CN106011844B - 一种汽门阀座密封面的修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽门阀座密封面的修复方法包括：去除汽门阀座密封面的失效涂层，形成修复区域，修复区域位于汽门阀座的曲面内腔；根据汽门阀座的曲面内腔的修复区域，确定熔覆路径；采用激光熔覆沿着熔覆路径将涂层材料熔覆在汽门阀座的曲面内腔的修复区域，在修复区域形成修复涂层；在沿着熔覆路径将涂层材料熔覆在汽门阀座的曲面内腔的修复区域过程中，激光光路与修复区域表面的激光倾斜角度为0～90°，焊道搭接量为50～90％，而且至少有部分熔覆路径需要激光光路由下至上对修复区域进行激光熔覆。本发明能够明显提高汽门阀座修复的质量。
Description
技术领域
本发明属于金属零件修复领域，特别涉及一种应用于蒸汽轮机的汽门阀座密封面的修复方法和系统。
背景技术
蒸汽轮机广泛用于火力发电和核能发电领域。工作介质通常为高温高压蒸汽。由于服役条件严苛，蒸汽轮机的汽门阀座的损耗严重，一般需要定期修复。
汽门阀座承受的冲击磨损及失效主要有如下几个方面：
1、高温高压蒸汽高速的冲刷和振动；
2、开关阀门时阀门对阀座的高速机械冲击；
3、高速蒸汽中夹带的杂质颗粒的冲蚀；
4、高温高压停开机形成冷热冲击导致堆焊层和基体结合面开裂脱落。
5、阀门关闭状态无法完全密封导致局部高压气体冲蚀。
在实际操作中，电厂蒸汽轮机的汽门阀座密封面修复，目前采用传统气体保护电弧焊等方法。步骤如下：
1、使用渗透显像探伤等方式，检查阀座是否有裂纹等缺陷；
2、机加工将缺陷部分去除，一般需要将整个原合金涂层以及阀座基体的热影响区都除掉。
3、使用电弧焊等方式在阀座基体位置堆焊若干层，之后机加工到密封面尺寸。
但是，目前采用传统气体保护电弧焊等方法进行修复至少存在以下的缺点：
传统气体保护电弧焊的修复过程会造成如下问题：
1、热输入较大，对阀座基材造成热冲击，形成很厚硬度很高的硬化层。服役过程中基材的硬化层位置易产生裂纹等问题。
2、稀释率较大，从基材中渗透Fe/C等元素到涂层中，形成脆性相。长时间服役后，缺陷源一般产生于涂层第一层位置，即脆性相断裂形成的裂纹。
3、熔池流淌，使得焊道形状不可控，难以避免因此产生的虚焊、气孔等问题。
4、由于阀座处于腔体深处，常规行动机构难以接近，并且难以控制修复路径。
激光熔覆是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。相对于传统的气体保护电弧焊，激光熔覆的优点如下：
1、采用激光作为热源，可以精确控制热的输入。
2、由于热输入可精确控制，激光熔覆工艺的稀释率可以控制在较低的水平，并且多层熔覆后稀释率可以忽略。
3、相比传统工艺，采用激光作为热源熔池的流淌情况可控，从而可以避免虚焊、气孔等问题。
4、传统堆焊工艺堆焊层硬度不均匀，采用激光熔覆堆焊层硬度均匀，提高阀门的阀芯与阀座密封性能进一步增加使用寿命。
但是，发明人在实现发明的过程中发现，目前激光熔覆并没有被广泛的使用在电厂蒸汽轮机的汽门阀座的修复之中，局限主要有：
1、熔覆区域的方位多变
汽门阀座往往是竖直放置的，需要环形的阀座密封面上进行激光熔覆，整个工艺过程重力方位的变化很大，难以保证参数的稳定性。
2、熔覆过程难以监控
由于阀座处于腔体深处，常规行动机构难以接近，并且难以控制修复路径。
因此，有必要探索新的方式来对蒸汽轮机汽门阀座的密封面进行修复。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，研制出一种汽门阀座密封面的修复方法和系统，通过对目前激光熔覆工艺的改进，激光熔覆工艺能够应用于蒸汽轮机的汽门阀座密封面的修复，不仅相对于传统堆焊工艺修复汽门阀座，明显提高了汽门阀座密封面的修复质量，而且通过对目前激光熔覆的改进，增加了激光熔覆工艺的适用性。
本发明实施例提供一种汽门阀座密封面的修复方法，该方法包括：去除汽门阀座密封面的失效涂层，形成修复区域，所述修复区域位于所述汽门阀座的曲面内腔；根据位于所述汽门阀座的曲面内腔的修复区域，确定熔覆路径；采用激光熔覆沿着所述熔覆路径将涂层材料熔覆在所述汽门阀座的曲面内腔的修复区域，在所述修复区域形成修复涂层；其中，在沿着所述熔覆路径将涂层材料熔覆在所述汽门阀座的曲面内腔的修复区域的过程中，激光光路与修复区域表面的激光倾斜角度为0～90°，焊道搭接量为50～90％，而且至少有部分熔覆路径需要激光光路由下至上对修复区域进行激光熔覆；在沿着所述熔覆路径将涂层材料熔覆在所述汽门阀座的曲面内腔的修复区域的过程中，实际激光功率密度遵循如下公式：P＝P0/cosψ＝P0/cos(α+β)；其中，P为实际激光功率密度；P0激光光路垂直情况下功率密度；α激光光路与水平面角度；β阀座待熔覆面角度；ψ激光光路与待熔覆面角度。
进一步地，所述涂层材料采用镍基合金和/或钴基合金，其中，镍基合金以质量百分含量计包含下述成分：C，0.0～0.2％；Cr，10～30％；Mn，0.2～5％；Fe，0.0～3％；Si，0.2～0.5％；余量为Ni；钴基合金以质量百分含量计包含下述成分：C，0.20～0.3％；Mo，5～6％；Ni，1～5％；Cr，25～30％；Mn，0.5～1％；Fe，0.0～2％；Si，0.5～2％；余量为Co。
进一步地，所述镍基合金以质量百分含量计包含下述成分：C，0.5～0.15％；Cr，15～25％；Mn，0.5～4％；Fe，0.5～2％；Si，0.3～0.4％；Mo，8～10％；Nb 2～5％，余量为Ni；钴基合金以质量百分含量计包含下述成分：C，0.2～0.25％；Mo，5～5.5％；Ni，3～4％；Cr，25～28％；Mn，0.5～0.8％；Fe，0.5～1％；Si，1～1.5％；余量为Co。
进一步地，所述镍基合金和钴基合金为粉末，或者，所述镍基合金和钴基合金为丝材。
进一步地，所述修复涂层由修复层组成，所述修复层采用镍基合金和/或钴基合金；或者，所述修复涂层由过渡层和修复层组成，所述过渡层采用镍基合金，所述修复层采用镍基合金和/或钴基合金。
进一步地，所述光斑直径为1～8mm、激光功率为500～5000w、熔覆速度为5～20mm/s、送粉率为10～50g/min、能量密度为50～150W/mm2，单位时间送粉率和能量密度比值为0.3～1.5g·mm2/s·w、载气流量为3～15L/min、保护气流量5～20L/min和预热温度100～200℃时，所述激光倾斜角度为0～90°，焊道搭接量为50～90％。
进一步地，所述激光倾斜角度为50～90°，焊道搭接量为60～80％。
进一步地，在沿着所述熔覆路径将涂层材料熔覆在所述汽门阀座的曲面内腔的修复区域的过程中，进行多层熔覆形成所述修复涂层。
进一步地，在沿着所述熔覆路径将涂层材料熔覆在所述汽门阀座的曲面内腔的修复区域的过程中，激光光路从汽门阀座的内径端开始，以螺旋线方式向外口方向熔覆，或者，沿汽门阀座的半径方向直线运动，或者以圆周线方式搭接。
本发明的有益效果包括：
针对电厂使用蒸汽轮机汽门阀座，采用激光作为热源，可以精确控制热的输入。由于热输入的精确控制，激光熔覆工艺的稀释率可以控制在较低的水平，并且多层熔覆后稀释率可以忽略。相比传统的堆焊工艺，采用激光作为热源熔池的流淌情况可控，从而可以避免虚焊、气孔等问题。传统堆焊工艺堆焊层硬度不均匀，采用激光熔覆堆焊层硬度均匀，提高阀门的阀芯与阀座密封性能进一步增加使用寿命。
在本发明实施例中，汽门阀座密封面的失效涂层位于曲面内腔，在沿着熔覆路径将涂层材料熔覆在蒸汽轮机汽门阀座的曲面内腔的修复区域的过程中，激光熔覆喷头的激光光路与修复区域表面的激光倾斜角度为0～90°，焊道搭接量为50～90％，克服了传统激光熔覆工艺中要求激光光路与待加工工件表面垂直呈90°，焊道搭接量最大只能达到50％的技术偏见，增加了激光熔覆工艺的适用性。
此外，在本发明实施例中，在沿着熔覆路径将涂层材料熔覆在蒸汽轮机汽门阀座的曲面内腔的修复区域的过程中，至少有部分熔覆路径需要激光熔覆喷头的激光光路由下至上对修复区域进行激光熔覆，克服了传统激光熔覆工艺中激光熔覆喷头的激光光路只能向下进行激光熔覆操作的限制，进一步增加了激光熔覆工艺的适用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中的激光熔覆过程中实际激光功率密度的关系示意图。
图2是现有的激光熔覆过程中焊道搭接量的示意图。
图3是本发明实施例中的激光熔覆过程中焊道搭接量的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
激光熔覆是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。在激光熔覆过程中，对修复工件的热输入量少，热影响区小，熔覆层组织细小，易于实现自动化等，解决了传统堆焊等热加工过程中不可避免的热变形、热疲劳损伤等一系列技术难题。因此，本发明实施例采用激光熔覆对汽门阀座密封面进行修复。
本发明对目前激光熔覆工艺的改进，提供了一种应用于蒸汽轮机的汽门阀座密封面修复方法。
在本发明实施例中，激光熔覆进行修复所使用的涂层材料的材质为镍基合金或者钴基合金，其中，
镍基合金以质量百分含量计包含下述成分：C，0.0～0.2％；Cr，10～30％；Mn，0.2～5％；Fe，0.0～3％；Si，0.2～0.5％；余量为Ni。
优选地，镍基合金以质量百分含量计包含下述成分：C，0.5～0.15％；Cr，15～25％；Mn，0.5～4％；Fe，0.5～2％；Si，0.3～0.4％；余量为Ni；此外，该种镍基合金还可进一步包含：Mo，8～10％；Nb 2～5％。
钴基合金以质量百分含量计包含下述成分：C，0.20～0.3％；Mo，5～6％；Ni，1～5％；Cr，25～30％；Mn，0.5～1％；Fe，0.0～2％；Si，0.5～2％；余量为Co。
优选地，钴基合金以质量百分含量计包含下述成分：C，0.2～0.25％；Mo，5～5.5％；Ni，3～4％；Cr，25～28％；Mn，0.5～0.8％；Fe，0.5～1％；Si，1～1.5％；余量为Co。
在本发明实施例中，激光熔覆所使用的镍基合金或者钴基合金可以是粉末，也可以是丝材。
在本发明实施例中，激光熔覆进行修复所使用的涂层材料可以单独的镍基合金或者钴基合金，也可以采用镍基合金做为涂层材料的过渡层，钴基材料作为阀座的涂层材料的涂层。
基于上述的涂层材料，本发明实施例的汽门阀座密封面修复方法，包括：
通过机加工去除蒸汽轮机汽门阀座的失效涂层；
基体探伤；
激光熔覆设备架设和激光熔覆路径调试；
通过激光熔覆在蒸汽轮机汽门阀座密封面形成修复涂层；
对蒸汽轮机汽门阀座密封面的修复涂层进行机加工；
修复涂层探伤。
基于涂层材料的热力学特性(Ni基、Co基)，传统的熔覆工艺有如下规律：
激光功率密度：130～150W/mm2；
送粉量：10·功率(g/min)；
熔覆速度：15mm/s；
激光入射角度:尽量垂直呈90°。
在熔覆工艺参数中，激光倾斜角度和焊道搭接量有关。因此，在传统的激光熔覆过程中，要实现稳定的激光熔覆工艺，通常要求在水平表面上熔覆，且激光光路与待加工工件表面尽量垂直呈90°，在此情况下，焊道搭接量最大是50％，如图2所示。50％一般用于水平表面上熔覆，现场阀座都是斜面上面堆积，故70％的搭接量更合适
但是，在实现本发明的实际操作过程中，蒸汽轮机汽门阀座内腔空间有限，且形状不规则并非水平表面，通常都是斜面上面堆积，激光光路与待加工面之间的角度不是90°，而是一个远小于90°的锐角，因此传统的激光熔覆工艺无法直接实施，必须要对传统的激光熔覆工艺进行改进。
在本发明实施例的蒸汽轮机汽门阀座密封面修复方法过程中，激光熔覆在蒸汽轮机汽门阀座密封面形成修复涂层涉及到的熔覆工艺参数包括下面的一种或多种：光斑直径、激光功率、熔覆速度、送粉率、激光倾斜角度、焊道搭接量、激光功率密度，单位时间送粉率和能量密度比值，此外，还可以包括载气流量、保护气流量和预热温度，还可能涉及到其他辅助参数，在此不一一列举。
发明人经过反复的实验，在本发明实施例中，熔覆工艺参数的具体范围如表1所示。
表1
| 光斑直径 | 1～8mm |
| 激光功率 | 500～5000w |
| 熔覆速度 | 5～20mm/s |
| 送粉率 | 10～50g/min |
| 激光倾斜角度 | 60～90° |
| 焊道搭接量 | 50～80％ |
| 激光功率密度 | 50～150W/mm2 |
| 单位时间送粉率和能量密度比值 | 0.3～1.5g·mm2/s·w |
| 载气流量 | 3～15L/min |
| 保护气流量 | 5～20L/min |
| 预热温度 | 100～200℃ |
如图1所示，经过反复试验，发明人发现由于激光并非垂直入射，激光熔覆过程中实际激光功率密度可遵循如下公式：
P＝P0/cosψ＝P0/cos(α+β)
其中：P为实际激光功率密度；
P0激光光路垂直情况下功率密度；
α激光光路与水平面角度；
β阀座待熔覆面角度；
ψ激光光路与待熔覆面角度。
根据上述公式，可以根据激光光路与待熔覆面角度，来计算实际激光功率密度，而不必拘泥于设定的激光光路垂直情况下功率密度，使得在激光熔覆过程激光光路的倾斜角度可以扩大到为0～90°。此外，由于在激光熔覆过程突破了激光光路的倾斜角度的限制，从而也使的焊道搭接量可以达到50～90％，优选地，焊道搭接量为70％，如图3所示。因此，本发明克服了传统的激光熔覆过程激光倾斜角度尽量垂直呈90°，而且焊道搭接量最大是50％的技术偏见。
此外，传统的激光熔覆过程不仅要求激光倾斜角度尽量垂直呈90°，而且，由于热源熔池的流淌情况，也要求激光光路必须向下对修复区域进行激光熔覆。在本发明实施例中，经过反复试验，发明人发现通过实际激光功率密度的控制，以及光斑直径、激光功率、熔覆速度、送粉率、激光倾斜角度、焊道搭接量、激光功率密度，单位时间送粉率和能量密度比值，载气流量、保护气流量和预热温度等参数的配合，可以实现在沿着熔覆路径将涂层材料熔覆在蒸汽轮机汽门阀座的曲面内腔的修复区域的过程中，至少有部分熔覆路径需要激光熔覆喷头的激光光路由下至上对修复区域进行激光熔覆，克服了传统激光熔覆工艺中激光熔覆喷头的激光光路只能向下进行激光熔覆操作的限制，进一步增加了激光熔覆工艺的适用性。
优选地，光斑直径为5～8mm、激光功率为3000～4000w、熔覆速度为10～15mm/s、送粉率为20～40g/min、能量密度为100～150W/mm2；当单位时间送粉率和能量密度比值为0.5～1.5g·mm2/s·w、载气流量为5～10L/min、保护气流量10～15L/min和预热温度100～200℃时，所述激光倾斜角度可以达到为50～90°，焊道搭接量可以达到60～80％。
在本发明实施例的激光熔覆过程中，蒸汽轮机汽门阀座内腔中的激光光路优选地可以从阀座的内径端开始，以螺旋线方式向外口方向熔覆。当然，也可以沿半径方向直线运动，或者不走螺旋线而以圆周线方式搭接，在此并不做限制。
在本发明实施例的激光熔覆过程中，阀座修复涂层厚度在10mm左右，而激光熔覆涂层每层厚度为1～2mm左右，故需要多层熔覆。层间必须将氧化层打磨掉，以控制整个涂层中氧化物的含量。
从以上的描述可以看出，和现有技术相比，针对电厂使用蒸汽轮机汽门阀座，采用激光作为热源，可以精确控制热的输入。由于热输入的精确控制，激光熔覆工艺的稀释率可以控制在较低的水平，并且多层熔覆后稀释率可以忽略。相比传统的堆焊工艺，采用激光作为热源熔池的流淌情况可控，从而可以避免虚焊、气孔等问题。传统堆焊工艺堆焊层硬度不均匀，采用激光熔覆堆焊层硬度均匀，提高阀门的阀芯与阀座密封性能进一步增加使用寿命。
此外，蒸汽轮机汽门阀座密封面的失效涂层位于曲面内腔，在沿着熔覆路径将涂层材料熔覆在蒸汽轮机汽门阀座的曲面内腔的修复区域的过程中，激光熔覆喷头的激光光路与修复区域表面的激光倾斜角度为0～90°，焊道搭接量为50～90％，克服了传统激光熔覆工艺中要求激光光路与待加工工件表面尽量垂直呈90°，焊道搭接量最大是50％的技术偏见，增加了激光熔覆工艺的适用性。
还有，在沿着熔覆路径将涂层材料熔覆在蒸汽轮机汽门阀座的曲面内腔的修复区域的过程中，至少有部分熔覆路径需要激光熔覆喷头的激光光路向上对修复区域进行激光熔覆，克服了传统激光熔覆工艺中激光熔覆喷头只能向下进行激光熔覆操作的限制，进一步增加了激光熔覆工艺的适用性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种汽门阀座密封面的修复方法，其特征在于，该方法包括：
去除汽门阀座密封面的失效涂层，形成修复区域，所述修复区域位于所述汽门阀座的曲面内腔；
根据位于所述汽门阀座的曲面内腔的修复区域，确定熔覆路径；
采用激光熔覆沿着所述熔覆路径将涂层材料熔覆在所述汽门阀座的曲面内腔的修复区域，在所述修复区域形成修复涂层；
其中，在沿着所述熔覆路径将涂层材料熔覆在所述汽门阀座的曲面内腔的修复区域的过程中，激光光路与修复区域表面的激光倾斜角度为0～90°，焊道搭接量为50～90％，而且至少有部分熔覆路径需要激光光路由下至上对修复区域进行激光熔覆；
其中，在沿着所述熔覆路径将涂层材料熔覆在所述汽门阀座的曲面内腔的修复区域的过程中，实际激光功率密度遵循如下公式：
P＝P0/cosψ＝P0/cos(α+β)
其中，P为实际激光功率密度；
P0激光光路垂直情况下功率密度；
α激光光路与水平面角度；
β阀座待熔覆面角度；
ψ激光光路与待熔覆面角度。
2.一种如权利要求1所述的汽门阀座密封面的修复方法，其特征在于，所述涂层材料采用镍基合金和/或钴基合金，其中，
镍基合金以质量百分含量计包含下述成分：C，0.0～0.2％；Cr，10～30％；Mn，0.2～5％；Fe，0.0～3％；Si，0.2～0.5％；余量为Ni；
钴基合金以质量百分含量计包含下述成分：C，0.20～0.3％；Mo，5～6％；Ni，1～5％；Cr，25～30％；Mn，0.5～1％；Fe，0.0～2％；Si，0.5～2％；余量为Co。
3.一种如权利要求1所述的汽门阀座密封面的修复方法，其特征在于，所述涂层材料采用镍基合金和/或钴基合金，其中，所述镍基合金以质量百分含量计包含下述成分：C，0.5～0.15％；Cr，15～25％；Mn，0.5～4％；Fe，0.5～2％；Si，0.3～0.4％；Mo，8～10％；Nb 2～5％，余量为Ni；
钴基合金以质量百分含量计包含下述成分：C，0.2～0.25％；Mo，5～5.5％；Ni，3～4％；Cr，25～28％；Mn，0.5～0.8％；Fe，0.5～1％；Si，1～1.5％；余量为Co。
4.一种如权利要求2或3所述的汽门阀座密封面的修复方法，其特征在于，所述镍基合金和钴基合金为粉末；或者，
所述镍基合金和钴基合金为丝材。
5.一种如权利要求2或3所述的汽门阀座密封面的修复方法，其特征在于，所述修复涂层由修复层组成，所述修复层采用镍基合金和/或钴基合金；或者，
所述修复涂层由过渡层和修复层组成，所述过渡层采用镍基合金，所述修复层采用镍基合金和/或钴基合金。
6.一种如权利要求1所述的汽门阀座密封面的修复方法，其特征在于，所述激光熔覆的参数包括：光斑直径为1～8mm、激光功率为500～5000W、熔覆速度为5～20mm/s、送粉率为10～50g/min、能量密度为50～150W/mm2；
当单位时间送粉率和能量密度比值为0.3～1.5g·mm2/(s·W )、载气流量为3～15L/min、保护气流量5～20L/min和预热温度100～200℃时，所述激光倾斜角度为0～90°，焊道搭接量为50～90％。
7.一种如权利要求6所述的汽门阀座密封面的修复方法，其特征在于，所述激光倾斜角度为50～90°，焊道搭接量为60～80％。
8.一种如权利要求1所述的汽门阀座密封面的修复方法，其特征在于，在沿着所述熔覆路径将涂层材料熔覆在所述汽门阀座的曲面内腔的修复区域的过程中，进行多层熔覆形成所述修复涂层。
9.一种如权利要求1所述的汽门阀座密封面的修复方法，其特征在于，在沿着所述熔覆路径将涂层材料熔覆在所述汽门阀座的曲面内腔的修复区域的过程中，激光光路从汽门阀座的内径端开始，以螺旋线方式向外口方向熔覆，或者，沿汽门阀座的半径方向直线运动，或者以圆周线方式搭接。
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