CN113151825A - 一种提升阀门硬面密封服役寿命的激光复合制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提升阀门硬面密封服役寿命的激光复合制造方法，包括如下步骤：第一步：采用激光熔覆设备，选用钴基合金粉末，在阀门密封面形成冶金结合的0.8‑2.0mm厚的钴基熔覆层；第二步：对第一步的产品进行热处理，热处理温度520‑580℃，保温3‑8h；第三步：将经过热处理后的产品进行机械加工至最终尺寸+（0.05‑0.10）mm的加工余量；第四步：在钴基合金熔覆层表面进行激光冲击强化处理：第五步：机加工，研磨，抛光至装配尺寸；第六步：物理气相沉积一层兼顾抗高温氧化及耐磨损性能的Cr‑Al涂层；上述工艺大幅度降低阀门密封面使用过程中的开裂风险，提升耐磨损及抗高温氧化性能，提升机组安全可靠性及延长机组服役寿命。

Description

一种提升阀门硬面密封服役寿命的激光复合制造方法
技术领域
本发明涉及阀门制造领域，尤其涉及一种提升阀门硬面密封服役寿命的激光复合制造方法。
背景技术
阀门广泛应用于工业生产、管道输送、核电、交通运输等各个领域，汽轮机组由于其特定的高温、高压的工作环境，阀门的失效形式主要是密封面开裂、磨损、高温氧化等造成的。
为提高阀门的寿命及工作稳定性，通常在阀门密封面堆焊或熔覆耐蚀、耐磨、耐高温的 Stellite（钴基），镍基合金。上述合金以共晶碳化物为强化相，合金本身具有较高的硬度，因此能显著提高阀门的使用寿命及工作稳定性。
但上述工艺也有不足之处，一方面由于焊接缺陷如疏松、气孔、未熔合等降低了熔覆层的质量；另一方面由于合金本身硬度高，本身开裂大，使用中存在热应力、机械应力及焊接残余应力的共同作用，熔覆层在使用过程中易产生裂纹，致使阀门过早失效，导致重大事故。
发明内容
本发明的目的是提供一种提升阀门硬面密封服役寿命的激光复合制造方法，大幅度降低阀门密封面开裂的风险，提升耐磨损性能及抗高温氧化性能。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种提升阀门硬面密封服役寿命的激光复合制造方法，包括如下步骤：
第一步：采用激光熔覆设备，选用钴基合金粉末，在阀门密封面形成冶金结合的0.8-2.0mm厚的钴基熔覆层；
第二步：对第一步的产品进行去应力回火热处理，热处理温度520-580℃，保温3-8h；
第三步：机械加工至最终尺寸+（0.05-0.10）mm的加工余量；
第四步：在钴基合金熔覆层表面进行激光冲击强化处理；
第五步：机加工，研磨，抛光至装配尺寸。
第六步：物理气相沉积一层兼顾抗高温氧化及耐磨损性能的Cr-Al涂层。
优选的，第一步中采用的钴基合金粉末，以质量分数计，由如下组分组成，碳0.3-0.5%、铬24-27%、铁0.8-1.3%、锰0.4-0.6%、钼0.7-1.2%、镍9.5-12.0%、硅0.3-0.4%、钨7-9%，余量为钴。
优选的，第一步中采用的钴基合金粉末，以质量分数计，由如下组分组成，碳0.40%、铬25.5%、铁1.0%、锰0.5%、钼1.0%、镍10.0%、硅0.36%、钨8.5%，余量为钴。
优选的，激光熔覆工艺的技术参数为：1-2层，功率1600-2200W，光斑直径5mm，焊接速度500mm/min，搭接率50 %，送粉量19-28g/mim。
优选的，第四步，激光冲击的具体参数为：激光波长1.06 μm，脉冲时间为22 ns，功率为8-10 J，光斑直径为2.5 mm，频率10 Hz，选用流动自来水为约束层，黑漆为吸光涂层。
优选的，第六步中，Cr-Al涂层厚度为2-12μm。
兼顾抗高温氧化及耐磨损性能的涂层（Cr-Al）的具体制备工艺：为采用多弧离子镀技术，工作气体选用纯度为99.99%的氩气，靶材采用CrAl合金靶（Cr/Al原子百分比为1:1），用砂纸对工件表面进行逐级打磨（360、600、800、1000、1200和1500号），并进行抛光，经无水乙醇超生清洗10-60min，吹干后装炉。炉腔真空室抽至8.0×10-3Pa以下，设置工件支架偏压为负500V，通入Ar气，然后利用Ar气和CrAl靶分别对工件表面清洁10-30min和30-60min。在沉积CrAl工作层之前，将偏压调到负（70-120）V，电流为100A，沉积CrAl过渡层，沉积时间为30-90min沉积厚度0.5μm，制备涂层时，工件基体温度400℃-500℃，偏压为负（30-50）V，电流为100A，气体压力为1.5-4Pa，CrAl靶沉积时间为2-12h。
利用短脉冲高能激光辐照约束层材料，诱导产生高温高压（GPa）的等离子体，产生高压冲击波，作用于金属表面并向内部传播。在材料表层形成密集、稳定的位错结构的同时，使材料表层产生应变硬化，残留很大的压应力，显著的提高材料的抗疲劳和抗应力腐蚀等性能。
根据材料科学原理，选用碳含量较低，塑形较好的钴基合金粉末，激光熔覆后，经激光冲击强化处理后，硬度大幅度提升，耐磨性显著增强，同时保留了良好的塑韧性。
以Stellite31钴基合金为例，其常态硬度为280-300HV0.3，经激光冲击强化后，硬度显著提升至350-380HV0.3，耐磨性能提升至Stellite6等级，再经物理气相沉积兼具抗高温氧化及耐磨损性能的Cr-Al涂层，表面硬度可达2850HV0.005；残余应力由危害性极大的拉应力200Mpa，调整为有益的压应力负420Mpa，有效压应力深度为0.7mm左右，残余压应力有效的抑制微裂纹的萌生，避免了阀门因外部应力过早开裂失效的情况。
在阀门密封面，物理气相沉积一层兼顾抗高温氧化及耐磨损性能的Cr-Al涂层，提升耐磨损性能及抗氧化性能，延长阀门服役寿命。
经本工艺制作的阀门密封面，抗冲击性能更优，抗高温氧化及耐磨损性能更好，规避了密封面危害性极大的开裂问题；激光冲击强化工艺处理后，熔覆层金属表层形成密集、稳定的位错结构的同时，使材料表层产生应变硬化，残留很大的压应力，显著的提高材料的抗疲劳和抗应力腐蚀等性能，形成表层约0.7mm左右深的残余压应力，抵消阀门使用过程中的热应力、机械应力，延缓及规避潜在微裂纹的萌生，大幅度降低阀门密封面开裂的风险，延长阀门服役寿命。
附图说明
图1为实施例1和实施例2截面金相组织照片。
图2为单一激光工艺、实施例1和实施例2截面硬度梯度比对图。
图3为单一激光工艺、实施例1和实施例2三组平行试样冷热冲击试验裂纹统计图（平均值）。
图4为单一激光工艺、实施例1和实施例2三组平行试样冷热冲击试验代表图。
图5为高温磨损试验设备示意图
图6为单一激光工艺、实施例1和实施例2制备试样的高温磨损试验后的试样示意图。
图7为单一激光工艺、案例1和案例2制备试样的耐高温磨损试验后的失重统计图。
图8为复合工艺制作中PVD物理气相沉积复合涂层扫描电镜图。
图9为复合工艺总流程图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
阀座，阀芯以美国ASTM标准，高温用锻轧合金P91为例。
实施例1
（1）将待处理的阀座或阀芯按图纸信息进行机械加工，放入电阻炉内做焊前预热处理，预热温度280℃，保温4h，以阀座和阀芯尺寸厚度为计，以阀座和阀芯表层与内部温度均匀一致为准；
（2）采用激光熔覆工艺，配有钴基合金粉末，在锻轧合金P91材质表面形成冶金结合的0.8 mm厚的钴基熔覆层，激光熔覆工艺的技术参数为：1层，功率1900W，光斑直径5.0mm，焊接速度500 mm/min，搭接率50 %，送粉量24 g/mim；钴基合金以质量分数计，由如下组分组成，碳0.40%、铬25.5%、铁1.0%、锰0.5%、钼1.0%、镍10.0%、硅0.36%、钨8.5%，余量为钴；熔覆后立即放入电阻炉内进行去应力回火处理，560℃，保温时间6h，到点后出炉空冷；熔覆后原始厚度为1.3mm左右，经机加工约0.5mm后剩余有效厚度0.8mm，保证留有至密封面最终尺寸+ 0.08 mm的加工余量；
（3）在钴基熔覆层表面进行激光冲击强化处理，所述的激光冲击的具体参数为：激光波长1.06 μm，脉冲时间为22 ns，功率为8J，光斑直径为2.5 mm，频率10 Hz；选用流动水为约束层，黑漆为吸光涂层；机加工，精密研磨，抛光至装配尺寸；
（4）在密封面上物理气相沉积一层3 μm兼顾抗高温氧化及耐高温磨损性能的Cr-Al涂层。
实施例2
（1）将待处理的阀座或阀芯按图纸信息进行机械加工，放入电阻炉内做焊前预热处理，预热温度300℃，保温3h，以阀座和阀芯尺寸厚度为计，以阀座和阀芯表层与内部温度均匀一致为准；
（2）采用激光熔覆工艺，配有钴基合金粉末，在锻轧合金P91材质表面形成冶金结合的1.8mm厚的钴基熔覆层，激光熔覆工艺的技术参数为：2层，功率1750W，光斑直径5.0mm，焊接速度500 mm/min，搭接率50 %，送粉量22g/mim；钴基合金以质量分数计，由如下组分组成，碳0.3%、铬27%、铁0.8%、锰0.6%、钼0.7%、镍12.0%、硅0.3%、钨9%，余量为钴；熔覆后立即放入电阻炉内进行去应力回火处理，580℃，保温时间8h，到点后出炉空冷；2层熔覆后原始厚度为2.3mm左右，经机加工约0.5mm后剩余有效厚度1.8mm，保证留有至密封面最终尺寸+0.05 mm的加工余量；
（3）在钴基熔覆层表面进行激光冲击强化处理，所述的激光冲击的具体参数为：激光波长1.06 μm，脉冲时间为22 ns，功率为10J，光斑直径为2.5 mm，频率10 Hz；选用流动水为约束层，黑漆为吸光涂层；磨削，精密研磨，抛光至装配尺寸；
（4）在密封面上物理气相沉积一层5 μm兼顾抗高温水蒸汽氧化及耐磨损性能的Cr-Al涂层。
实施例3
（1）将待处理的阀座或阀芯按图纸信息进行机械加工，放入电阻炉内做焊前预热处理，预热温度300℃，保温3h，以阀座和阀芯尺寸厚度为计，以阀座和阀芯表层与内部温度均匀一致为准；
（2）采用激光熔覆工艺，配有钴基合金粉末，在锻轧合金P91材质表面形成冶金结合的1.0 mm厚的钴基熔覆层，激光熔覆工艺的技术参数为：1层，功率1900W，光斑直径5.0mm，焊接速度500 mm/min，搭接率50 %，送粉量28g/mim；钴基合金以质量分数计，由如下组分组成，碳0.5%、铬24%、铁1.3%、锰0.4%、钼1.2%、镍9.5%、硅0.4%、钨7%，余量为钴；熔覆后立即放入电阻炉内进行去应力回火处理，540℃，保温时间4h，到点后出炉空冷；熔覆后原始厚度为1.5mm左右，经机加工约0.5mm后剩余有效厚度1.0mm，保证留有至密封面最终尺寸+0.05 mm的加工余量；
（3）在钴基熔覆层表面进行激光冲击强化处理，所述的激光冲击的具体参数为：激光波长1.06 μm，脉冲时间为22 ns，功率为10 J，光斑直径为2.5 mm，频率10 Hz；选用流动水为约束层，黑漆为吸光涂层；磨削，精密研磨，抛光至装配尺寸。
（4）在密封面上物理气相沉积一层8μm兼顾抗高温水蒸汽氧化及耐磨损性能的Cr-Al涂层。
实施例4
（1）将待处理的阀座或阀芯按图纸信息进行机械加工，放入电阻炉内做焊前预热处理，预热温度270℃，保温4.5h，以阀座和阀芯尺寸厚度为计，以阀座和阀芯表层与内部温度均匀一致为准；
（2）采用激光熔覆工艺，配有钴基合金粉末，在锻轧合金P91材质表面形成冶金结合的2.0mm厚的钴基熔覆层，激光熔覆工艺的技术参数为：2层，功率2200W，光斑直径5.0mm，焊接速度500 mm/min，搭接率50 %，送粉量23 g/mim；钴基合金以质量分数计，由如下组分组成，碳0.4%、铬25%、铁1.1%、锰0.48%、钼0.9%、镍11%、硅0.34%、钨7.5%，余量为钴；熔覆后立即放入电阻炉内进行去应力回火处理，580℃，保温时间8h，到点后出炉空冷；2层熔覆后原始厚度为2.5mm左右，经机加工约0.5mm后剩余有效厚度2.0mm，保证留有至密封面最终尺寸+ 0.10 mm的加工余量；
（3）在钴基熔覆层表面进行激光冲击强化处理，所述的激光冲击的具体参数为：激光波长1.06 μm，脉冲时间为22 ns，功率为8 J，光斑直径为2.5 mm，频率10 Hz；选用流动水为约束层，黑漆为吸光涂层；磨削，精密研磨，抛光至装配尺寸；
（4）在密封面上物理气相沉积一层2μm兼顾抗高温水蒸汽氧化及耐磨损性能的Cr-Al涂层。
实施例5
（1）将待处理的阀座或阀芯按图纸信息进行机械加工，放入电阻炉内做焊前预热处理，预热温度260℃，保温4h，以阀座和阀芯尺寸厚度为计，以阀座和阀芯表层与内部温度均匀一致为准；
（2）采用激光熔覆工艺，配有钴基合金粉末，在锻轧合金P91材质表面形成冶金结合的1.5 mm厚的钴基熔覆层，激光熔覆工艺的技术参数为：2层，功率1600W，焊接速度500mm/min，搭接率50 %，送粉量19 g/mim；钴基合金以质量分数计，由如下组分组成，碳0.35%、铬26%、铁1.2%、锰0.5%、钼0.8%、镍10.5%、硅0.36%、钨7.5%，余量为钴；熔覆后立即放入电阻炉内进行去应力回火处理，580℃，保温时间8h，到点后出炉空冷；2层熔覆后原始厚度为2.0mm左右，经机加工约0.5mm后剩余有效厚度1.5mm，保证留有至密封面最终尺寸+ 0.10mm的加工余量；
（3）在钴基熔覆层表面进行激光冲击强化处理，所述的激光冲击的具体参数为：激光波长1.06 μm，脉冲时间为22 ns，功率为9 J，光斑直径为2.5 mm，频率10 Hz；选用流动水为约束层，黑漆为吸光涂层；磨削，精密研磨，抛光至装配尺寸；
（4）在密封面上物理气相沉积一层12 μm兼顾抗高温氧化及耐磨损性能的Cr-Al涂层。
将实施例1和实施例2得到的阀门与仅经过激光熔覆得到的阀门进行硬度梯度比较，得到图2，通过图片可以明显的得出，经过本申请的工艺处理后，密封面的硬度具有明显的提升，其基体硬度为280-300HV0.3，经激光冲击强化后显著提升至340-370HV0.3（图2），表面硬度经物理气相沉积Cr-Al涂层后可达2850HV0.005，耐磨损性能大幅度提高；且仅经过激光熔覆的阀门残余应力为200Mpa左右的拉应力，经过本申请的复合工艺中激光冲击强化处理后，转变成负420Mpa的压应力，有效压应力深度0.7mm左右。
按照本发明的实施例1和实施例2的工艺制得两组6个圆柱形试样，同时制作一个仅经过激光熔覆单一工艺的一组3个圆柱形试样，然后将三组9个试样放入600℃电阻炉内保温15min，取出放入流动自来水中急速冷却；如此一个循环，统计表面裂纹数量（取平行式样的平均值），得到如图3所示柱状图和图4的裂纹形貌，通过图3-4可以明显的得出，经过本申请工艺处理后的产品具有更优异的抗冷热冲击性能，降低了阀门密封面在使用过程中的开裂风险。
依据ASTM G98-17标准（图5）制作三组各3个直径为25mm的平行式样（图6），检测其耐高温磨损性能：激光熔覆St31的平均失重是复合工艺的3.5倍左右（3个平行式样的平均值），经过本申请工艺处理后的样品的耐高温磨损性能大幅度提高（图7）。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以本发明是技术方案而非限制；尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种提升阀门硬面密封服役寿命的激光复合制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：采用激光熔覆设备，选用钴基合金粉末，在阀门密封面形成冶金结合的0.8-2.0mm厚的钴基熔覆层；
第二步：对第一步的产品进行去应力回火热处理，热处理温度520-580℃，保温3-8h；
第三步：机械加工至最终尺寸+（0.05-0.10）mm的加工余量；
第四步：在钴基合金熔覆层表面进行激光冲击强化处理；
第五步：机加工，研磨，抛光至装配尺寸；
第六步：物理气相沉积一层兼顾抗高温氧化及耐磨损性能的Cr-Al涂层。
2.根据权利要求1所述的一种提升阀门硬面密封服役寿命的激光复合制造方法，其特征在于，第一步中采用的钴基合金粉末，以质量分数计，由如下组分组成，碳0.3-0.5%、铬24-27%、铁0.8-1.3%、锰0.4-0.6%、钼0.7-1.2%、镍9.5-12.0%、硅0.3-0.4%、钨7-9%，余量为钴。
3.根据权利要求2所述的一种提升阀门硬面密封服役寿命的激光复合制造方法，其特征在于，第一步中选用的钴基合金粉末，以质量分数计，由如下组分组成，碳0.40%、铬25.5%、铁1.0%、锰0.5%、钼1.0%、镍10.0%、硅0.36%、钨8.5%，余量为钴。
4.根据权利要求1所述的一种提升阀门硬面密封服役寿命的激光复合制造方法，其特征在于，激光熔覆工艺的技术参数为：1-2层，功率1600-2200W，光斑直径5mm，焊接速度500mm/min，搭接率50 %，送粉量19-28g/mim。
5.根据权利要求1所述的一种提升阀门硬面密封服役寿命的激光复合制造方法，其特征在于，第四步，激光冲击的具体参数为：激光波长1.06 μm，脉冲时间为22 ns，功率为8-10J，光斑直径为2.5 mm，频率10 Hz，选用流动自来水为约束层，黑漆为吸光涂层。
6.根据权利要求1所述的一种提升阀门硬面密封服役寿命的激光复合制造方法，其特征在于，第六步中，兼顾抗高温氧化及耐磨损性能Cr-Al涂层，厚度为2-12μm。
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CN114717556A (zh) * 2022-03-11 2022-07-08 珠海粤清特环保科技有限公司 一种阀门及其强化方法和应用
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