CN107116338A - 一种密封面的激光复合处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种密封面的激光复合处理方法，该方法复合了激光熔覆和激光仿生微造型技术，从材料和机械上来提高阀门的耐冲蚀性、耐磨性和耐腐蚀性。具体为：用激光熔覆技术在密封面熔覆一层硬质合金层，然后对熔覆后的密封面进行精加工，达到要求的表面粗糙度和几何精度后，再在密封面进行分区异构仿生微造型，即在容易产生冲蚀的密封面区域用激光加工出减阻仿生微造型，在容易磨损的密封面区域加工出减磨仿生微造型。

Description

一种密封面的激光复合处理方法

技术领域

本发明涉及一种提高密封面耐冲蚀、耐擦伤和耐腐蚀特性的处理方法，经激光熔覆和激光仿生微造型复合加工工艺，在材料和机械两个方面上来提高密封面的综合使用性能。

背景技术

在核电厂、热电厂、化工厂等存在大量的管道和阀门，这些管道之间需要法兰进行连接，需要阀门来控制管道内介质的通断和流速。阀门通过阀门内密封面的开闭来控制管道内介质的流速和通断，法兰盘需要密封面来防止管道内介质的流出，这对法兰的连接和阀门的关闭都有密封要求，因此法兰和阀门的密封面都需要特殊处理。法兰的密封面和阀门的密封面由于受到流体介质的冲蚀和管道内介质中夹杂的颗粒磨损和腐蚀，主要会出现三种失效形式：冲蚀失效、擦伤失效、腐蚀失效。

冲蚀失效一般是指由外部机械力作用下使材料表面被破坏的现象。例如，核电阀门在工作过程中，其密封面不断地受到高温高压的介质冲击，使密封面的材料产生疲劳破坏，最终使密封面失效。擦伤失效是指密封面相对运动过程中，两密封面之间比压较高，密封面之间会产生较大的压紧力，导致密封面之间产生“粘结”作用破坏阀门密封面；介质中的硬质颗粒的挤入，造成密封面“犁入”拉伤，也会破坏密封面。腐蚀失效是指密封面材料在酸、碱、盐等腐蚀性介质的作用下发生氧化还原反应，使密封面产生穿孔、麻点等形式的破坏。不同类型的阀门工况不一样，其失效的主要形式亦有不同。截止阀、节流阀、安全阀、减压阀、蝶阀等调节管路的流量和压力，其密封面的失效形式主要为冲蚀、有擦伤。闸阀、球阀主要起接通和切断管路各段介质的作用、密封面相对运动比较多，其密封面失效形式主要为擦伤、有冲蚀。

为了使密封面具有抗冲蚀、耐擦伤、耐腐蚀等特性，现阶段较为常见的阀门密封面处理方法是在阀门密封面堆焊或熔覆一层硬质合金。传统的密封面堆焊方法，例如手工电弧焊堆焊、氧—乙炔焰堆焊、钨极氩焊堆焊、等离子弧堆焊，加工出的堆焊层质量并不理想例如会出现晶粒粗大，组织疏松，堆焊层与基体连接不牢固。使用激光熔覆技术在密封面基体熔覆一层硬质合金可以改善熔覆层的加工质量，但对于一些特殊工况的密封面，激光熔覆加工的耐冲蚀、耐擦伤和耐腐蚀效果不是很理想，仅仅使用激光熔覆技术很难有效的提高密封面的耐冲蚀、耐擦伤、耐腐蚀特性，例如核电阀门的密封面会受到高温高压介质的冲击，其密封面经常会发生冲蚀失效和擦伤失效，因此需要一种新的激光复合处理方法来有效的提高阀门密封面的使用性能。

发明内容

为了解决目前密封面加工方法存在的不足，本发明一种分别从材料和机械两个方面来提高密封面耐冲蚀、耐擦伤和耐腐蚀的特性的密封面处理方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种密封面激光复合处理方法，先用激光熔覆技术在密封面熔覆一层硬质合金，然后对密封面进行精加工使密封面达到设计的表面粗糙度和几何精度，接着对精加工后的密封面进行分区异构仿生微造型。

本发明的进一步改进在于：以通过以下步骤来实施：

（1）将密封面基体加工到工艺设计的尺寸精度几何精度和表面粗糙度；

（2）根据密封面基体的材料和熔覆层厚度确定激光熔覆的光斑大小、激光功率、送粉速度、激光熔覆速度，根据密封面的几何形状确定激光熔覆表面成型路径，然后对密封面进行激光熔覆；

（3）对熔覆后的密封面进行车削加工、磨削，使之密封面达到设计的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度；

（4）根据密封面不同部分的失效形式对密封面表面进行分区异构仿生微造型，加工减阻减磨仿生微造型时根据仿生微造型的尺寸、熔覆层的材料确定激光仿生微造型激光加工工艺，根据仿生微造型在密封面的分布情况确定激光的扫描路径；

（5）对密封面进行激光仿生微造型后处理，磨去因激光加工产生的凸起和熔渣。

本发明的进一步改进在于：步骤（4）中，根据密封面不同部分的失效形式对密封面表面进行分区异构仿生微造型，即为在密封面容易受到冲蚀的区域加工出减阻仿生微造型，在容易受到擦伤磨损的区域加工出减磨仿生微造型。

本发明的进一步改进在于：用激光熔覆一层硬质合金时，熔覆使用的冶金粉末有镍基冶金粉末、铁基冶金粉末、钴基冶金粉末和陶瓷粉末，熔覆的激光扫描方式为旋转扫描，熔覆的激光功率为100-8000W，光束直径0.6-4mm，进给速度200-2000mm/min，粉末束流1-30g/min，保护气体为Ar或He。

本发明的进一步改进在于：减磨仿生微造型的凹坑直径d=10-500um，凹坑深度h=1-100um，面积占有率为 5%-45%，形貌间距S=200-400um。

本发明的进一步改进在于：减阻仿生微造型的凹坑直径d=0.01-3mm，凹坑深度h=0.005-1.5mm，面积占有率为 15%-75%，形貌间距S=0.2-3mm。

本发明的进一步改进在于：减阻仿生微造型是根据仿生学设计的微观形貌，有圆形凹坑、条纹形状、凹槽状。

本发明的进一步改进在于：减磨仿生微造型为圆形凹坑、椭圆形凹坑。

本发明的进一步改进在于：仿生微造型是利用半导体激光器熔覆和精加工后密封面表面进行仿生微造型加工，具体激光加工参数：激光波长300nm-1064nm，离焦量[-1.2,1.2]mm，激光能量密度为：10⁶-10⁸W/cm²，辅助气体为氮气或氦气，辅助气体吹气角度与工件法向呈0°-60°。

本发明兼具激光熔覆和激光仿生微造型两个方面的优点。在密封面用激光熔覆加工出的熔覆层具有晶粒细小、内部组织致密、熔覆层稀释率大小可把控、基体受热变形小等优点，而且熔覆的硬质合金具有耐腐蚀耐高温的特性。在熔覆层表面加工出的分区异构仿生微造型是根据密封面不同部位的不同失效形式设计出的仿生微造型。这些仿生微造型是基于仿生学原理设计，具有以下优点：

（1）激光仿生微造型具有减阻减磨的特性，可以降低流体对密封面的冲蚀作用；

（2）对于会产生相对运动的密封面，激光仿生微造型的凹坑凹槽可以储存流体介质防止密封面“粘连”产生拉伤和擦伤；

（3）对于会产生相对运动的密封面，仿生微造型中的凹坑凹槽可以捕捉流体介质中的磨粒，防止磨粒对密封面的冲蚀和犁伤。

本发明一种密封激光复合处理方法复合和激光熔覆和激光仿生微造型两个方面的优点，进一步提高了密封面耐冲蚀、耐擦伤和耐腐蚀的性能。

因为激光熔覆是增材制造，在使用激光熔覆前需要对密封面基体进行切削加工，为激光熔覆提供预留空间。使用激光熔覆技术在密封面熔覆一层硬质合金，熔覆使用的冶金粉末为镍基粉末或铁基粉末或钴基粉末。密封面的形状多为回转体，激光熔覆时的扫描轨迹为旋转扫描。送粉方式为：对于尺寸较小密封面使用预置粉末的送粉方式，对于尺寸较大的密封面采用同轴或旁轴送粉。在激光熔覆过程中要通过氦气或氩气进行气保护。

由于激光熔覆后的表面粗糙度比较大，密封面激光熔覆后需要对表面进行磨削加工，使密封面达到相应的表面粗糙度和形状精度。磨削后的熔覆层厚度要大于仿生微造型的深度。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2是球阀结构图；

图3是分区异构仿生微造型的阀芯示意图；

图中标号：1-熔覆层、2-阀芯基体、3-阀座a、4-阀芯、5-阀座b、6-减磨仿生微造型、7-减阻仿生微造型。

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，下面将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。在本发明的一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的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。

本发明一种密封面的激光复合处理方法可以用于法兰密封面、阀门密封面、机械密封面的处理。本发明以核电球阀密封面为对象来说明本发明的具体实施方法。

如图1至图3表示了以核电球阀阀芯阀座为实例讲述本发明的具体实施方法。如图1所示首先将阀芯加工到工艺要求的几何精度和表面粗糙度，然后在阀芯基体2上熔覆一层硬质合金，然后对硬质合金进行磨削加工达到相应的几何精度和表面粗糙度，然后对精加工后的熔覆层进行分区异构仿生微造型。

以核电球阀作为具体实例来讲述本发明的实施。

步骤1：将球形阀芯阀座加工到工艺设计的尺寸精度几何精度和表面粗糙度；

步骤2：对球阀芯阀座的密封面进行激光熔覆，在图2所示阀座a3和阀座b5的端面和阀芯4球体表面进行激光熔覆，熔覆冶金粉末选用镍基冶金粉末。熔覆的激光功率为2500W，光束直径3mm，进给速度500mm/min，粉末束流15g/min，保护气体为氩气，送粉方式为同轴送粉。阀座的激光扫描方式是阀座旋转，激光熔覆头沿垂直于阀座端面径向进给。阀芯球体的扫描方式是阀芯旋转，激光熔覆头沿圆周方向进给，进行球面的熔覆，熔覆层厚度3mm。

步骤3：对阀芯阀座进行加工使之设计的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度。对阀芯阀座的熔覆表面进行磨削加工，使表面粗糙度达到Ra0.4；

步骤4：对阀芯表面进行分区异构仿生微造型。由于核电球阀内通过高温高压的流体介质，球阀的阀芯经常受到介质的冲蚀，而且阀芯与阀座相对运动，阀芯表面存在磨损。如图3所示在减磨仿生微造型6区域加工出减磨仿生微造型，在减阻仿生微造型7区域加工出减阻仿生微造型。减磨仿生微造型的形状为球形凹坑，凹坑直径为500μm，凹坑深度200μm，仿生微造型面积占有率20%。减阻减磨仿生微造型的形状为球形凹坑，凹坑直径为2mm，凹坑深度1m，仿生微造型面积占有率30%。激光加工工艺参数为：激光器种类为半导体激光器，激光波长980nm，离焦量1.2mm，激光能量密度为：10⁷W/cm²，辅助气体为氮气，辅助气体吹气角度与工件法向呈30°，仿生微造型的表面成型运动是工件做旋转运动，激光头做圆心为工件球心的圆周运动，工件每旋转一定角度，激光头便发出一个脉冲激光，当工件旋转一圈后，激光头沿圆周移动一定距离，以此方式在工件表面加工出仿生微造型；

步骤5：阀芯摩擦表面仿生微造型处理后要进行光磨外圆，凹坑以外的平面表面粗糙度Ra=0.4。

对熔覆加工后的密封面进行仿生微造型。仿生微造型有两种，一种为减阻仿生微造型，主要用于减少流体介质对阀芯的冲蚀作用，减阻仿生微造型的形貌为圆形凹坑，凹坑直径d=0.01-3mm，凹坑深度h=0.005-1.5mm，面积占有率为 15%-75%，形貌间距S=0.2-3mm。

另一种为减磨仿生微造型，主要用于提高密封面的耐磨性，凹坑直径d=0.01-3mm，凹坑深度h=0.005-1.5mm，面积占有率为 15%-75%，形貌间距S=0.2-3mm。这两种仿生微造型都具有收集磨粒防止磨粒犁伤密封面的作用。

最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (9)

1.一种密封面激光复合处理方法，其特征在于：先用激光熔覆技术在密封面熔覆一层硬质合金，然后对密封面进行精加工使密封面达到设计的表面粗糙度和几何精度，接着对精加工后的密封面进行分区异构仿生微造型。

2.根据权利要求1所述的一种密封面激光复合处理方法，其特征在于：以通过以下步骤来实施：

A、将密封面基体加工到工艺设计的尺寸精度几何精度和表面粗糙度；

B、根据密封面基体的材料和熔覆层厚度确定激光熔覆的光斑大小、激光功率、送粉速度、激光熔覆速度，根据密封面基体的几何形状确定激光熔覆表面成型路径，然后对密封面基体进行激光熔覆；

C、对熔覆后的密封面进行切削、磨削加工，使之密封面达到设计的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度；

D、根据密封面不同部分的失效形式对熔覆后的密封面表面进行分区异构仿生微造型，加工减阻减磨仿生微造型时根据仿生微造型的尺寸、熔覆层的材料确定激光仿生微造型激光加工工艺，根据仿生微造型在密封面的分布情况确定激光的扫描路径；

F、对密封面进行激光仿生微造型后处理，磨去因激光加工产生的凸起和熔渣。

3.根据权利要求2所述的一种密封面激光复合处理方法，其特征在于：步骤D中，根据密封面不同部分的失效形式对密封面表面进行分区异构仿生微造型，即为在密封面容易受到冲蚀的区域加工出减阻仿生微造型，在容易受到擦伤磨损的区域加工出减磨仿生微造型。

4.权利要求1或2所述的一种密封面激光复合处理方法，其特征在于：用激光熔覆一层硬质合金时，熔覆使用的冶金粉末有镍基冶金粉末、铁基冶金粉末、钴基冶金粉末和陶瓷粉末，熔覆的激光扫描方式为旋转扫描，熔覆的激光功率为100-8000W，光束直径0.6-4mm，进给速度200-2000mm/min，粉末束流1-30g/min，保护气体为Ar或He。

5.权利要求3所述的一种密封面激光复合处理方法，其特征在于：减磨仿生微造型的凹坑直径d=10-500um，凹坑深度h=1-100um，面积占有率为 5%-45%，形貌间距S=200-400um。

6.权利要求3所述的一种密封面激光复合处理方法，其特征在于：权利要求1所述的减阻仿生微造型的凹坑直径d=0.01-3mm，凹坑深度h=0.005-1.5mm，面积占有率为 15%-75%，形貌间距S=0.2-3mm。

7.权利要求3所述的一种密封面激光复合处理方法，其特征在于：所述的减阻仿生微造型是根据仿生学设计的微观形貌，有圆形凹坑、条纹形状、凹槽状。

8.权利要求3所述的一种密封面激光复合处理方法，其特征在于：所述的减磨仿生微造型为圆形凹坑、椭圆形凹坑。

9.权利要求1所述的一种密封面激光复合处理方法，其特征在于：仿生微造型是利用激光器在激光熔覆和精加工后的密封面表面进行仿生微造型加工，具体激光加工参数：激光波长300nm-1064nm，离焦量[-1.2,1.2]mm，激光能量密度为：10⁶-10⁸W/cm²。