CN110923696A - 一种球阀表面激光熔覆镍基材料及其增材制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种球阀表面激光熔覆镍基材料及其增材制造工艺，所述镍基材料的化学组成及质量分数为：2.0‑4.0％B，0.3‑1％C，10.0‑20.0％Cr，2.5‑4.5％Fe，3.0‑5.0％Si，10.0‑20.0％W，余量Ni。本发明主要用于球阀的阀内件增材制造，通过工艺转变及材料变化，满足阀球和球座表面的工况需求，实现了母材表面高硬化、耐高温腐蚀、耐高温磨损需求，并且通过不断的研发与创新，实现了低成本高性能的表面处理工艺。

Description

一种球阀表面激光熔覆镍基材料及其增材制造工艺
技术领域
本发明涉及泵领域，特别涉及一种球阀表面激光熔覆镍基材料及其增材制造工艺。
背景技术
球阀是一种以球体为关闭件，实现开关动作的阀门。依据球阀阀座使用材料的不同，可以分为软密封球阀和硬密封球阀，其中硬密封阀座多采用金属材料。由于球阀具有开关迅速，操作方便等特点，市场前景广阔。今年来的发展已将球阀设计成使它具有节流和控制流量只用，如V型球阀。其中硬密封V型球阀的V型球芯与堆焊硬质合金的金属阀座之间具有很强的剪切力，特别适用于含纤维、微小固体颗料等的介质。
硬密封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，特别是阀球和阀座，其表面硬度要求高且耐冲蚀性能、耐磨性能、耐高温性能要好。仅依靠球阀本体材料难以满足使用需求。现有的方式多采用热喷涂、喷焊、PTA等离子焊等方式对阀球和阀座表面进行表面处理，以提高阀球和阀座的表面质量。但是，热喷涂及喷焊都属于机械结合，球阀在高温运行工况下会导致硬化层表面的合金层脱落，脱落以后导致阀门内漏；PTA等离子焊属冶金结合，但是焊层稀释率较高，难以通过较薄的合金层来达到理想的机械性能。目前，也有提出通过激光熔覆的方式提高阀球和阀座性能的，但是还是普遍存在耐高温性能不理想，涂层厚度较厚，制造成本高的缺点。如公开号CN104152894A一种球阀的修复方法，即是通过激光熔覆的方式，提高球阀的表面质量，该方法主要通过铁基熔覆材料进行增材制造，虽然能够提高球阀的耐磨性能和耐冲蚀性能，但是耐高温性能差，同时熔覆层厚度较厚，制造成本高。如公开号为CN104593766B一种煤化工球阀球体耐冲蚀表层的激光制备方法，该方法通过钨基熔覆材料进行增材制造，虽然能够大大提高球阀表面硬度，但是在耐腐蚀和耐高温性能上有所不足，使用寿命较短，同时熔覆层厚度依然较厚，制造成本高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种球阀表面激光熔覆镍基材料及其增材制造工艺，通过激光熔覆进行表面增材制造，提高阀球和阀座的表面性能，采用特殊的镍基材料，解决了现有的球阀表面性能不理想，采用现有的方式进行表面处理，存在焊层稀释率较高，耐腐蚀耐高温性能还有待提升的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种球阀表面激光熔覆镍基材料，所述镍基材料的化学组成及质量分数为：2.0-4.0％B，0.3-1％C，10.0-20.0％Cr，2.5-4.5％Fe，3.0-5.0％Si，10.0-20.0％W，余量Ni。
作为本发明的一种优选方案，所述镍基材料为细度为200目以上的合金粉末。
作为本发明的一种优选方案，所述镍基材料的化学组成及质量分数为：3.0％B，0.6％C，15.0％Cr，3.5％Fe，4.0％Si，15.5％W，余量Ni。
作为本发明的一种优选方案，所述镍基材料用于阀球和球座的表面激光熔覆。
一种球阀表面激光熔覆增材制造工艺，对球阀的阀球和球座进行表面处理，包括以下步骤：
步骤1，对阀球和球座表面进行预处理；
步骤2，对阀球表面进行硬质合金激光熔覆，熔覆所述镍基材料，形成阀球镍基硬质合金层；
步骤3，对球座进行硬质合金激光熔覆，熔覆所述镍基材料，形成球座镍基硬质合金层。
作为对上述工艺的进一步改进，步骤2和步骤3中的所述阀球镍基硬质合金层和球座镍基硬质合金层的厚度都小于1mm。
作为对上述工艺的进一步改进，步骤2中，激光熔覆功率为2000W，激光熔覆过程中，圆周旋转转速为4.5rmp/min；步骤3中，激光熔覆功率为1800W，激光熔覆过程中，45度旋转转速为2.5rmp/min。
作为对上述工艺的进一步改进，在步骤2和步骤3进行前，先对阀球和球座表面进行过渡层激光熔覆；所述过渡层激光熔覆采用的激光熔覆材料的化学组成和质量百分比为：20.0-23.0％Cr,8.0-10.0％Mo,3.0-4.0％Nb,1.0-4.5％Fe,0.01-0.1％C,0.01-0.4％Al,0.01-0.3％Si,0.01-0.4％Ti,余量Ni。
作为对上述工艺的进一步改进，步骤1中，对阀球和球座表面进行车削、喷砂、研磨、清洗、预热中的一种或多种方法进行表面预处理。
作为对上述工艺的进一步改进，步骤2和步骤3中的所述阀球镍基硬质合金层和球座镍基硬质合金层的厚度都为0.3-0.8mm。
通过上述技术方案，本发明技术方案的有益效果是：本发明主要用于球阀的阀内件增材制造，通过工艺转变及材料变化，满足阀球和球座表面的工况需求，实现了母材表面高硬化、耐高温腐蚀、耐高温磨损需求，并且通过不断的研发与创新，实现了低成本高性能的表面处理工艺。
本发明与传统工艺对比，进行激光熔覆的阀球和球座在以下性能方面具有显著提升：1、大幅提高阀球和球座表面的硬质合金层的结合强度，避免在使用中出现脱落，涂层斑脱，龟裂等现象，延长使用寿命；2、在阀球和球座表面形成的镍基硬质合金层厚度薄，耗材少，降低母材与焊层的稀释率，可以实现低稀释率(1mm以内)的熔覆层就能到达理想的机械性能，减少了价格高昂的合金材料成本；3、硬度均匀，硬质合金材料红硬性好，具有良好的耐磨性能和耐冲蚀性能；4、提高了硬密封阀门在高温、高压等环境下的机械性能，耐温上限可达630℃，具有良好的耐高温、抗高温氧化及高温腐蚀性能，从而达到提高使用寿命的宗旨。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明提供一种新型的球阀表面激光熔覆镍基材料，适用于高温、高压的工况环境，对阀球和球座进行表面处理，在不锈钢的母材表面，进行激光熔覆，形成硬质合金层，能够达到表面高硬化、耐高温腐蚀、耐高温磨损的需求。
实施例1
一种球阀表面激光熔覆镍基材料，所述镍基材料的化学组成及质量分数为：2.0％B，0.3％C，10.0％Cr，2.5％Fe，3.0％Si，10.0％W，余量Ni。所述镍基材料呈干燥细腻粉末状，用于进行激光熔覆作业，形成硬质合金层。
通过上述的镍基材料对阀球和球座表面进行增材制造，具体工艺，包括以下步骤：
步骤1，对阀球和球座表面进行预处理；具体的，阀球和球座表面光亮，无氧化或腐蚀现象，采用酒精进行表面清洗和干燥。
步骤2，对阀球表面进行硬质合金激光熔覆，熔覆所述镍基材料，形成阀球镍基硬质合金层；
步骤3，对球座进行硬质合金激光熔覆，熔覆所述镍基材料，形成球座镍基硬质合金层。
对阀球和球座的激光熔覆过程是独立进行的，因此，步骤2和步骤3是完全独立的两个过程，无时间上的先后关系。步骤2和步骤3中形成的阀球镍基硬质合金层和球座镍基硬质合金层两者之间的厚度也无必然关联性，但是，球阀和阀座配合，通常为了保持两者同一性和协调性，进行表面激光熔覆时，将两者的硬质合金层设置一致。实施例1中，步骤2中，激光熔覆功率为2000W，激光熔覆过程中，圆周旋转转速为4.5rmp/min。阀球镍基硬质合金层的厚度为0.95mm。步骤3中，激光熔覆功率为1800W，激光熔覆过程中，45度旋转转速为2.5rmp/min。球座镍基硬质合金层的厚度为0.95mm。
实施例2
一种球阀表面激光熔覆镍基材料，所述镍基材料的化学组成及质量分数为：4.0％B，1％C，20.0％Cr，4.5％Fe，5.0％Si，20.0％W，余量Ni。所述镍基材料呈干燥细腻粉末状，用于进行激光熔覆作业，形成硬质合金层。
通过上述的镍基材料对阀球和球座表面进行增材制造，具体工艺，包括以下步骤：
步骤1，对阀球和球座表面进行预处理；具体的，阀球和球座表面光亮，无氧化或腐蚀现象，采用酒精进行表面清洗和干燥。
步骤2，对阀球表面进行硬质合金激光熔覆，熔覆所述镍基材料，形成阀球镍基硬质合金层。
步骤3，对球座进行硬质合金激光熔覆，熔覆所述镍基材料，形成球座镍基硬质合金层。
实施例2中，步骤2中，激光熔覆功率为2000W，激光熔覆过程中，圆周旋转转速为4.5rmp/min。阀球镍基硬质合金层的厚度为0.55mm。步骤3中，激光熔覆功率为1800W，激光熔覆过程中，45度旋转转速为2.5rmp/min。球座镍基硬质合金层的厚度为0.55mm。
实施例3
一种球阀表面激光熔覆镍基材料，所述镍基材料的化学组成及质量分数为：3.0％B，0.6％C，15.0％Cr，3.5％Fe，4.0％Si，15.5％W，余量Ni。所述镍基材料呈干燥细腻粉末状，细度控制在200目以上，用于进行激光熔覆作业，形成硬质合金层。
通过上述的镍基材料对阀球和球座表面进行增材制造，具体工艺，包括以下步骤：
步骤1，对阀球和球座表面进行预处理；可以根据阀球和阀座的表面质量决定具体采用何种方式进行预处理，预处理的方式为常规表面处理方式，如车削、研磨、喷丸、清洗等。如阀球和球座表面暗淡，具有形成很薄的氧化膜，可以通过喷丸、表面研磨等工艺去除氧化膜，再通过高度的工业酒精进行清洗干燥；如阀球和球座表面光亮，无氧化或腐蚀现象，采用酒精进行表面清洗和干燥。
步骤2，对阀球表面进行硬质合金激光熔覆，熔覆所述镍基材料，形成阀球镍基硬质合金层。
步骤3，对球座进行硬质合金激光熔覆，熔覆所述镍基材料，形成球座镍基硬质合金层。
实施例3为实际生产过程中的最优方案，步骤2中，激光熔覆功率为2000W，激光熔覆过程中，圆周旋转转速为4.5rmp/min。阀球镍基硬质合金层的厚度控制在0.55-0.70mm。步骤3中，激光熔覆功率为1800W，激光熔覆过程中，45度旋转转速为2.5rmp/min。球座镍基硬质合金层的厚度控制在0.55-0.70mm。激光熔覆过程，采用单层熔覆，形成的硬质合金层厚度均匀，结合强度高。
实施例4
一种球阀表面激光熔覆镍基材料，所述镍基材料的化学组成及质量分数为：4.0％B，1％C，20.0％Cr，4.5％Fe，5.0％Si，20.0％W，余量Ni。所述镍基材料呈干燥细腻粉末状，用于进行激光熔覆作业，形成硬质合金层。
通过上述的镍基材料对阀球和球座表面进行增材制造，具体工艺，包括以下步骤：
步骤1，对阀球和球座表面进行预处理；具体的，阀球和球座表面光亮，无氧化或腐蚀现象，采用酒精进行表面清洗和干燥。再对阀球和球座进行预热，对阀球和球座表面进行过渡层激光熔覆；过渡层激光熔覆采用的激光熔覆材料的化学组成和质量百分比为：20.0-23.0％Cr,8.0-10.0％Mo,3.0-4.0％Nb,1.0-4.5％Fe,0.01-0.1％C,0.01-0.4％Al,0.01-0.3％Si,0.01-0.4％Ti,余量Ni。
步骤2，对阀球表面进行硬质合金激光熔覆，熔覆所述镍基材料，形成阀球镍基硬质合金层。
步骤3，对球座进行硬质合金激光熔覆，熔覆所述镍基材料，形成球座镍基硬质合金层。
实施例4中，步骤2中，激光熔覆功率为2000W，激光熔覆过程中，圆周旋转转速为4.5rmp/min。阀球镍基硬质合金层的厚度为0.40mm。步骤3中，激光熔覆过程，采用单层熔覆，激光熔覆功率为1800W，激光熔覆过程中，45度旋转转速为2.5rmp/min。球座镍基硬质合金层的厚度为0.40mm。
对实施例1、实施例2、实施例3和实施例4进行检测，阀球和阀座表面激光熔覆形成的硬质合金层的硬度都在HRC60以上，耐盐雾腐蚀都≥2500h，耐温上限可达630℃，能够500℃的工况环境下，长时间稳定工作。现有的耐高温球阀的使用寿命在1年或3000-5000次开闭次数。而采用实施例1-4进行增材制造工艺处理的球阀使用寿命可达3年或30000次开闭次数，使用寿命大大提高。
通过上述具体实施例，本发明的有益效果是：本发明主要用于球阀的阀内件增材制造，通过工艺转变及材料变化，满足阀球和球座表面的工况需求，实现了母材表面高硬化、耐高温腐蚀、耐高温磨损需求，并且通过不断的研发与创新，实现了低成本高性能的表面处理工艺。
本发明与传统工艺对比，进行激光熔覆的阀球和球座在以下性能方面具有显著提升：1、大幅提高阀球和球座表面的硬质合金层的结合强度，避免在使用中出现脱落，涂层斑脱，龟裂等现象，延长使用寿命；2、在阀球和球座表面形成的镍基硬质合金层厚度薄，耗材少，降低母材与焊层的稀释率，可以实现低稀释率(1mm以内)的熔覆层就能到达理想的机械性能，减少了价格高昂的合金材料成本；3、硬度均匀，硬质合金材料红硬性好，具有良好的耐磨性能和耐冲蚀性能；4、提高了硬密封阀门在高温、高压等环境下的机械性能，耐温上限可达630℃，具有良好的耐高温、抗高温氧化及高温腐蚀性能，从而达到提高使用寿命的宗旨。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种球阀表面激光熔覆镍基材料，其特征在于，所述镍基材料的化学组成及质量分数为：2.0-4.0％B，0.3-1％C，10.0-20.0％Cr，2.5-4.5％Fe，3.0-5.0％Si，10.0-20.0％W，余量Ni。
2.根据权利要求1所述的球阀表面激光熔覆镍基材料，其特征在于，所述镍基材料为细度为200目以上的合金粉末。
3.根据权利要求1所述的球阀表面激光熔覆镍基材料，其特征在于，所述镍基材料的化学组成及质量分数为：3.0％B，0.6％C，15.0％Cr，3.5％Fe，4.0％Si，15.5％W，余量Ni。
4.根据权利要求3所述的球阀表面激光熔覆镍基材料，其特征在于，所述镍基材料用于阀球和球座的表面激光熔覆。
5.一种球阀表面激光熔覆增材制造工艺，对球阀的阀球和球座进行表面处理，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对阀球和球座表面进行预处理；
步骤2，对阀球表面进行硬质合金激光熔覆，熔覆所述镍基材料，形成阀球镍基硬质合金层；
步骤3，对球座进行硬质合金激光熔覆，熔覆所述镍基材料，形成球座镍基硬质合金层。
6.根据权利要求5所述的球阀表面激光熔覆增材制造工艺，其特征在于，步骤2和步骤3中的所述阀球镍基硬质合金层和球座镍基硬质合金层的厚度都小于1mm。
7.根据权利要求6所述的球阀表面激光熔覆增材制造工艺，其特征在于，步骤2中，激光熔覆功率为2000W，激光熔覆过程中，圆周旋转转速为4.5rmp/min；步骤3中，激光熔覆功率为1800W，激光熔覆过程中，45度旋转转速为2.5rmp/min。
8.根据权利要求6所述的球阀表面激光熔覆增材制造工艺，其特征在于，在步骤2和步骤3进行前，先对阀球和球座表面进行过渡层激光熔覆；所述过渡层激光熔覆采用的激光熔覆材料的化学组成和质量百分比为：20.0-23.0％Cr,8.0-10.0％Mo,3.0-4.0％Nb,1.0-4.5％Fe,0.01-0.1％C,0.01-0.4％Al,0.01-0.3％Si,0.01-0.4％Ti,余量Ni。
9.根据权利要求6所述的球阀表面激光熔覆增材制造工艺，其特征在于，步骤1中，对阀球和球座表面进行车削、喷砂、研磨、清洗、预热中的一种或多种方法进行表面预处理。
10.根据权利要求6所述的球阀表面激光熔覆增材制造工艺，其特征在于，步骤2和步骤3中的所述阀球镍基硬质合金层和球座镍基硬质合金层的厚度都为0.3-0.8mm。
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