CN110424009A - 一种利用激光熔覆法强化pta球阀阀座的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属表面加工技术领域，尤其涉及一种利用激光熔覆法强化PTA球阀阀座的方法。本发明提供的利用激光熔覆法强化PTA球阀阀座的方法，包括以下步骤：配制激光熔覆粉末；利用所述激光熔覆粉末对所述PTA球阀阀座的工作锥面进行激光熔覆，得到经过激光熔覆强化的PTA球阀阀门；所述激光熔覆粉末，按照质量百分比计，包括以下组分：C 0.25％～0.35％，Cr 16％～22％，Ni 4％～6％，V 3.0％～7.2％，Al 0.2％～0.6％，WC 3.2％～3.5％和余量为Co。利用上述方法得到的强化后的PTA球阀阀座具有较好的耐高温、耐磨损和耐腐蚀性。

Description

一种利用激光熔覆法强化PTA球阀阀座的方法

技术领域

本发明涉及金属表面加工技术领域，尤其涉及一种利用激光熔覆法强化PTA球阀阀座的方法。

背景技术

球阀的主要功能是切断或接通管道中的流体通道，在工业应用中，球阀的失效形式多为阀球和阀座封面的磨损破坏。

PTA(精对苯二甲酸)是非常重要的有机原料之一，广泛应用于化纤、轻工、电子及建筑等领域。PTA球阀主要工作于高温(高于200℃)、高压(2.5～8.0MPa)且含有溴离子的浓醋酸腐蚀性极强的工况。研究结果表明，钛可以适应这种工况条件。钛具有密度低、比强度高、耐蚀耐压及耐高温等突出优点，但其表面硬度相对较低、耐磨性差，且容易和与它接触的材料产生相互作用，形成黏着磨损。

针对上述问题，目前PTA球阀阀座普遍采用离子渗氮工艺强化，但存在着渗氮温度较高(750～850℃)、时间较长，影响钛的力学性能，导致阀球受高温影响变形大，后道工序难加工的问题。另外，渗氮层太薄，厚度在0.01～0.03mm之间，难以满足长期、恶劣工况的硬密封要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用激光熔覆法强化PTA球阀阀座的方法，经过激光熔覆强化后，所述PTA球阀阀座具有较好的耐高温、耐磨损和耐腐蚀性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种利用激光熔覆法强化PTA球阀阀座的方法，包括以下步骤：

配制激光熔覆粉末；

利用所述激光熔覆粉末对所述PTA球阀阀座的工作锥面进行激光熔覆，得到经过激光熔覆强化的PTA球阀阀门；

所述激光熔覆粉末，按照质量百分比计，包括以下组分：

C 0.25％～0.35％，Cr 16％～22％，Ni 4％～6％，V 3.0％～7.2％，Al 0.2％～0.6％，WC 3.2％～3.5％和余量为Co。

优选的，所述激光熔覆粉末的粒径为135～325目。

优选的，所述激光熔覆的功率为3.2～4.0kW；矩形光斑为2×14mm；搭接率为：30～50％；扫描速度为：450～650mm/min。

优选的，所述激光熔覆的扫描速度为400～600mm/min。

优选的，所述激光熔覆的保护气体为氩气；送粉速度为2.2～3.5g/s，送粉气流量为8L/min。

优选的，进行所述激光熔覆前，对所述PTA球阀阀座进行预处理；

所述预处理包括：将所述PTA球阀阀座的工作锥面依次进行车削加工和清洗。

优选的，所述车削加工减薄的单边车削量为0.8～1mm。

优选的，进行所述激光熔覆后，得到的激光熔覆合金层的厚度为1.8～2mm。

优选的，得到所述激光熔覆合金层后，对所述激光熔覆合金层进行表面着色探伤和磨削加工。

本发明提供了一种利用激光熔覆法强化PTA球阀阀座的方法，包括以下步骤：配制激光熔覆粉末；利用所述激光熔覆粉末对所述PTA球阀阀座的工作锥面进行激光熔覆，得到经过激光熔覆强化的PTA球阀阀门；所述激光熔覆粉末，按照质量百分比计，包括以下组分：C 0.25％～0.35％，Cr16％～22％，Ni 4％～6％，V 3.0％～7.2％，Al 0.2％～0.6％，WC3.2％～3.5％和余量为Co。

本发明具有以下优势：(1)通过在激光熔覆粉末中加入Cr、Ni，特别是WC、V、Al等元素，使得所述粉末在进行激光熔覆得到的激光熔覆层具有优异耐高温、高硬度和耐磨损的性能。经摩擦磨损实验显示，本发明所述的方法得到的激光熔覆层的耐磨性能提升了近3倍，明显提高了PTA球阀阀座的表面硬度和耐磨损性能；

(2)利用本发明所述的方法得到的激光熔覆层组织致密、晶粒细小，使得熔覆层具有更优异的耐腐蚀性能，所述激光熔覆粉末中Cr、Ni、V元素的添加尤其能够显著提高激光熔覆层耐浓醋酸等环境的腐蚀性；

(3)通过对所述激光熔覆粉末的组分进行合理的配比，使得制备得到的激光熔覆层具有很强的抗开裂性能，硬度达到HRC55以上的同时，不会出现裂纹等缺陷；

(4)所述激光熔覆层与PTA球阀阀座基体之间为冶金结合，稀释率为5～8％，保证了激光熔覆合金层的品质不被基体稀释；

(5)相对目前采用最多的离子渗氮强化的钛合金球阀阀座，激光熔覆的球阀阀座，具有熔覆层厚度大、强化层均匀、合金元素添加灵活，没有外界杂质等进入熔覆层，冶金结合的强度大，完全满足冲击、振动等恶劣工况的PTA球阀阀座硬密封的需要。

根据实施例的记载，利用本发明所述的方法得到的强化后的PTA球阀阀座的熔覆合金层硬度达HRC55以上，磨削后的激光熔覆层的厚度为0.8～2.0mm，达到目前采用的离子渗氮强化的钛合金球阀阀座中离子渗氮层厚度的30～100倍，实际使用寿命达到离子渗氮强化球阀阀座的使用寿命的5倍以上。

附图说明

图1为实施例1强化后的PTA球阀阀座。

具体实施方式

本发明提供了一种利用激光熔覆法强化PTA球阀阀座的方法，包括以下步骤：

配制激光熔覆粉末；

利用所述激光熔覆粉末对所述PTA球阀阀座的工作锥面进行激光熔覆，得到经过激光熔覆强化的PTA球阀阀门；

所述激光熔覆粉末，按照质量百分比计，包括以下组分：

C 0.25％～0.35％，Cr 16％～22％，Ni 4％～6％，V 3.0％～7.2％，Al 0.2％～0.6％，WC 3.2％～3.5％和余量为Co。

在本发明中，若无特殊说明，所有原料均为本领域技术人员熟知的市售产品。

本发明配制激光熔覆粉末；所述激光熔覆粉末，按照质量百分比计，包括以下组分：C 0.25％～0.35％，Cr 16％～22％，Ni 4％～6％，V 3.0％～7.2％，Al 0.2％～0.6％，WC 3.2％～3.5％和余量为Co。在本发明中，按照质量百分比计，所述激光熔覆粉末包括0.25％～0.35％的C，所述C的含量优选为0.28％～0.32％，更优选为1.35％。

按照质量百分比计，本发明所述的激光熔覆粉末还包括16％～22％的Cr，所述Cr的含量优选为18％～20％，更优选为19％。

按照质量百分比计，本发明所述的激光熔覆粉末还包括4％～6％的Ni，所述Ni的含量优选为4.5％～5.5％，更优选为5.0％。

按照质量百分比计，本发明所述的激光熔覆粉末还包括3.0％～7.2％的V，所述V的含量优选为3.5％～6.5％，更优选为4％～6％。

按照质量百分比计，本发明所述的激光熔覆粉末还包括0.2％～0.6％的Al，所述Al的含量优选为0.3％～0.5％，更优选为0.4％。

按照质量百分比计，本发明所述的激光熔覆粉末还包括3.2％～3.5％的WC，所述WC的含量优选为3.3％～3.4％。

按照质量百分比计，本发明所述的激光熔覆粉末还包括余量的Co。

在本发明中，所述激光熔覆粉末的粒径优选为135～325目，更优选为160～300目，最优选为200～250目。

在本发明中，所述激光熔覆粉末的配制优选为：按照上述配比，将C、Cr、Ni、V、Al、WC和Co进行混合，得到激光熔覆粉末。所述C、Cr、Ni、V、Al、WC和Co的纯度独立的优选为≥99％。

本发明对所述混合没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行混合即可。

配制激光熔覆粉末后，本发明利用所述激光熔覆粉末对所述PTA球阀阀座的工作锥面进行激光熔覆，得到经过激光熔覆强化的PTA球阀阀门。

在本发明中，所述PTA球阀阀座的材质优选为不锈钢，所述不锈钢的型号优选为316、304或404。本发明对所述PTA球阀阀座的来源没有任何特殊的限定，选用市售的或者直接加工制备均可；当所述PTA球阀阀座的来源为直接进行加工制备得到时，本发明对所述加工制备的具体方法和过程均没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方法和过程进行加工即可。

对所述PTA球阀阀座的工作锥面进行激光熔覆前，本发明优选对所述工作锥面进行车削加工减薄和清洗；本发明对所述车削加工减薄的具有操作过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作进行即可；在本发明中，所述车削加工后的单边车削量优选为0.8～1mm，更优选为0.9mm。在本发明中，所述清洗优选采用工业酒精对车削后的工作锥面进行清洗；所述清洗的目的是去除所述车削后的工作锥面的氧化层、杂质和油污。

在本发明中，所述激光熔覆优选在大功率半导体激光数控加工机床中进行。具体过程优选为：将所述PTA球阀阀座卡于大功率半导体激光数控加工机床上，通过激光扫描采用同轴送粉方式输送的合金粉末，对阀座的工作锥面进行激光熔覆。在本发明中，所述激光熔覆的功率优选为3.2～4.0kW，更优选为3.4～3.8kW，最优选为3.6～3.7kW；所述激光熔覆的矩形光斑优选为2×14mm；所述激光熔覆的搭接率优选为30～50％，更优选为35～45％，最优选为38～42％；所述激光熔覆的扫描速度优选为400～600mm/min，更优选为500～600mm/min，最优选为540～560mm/min；

所述激光熔覆的保护气体优选为氩气；所述激光熔覆的送粉速度优选为2.2～3.5g/s，更优选为2.5g/s；送粉气流量为8L/min。

在本发明中，得到所述激光熔覆合金层后，本发明优选对所述激光熔覆合金层进行表面着色探伤和磨削加工；本发明对所述着色探伤没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可，所述着色探伤的作用是观察所述激光熔覆合金层的表面是否有裂纹；当所述激光熔覆合金层的表面有裂纹时，车削掉熔覆层，重新熔覆；没有裂纹时进入下一步的磨削加工。本发明对所述磨削加工没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行磨削加工即可；所述磨削加工的作用是为了获得满足尺寸、公差和光洁度要求的强化PTA球阀阀座。

磨削加工后，本发明优选对强化后的PTA球阀阀座进行包装，待用。

下面结合实施例对本发明提供的一种利用激光熔覆法强化PTA球阀阀座的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

提供激光熔覆粉末(135～325目)，按质量百分比计，包括：C 0.25％、Cr 16％、Ni4％、V 3.0％、Al 0.2％、WC 3.2％和余量的Co；

提供PTA球阀阀座(材质：304型号的不锈钢；直接加工制备得到)；将所述PTA球阀阀座的工作锥面通过车削加工减薄(单边车削量为0.8mm)，采用工业酒精清洗车削后的工作锥面，去除氧化皮、杂质和油污；

将所述PTA球阀阀座装卡于大功率半导体激光数控加工机床上，通过激光扫描采用同轴送粉方式输送的合金粉末，对阀座的工作锥面进行激光熔覆，具体工艺参数如下：半导体激光器功率P＝3200W，矩形光斑2×14mm，搭接率30％，扫描速度V＝400mm/min，制备的激光熔覆合金层厚度为1.8mm；激光熔覆的送粉速度为2.2g/s，送粉气流量为8L/min，得到激光熔覆层。

对所述激光熔覆层进行表面着色探伤；

对所述激光熔覆层进行磨削加工，获得满足尺寸、公差和光洁度要求的强化球阀阀座；

将经过激光熔覆强化的球阀阀座包装待用；

按照铬氏硬度检测标准GB/T230.1—2004，对所述激光熔覆层进行硬度分析，测得所述激光熔覆层的平均硬度为HRC56；

所述强化后的PTA球阀阀座的实际使用寿命达到了22个月，为离子渗氮强化球阀阀座的5.5倍。

实施例2

提供激光熔覆粉末(135～325目)，按质量百分比计，包括：C 0.35％、Cr 22％、Ni6％、V 7.2％、Al 0.6％、WC 3.5％和余量的Co；

提供PTA球阀阀座(材质：306型号的不锈钢；直接加工制备得到)；将所述PTA球阀阀座的工作锥面通过车削加工减薄(单边车削量为0.8mm)，采用工业酒精清洗车削后的工作锥面，去除氧化皮、杂质和油污；

将所述PTA球阀阀座装卡于大功率半导体激光数控加工机床上，通过激光扫描采用同轴送粉方式输送的合金粉末，对阀座的工作锥面进行激光熔覆，具体工艺参数如下：半导体激光器功率P＝4000W，矩形光斑2×14mm，搭接率50％，扫描速度V＝600mm/min，制备的激光熔覆合金层厚度为2mm；激光熔覆的送粉速度为送粉速度为2.8g/s，送粉气流量为8L/min，得到激光熔覆层。

对激光熔覆层进行表面着色探伤；

对激光熔覆层进行磨削加工，获得满足尺寸、公差和光洁度要求的强化球阀阀座；

将经过激光熔覆强化的球阀阀座包装待用；

图1为强化后的PTA球阀阀座，由图1可知，按照本发明所述的激光熔覆方法和激光熔覆粉末对球阀阀座进行激光熔覆，能够得到满足要求的强化球阀阀座。

按照铬氏硬度检测标准GB/T230.1—2004，对所述激光熔覆层进行硬度分析，测得所述激光熔覆层的平均硬度为HRC57；

所述强化后的PTA球阀阀座的实际使用寿命达到了23.2个月，为离子渗氮强化球阀阀座的5.8倍。

实施例3

提供激光熔覆粉末(135～325目)，按质量百分比计，包括：C 0.25％、Cr 22％、Ni6％、V 3.0％、Al 0.2％、WC 3.2％和余量的Co；

提供PTA球阀阀座(材质：316型号的不锈钢；直接加工制备得到)；将所述PTA球阀阀座的工作锥面通过车削加工减薄(单边车削量为1mm)，采用工业酒精清洗车削后的工作锥面，去除氧化皮、杂质和油污；

将所述PTA球阀阀座装卡于大功率半导体激光数控加工机床上，通过激光扫描采用同轴送粉方式输送的合金粉末，对阀座的工作锥面进行激光熔覆，具体工艺参数如下：半导体激光器功率P＝3400W，矩形光斑2×14mm，搭接率50％，扫描速度V＝600mm/min，制备的激光熔覆合金层厚度为2mm；激光熔覆的送粉速度为3.0g/s，送粉气流量为8L/min，得到激光熔覆层。

对激光熔覆层进行表面着色探伤；

对激光熔覆层进行磨削加工，获得满足尺寸、公差和光洁度要求的强化球阀阀座；

将经过激光熔覆强化的球阀阀座包装待用；

按照铬氏硬度检测标准GB/T230.1—2004，对所述激光熔覆层进行硬度分析，测得所述激光熔覆层的平均硬度为HRC55；

所述强化后的PTA球阀阀座的实际使用寿命达到了20.8个月，为离子渗氮强化球阀阀座的5.2倍。

实施例4

提供激光熔覆粉末(135～325目)，按质量百分比计，包括：C 0.35％、Cr 16％、Ni4％、V 3.0％、Al 3.2％、WC 0.6％和余量的Co；

提供PTA球阀阀座(材质：316L型号的不锈钢；直接加工制备得到)；将所述PTA球阀阀座的工作锥面通过车削加工减薄(单边车削量为1mm)，采用工业酒精清洗车削后的工作锥面，去除氧化皮、杂质和油污；

将所述PTA球阀阀座装卡于大功率半导体激光数控加工机床上，通过激光扫描采用同轴送粉方式输送的合金粉末，对阀座的工作锥面进行激光熔覆，具体工艺参数如下：半导体激光器功率P＝3500W，矩形光斑2×14mm，搭接率50％，扫描速度V＝500mm/min，制备的激光熔覆合金层厚度为1.8mm；所述激光熔覆的送粉速度为3.2g/s，送粉气流量为8L/min，得到激光熔覆层。

对激光熔覆层进行表面着色探伤；

对激光熔覆层进行磨削加工，获得满足尺寸、公差和光洁度要求的强化球阀阀座；

将经过激光熔覆强化的球阀阀座包装待用；

按照铬氏硬度检测标准GB/T230.1—2004，对所述激光熔覆层进行硬度分析，测得所述激光熔覆层的平均硬度为HRC58；

所述强化后的PTA球阀阀座的实际使用寿命达到了23.6个月，为离子渗氮强化球阀阀座的5.9倍。

实施例5

提供激光熔覆粉末(135～325目)，按质量百分比计，包括：C 0.35％、Cr 18％、Ni5％、V 3.0％、Al 0.5％、WC 3.3％和余量的Co；

提供PTA球阀阀座(材质：403型号的不锈钢；直接加工制备得到)；将所述PTA球阀阀座的工作锥面通过车削加工减薄(单边车削量为1mm)，采用工业酒精清洗车削后的工作锥面，去除氧化皮、杂质和油污；

将所述PTA球阀阀座装卡于大功率半导体激光数控加工机床上，通过激光扫描采用同轴送粉方式输送的合金粉末，对阀座的工作锥面进行激光熔覆，具体工艺参数如下：半导体激光器功率P＝3800W，矩形光斑2×14mm，搭接率30％，扫描速度V＝400mm/min，制备的激光熔覆合金层厚度为2mm；激光熔覆的送粉速度为3.3g/s，送粉气流量为8L/min，得到激光熔覆层。

对激光熔覆层进行表面着色探伤；

对激光熔覆层进行磨削加工，获得满足尺寸、公差和光洁度要求的强化球阀阀座；

将经过激光熔覆强化的球阀阀座包装待用；

按照铬氏硬度检测标准GB/T230.1—2004，对所述激光熔覆层进行硬度分析，测得所述激光熔覆层的平均硬度为HRC57；

所述强化后的PTA球阀阀座的实际使用寿命达到了22.4个月，为离子渗氮强化球阀阀座的5.6倍。

实施例6

提供激光熔覆粉末(135～325目)，按质量百分比计，包括：C 0.26％、Cr 19％、Ni5％、V 3.8％、Al 0.5％、WC 3.2％和余量的Co；

提供PTA球阀阀座(材质：304型号的不锈钢；直接加工制备得到)；将所述PTA球阀阀座的工作锥面通过车削加工减薄(单边车削量为0.8mm)，采用工业酒精清洗车削后的工作锥面，去除氧化皮、杂质和油污；

将所述PTA球阀阀座装卡于大功率半导体激光数控加工机床上，通过激光扫描采用同轴送粉方式输送的合金粉末，对阀座的工作锥面进行激光熔覆，具体工艺参数如下：半导体激光器功率P＝3900W，矩形光斑2×14mm，搭接率50％，扫描速度V＝600mm/min，制备的激光熔覆合金层厚度为1.8mm；所述激光熔覆的送粉速度为3.4g/s，送粉气流量为8L/min，得到激光熔覆层。

对激光熔覆层进行表面着色探伤；

对激光熔覆层进行磨削加工，获得满足尺寸、公差和光洁度要求的强化球阀阀座；

将经过激光熔覆强化的球阀阀座包装待用；

按照铬氏硬度检测标准GB/T230.1—2004，对所述激光熔覆层进行硬度分析，测得所述激光熔覆层的平均硬度为HRC57；

所述强化后的PTA球阀阀座的实际使用寿命达到了22.4个月，为离子渗氮强化球阀阀座的5.6倍。

由以上实施例可知，本发明提供的所述利用激光熔覆法强化PTA球阀阀座的方法，经过激光熔覆强化后，所述PTA球阀阀座具有较好的耐高温、耐磨损和耐腐蚀性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用激光熔覆法强化PTA球阀阀座的方法，其特征在于，包括以下步骤：

配制激光熔覆粉末；

利用所述激光熔覆粉末对所述PTA球阀阀座的工作锥面进行激光熔覆，得到经过激光熔覆强化的PTA球阀阀门；

所述激光熔覆粉末，按照质量百分比计，包括以下组分：

C 0.25％～0.35％，Cr 16％～22％，Ni 4％～6％，V 3.0％～7.2％，Al 0.2％～0.6％，WC 3.2％～3.5％，余量为Co。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光熔覆粉末的粒径为135～325目。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光熔覆的功率为3.2～4.0kW；矩形光斑为2×14mm；搭接率为：30～50％；扫描速度为：450～650mm/min。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述激光熔覆的扫描速度为400～600mm/min。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述激光熔覆的保护气体为氩气；送粉速度为2.2～3.5g/s，送粉气流量为8L/min。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进行所述激光熔覆前，对所述PTA球阀阀座进行预处理；

所述预处理包括：将所述PTA球阀阀座的工作锥面依次进行车削加工和清洗。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述车削加工减薄的单边车削量为0.8～1mm。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进行所述激光熔覆后，得到的激光熔覆合金层的厚度为1.8～2mm。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，得到所述激光熔覆合金层后，对所述激光熔覆合金层进行表面着色探伤和磨削加工。