灰色、黑色、白色三种颜色的组织，对涂层进行EDS分析发现灰色为富Co区域，黑色为富Cr区域、白色为富W和富Mo区域。对涂层进行XRD分析，如图3所示。发现富Co区域主要相是fcc面心立方Co基固溶体，富Cr区域主要相是Cr7C3，富W区域主要相为(Co,W)6C。
上述结果表明：经激光组合制造后，虽然激光组合制造的材料与基材不同，属于异质材料的结合，但熔覆层与基体结合良好，无气孔、夹杂、裂纹等缺陷出现。熔覆层内存在多种碳化物与金属间化合物等强化相，致熔覆层硬度高达HRC52。并且此工艺的适应范围广。具有很强的实用性。
如图4所示为在实体球体上的激光组合制造实例，可以看到，熔覆层几何形貌良好。对激光组合制造球体进行着色探伤分析，如图5所示。可以看到涂层无裂纹生成。
实施例4：
采用实施例2制备的激光组合制造专用合金粉末，按球阀密封面待熔覆部位编制程序，调整激光工艺：
a、激光功率至1.6KW，扫描速度为4mm/s，送粉量为10g/min，保护气压力为0.2MPa，激光光斑直径为4mm；搭接率为50％。
b、激光功率至1.8KW，扫描速度为5mm/s，送粉量为13g/min，保护气压力为0.2MPa，激光光斑直径为4mm；搭接率为50％。其它操作同实施例3。
经装机后擦伤试验机检测，阀门开/关时间每次均为20秒，按WI-0916要求进行密封泄漏测试：气80psi保持120s；水315psi保持120s。规定开关闭次数下，激光组合制造整体熔覆球体，在规定的次数内水与气均无泄露出现，如表3所示。
实施例1，2，3的熔覆层表面质量均良好，经着色探伤均无裂纹出现。经擦伤试验机检测其密封寿命，其结果显示密封寿命提高了3倍以上，寿命长于整体镀镍(ENP)球阀寿命。完全可用于煤制油化工球阀的修复与再制造，可以广泛的推广使用。
表1 激光组合制造工艺参数
表2 激光组合制造球阀与传统ENP球阀擦伤试验对比
表3 激光组合制造开槽球阀与整体熔覆球阀擦伤试验对比
由上述试验可知，采用本发明激光组合增材制造合金粉末，在球阀表面进行激光熔覆，比SS316在硬度、耐磨、韧性、耐冲击方面的性能上有很大的提升。该熔覆层具有较高的硬度、耐磨性、韧性和抗冲击性能，综合性能优异，激光组合制造工艺参数范围较广，工艺简单可靠。大幅度的延长了煤制油化工球阀的使用寿命与可靠性。

Claims (10)

1.一种激光组合制造专用合金粉末，其特征在于所述合金粉末由如下质量配比的原料制成：碳1.8～2.0％，铬28～31％，钨8～10％，钼2-3％，镍3～4％，铁3～5％，硅1～2％，锰1～2％，硼0.1～1％，钴余量。
2.如权利要求1所述激光组合制造专用合金粉末，其特征在于所述合金粉末由如下质量配比的原料制成：碳1.8％，铬28.1％，钨8.3％，钼2％，镍3.1％，铁3％，硅1％，锰1％，硼0.1％，钴51.6％。
3.如权利要求1所述激光组合制造专用合金粉末，其特征在于所述合金粉末由如下质量配比的原料制成：碳2％，铬31％，钨9.9％，钼3％，镍4％，铁5％，硅2％，锰2％，硼1％，钴40.1％。
4.如权利要求1所述激光组合制造专用合金粉末，其特征在于所述合金粉末制成方法为：将配方量的激光组合制造专用合金粉末各组分混合，通过真空感应熔炼、除渣、精炼、均匀化后惰性气体雾化，获得激光组合制造专用合金粉末。
5.一种权利要求1所述激光组合制造专用合金粉末在制备耐磨煤化工用硬密封球阀中的应用。
6.如权利要求5所述的应用，其特征在于所述应用为：所述耐磨煤化工用硬密封球阀包括阀体、球体和阀座，阀体内套设有球体，阀体与球体接触处设有阀座，在所述球体表面进行整体车削；将激光组合制造专用合金粉末研磨至100～325目，由惰性气体送粉，采用半导体激光器与同轴送粉的熔覆方式将激光组合制造专用合金粉末涂覆在球体表面并使涂覆合金粉末后的球体表面与所述的阀体紧密配合。
7.如权利要求6所述的应用，其特征在于所述半导体激光器的功率为1.5～1.9KW，激光扫描速度为240～360mm/min。
8.如权利要求6所述的应用，其特征在于所述送粉量为10～15g/min，熔覆道次之间的搭接率40-60％。
9.如权利要求6所述的应用，其特征在于所述球阀的基材为不锈钢SS316。
10.如权利要求6所述的应用，其特征在于所述球体表面车削深度为0.2-1.5mm；所述激光组合制造专用合金粉末涂覆厚度为0.5-2mm。
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