CN113529071B - 轨道球阀密封面的激光熔覆层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轨道球阀密封面的激光熔覆层及其制备方法，轨道球阀密封面的激光熔覆层包括：隔绝层，设在所述密封面表面的激光熔覆层；密封层，设在隔绝层表面的激光熔覆层，密封层中各元素的质量百分比含量为：铬25.0％～40.0％，钨10.0％～30.0％，锰1.2％～1.6％，碳2.0％～4.0％，硅0.8％～1.5％，硼0.0005％～0.0035％，磷≤0.0005％，硫≤0.0005％，镍2.0％～3.0％，钼2.0％～3.0％，铁2.0％～3.0％，其余为钴。该制备方法下的激光熔覆层具有结构组织致密、无裂纹、耐腐蚀耐磨性能高、尺寸精度高等优点。

Description

轨道球阀密封面的激光熔覆层及其制备方法
技术领域
本发明属于轨道球阀技术领域，尤其涉及一种轨道球阀密封面的激光熔覆层及其制备方法。
背景技术
轨道球阀在煤化工工况下使用，主要用来做切断、分配和改变介质的流动方向。为了达到无摩擦的操作方式，开启阀门时，阀杆首先提升使轨道球阀球体与阀座脱离，然后阀杆驱动轨道球阀转动到开启位置；关闭阀门时，阀杆带动轨道球阀在不接触阀座的情况下转动，然后阀杆下降压迫轨道球阀密封面的激光熔覆层紧压在阀座上。
煤化工工况下通常包括易燃易爆气体和腐蚀性介质，为了保证在最苛刻的工况下阀门的严密性和长久的密封寿命，通常需要提高轨道球阀密封面的耐磨性、耐腐蚀性、耐冲击性及尺寸精度，以保证轨道球阀密封面与阀座之间长久的密封性能。现有技术中，一般采用在轨道球阀密封面堆焊镍基硬质合金、哈氏合金或其它合金层来提高密封面的表面性能，一般堆焊层最小厚度大于1.5mm。但是，受堆焊技术的限制，现有技术中的堆焊层通常结构组织不致密，表面容易有裂纹、气孔等缺陷，从而在使用过程中易导致堆焊层剥落、堆焊层易磨损和腐蚀，且在磨损和腐蚀后，轨道球阀与阀座之间不能完全密封等问题。另外，堆焊层较厚且不均匀，尺寸精度差，易变形，严重影响了轨道球阀密封面与阀座之间的密封性能，且在使用过程中容易出现高温抱死及阀门冷态时无法启闭等现象，从而影响轨道球阀的使用效果和使用寿命。因此，开发出一种用于轨道球阀密封面的具有耐磨损、耐腐蚀性能优良、组织致密不易开裂且加工尺寸精度高的密封层，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
有鉴于此，本发明提供一种轨道球阀密封面的激光熔覆层及其制备方法，通过在轨道球阀密封面依次激光熔覆隔绝层和密封层，该密封层具有结构组织致密、表面无裂纹且尺寸精度高，球阀在频繁开启和关闭的使用过程中，能够防止密封层受周围高腐蚀性、高温高压等环境的影响而出现剥落、磨损、变形而导致阀门高温泄露、冷态阀门无法启闭等问题的发生。该制备方法具有工艺简单、操作方便、加工效率高等优点。
根据本发明第一方面实施例的轨道球阀密封面的激光熔覆层，包括：隔绝层，所述隔绝层形成为设在所述密封面表面的激光熔覆层，所述隔绝层中各元素的质量百分比含量为：碳0.06％～0.10％，硅0.17％～0.37％，锰1.2％～1.6％，硼0.0005％～0.0035％，钒0.07％～0.12％，磷≤0.005％，硫≤0.005％，铜0.30％，铬0.30％，镍0.30％，钼0.15％，其余为铁。密封层，所述密封层形成为设在所述隔绝层表面的激光熔覆层，所述密封层中各元素的质量百分比含量为：铬25.0％～40.0％，钨10.0％～30.0％，锰1.2％～1.6％，碳2.0％～4.0％，硅0.8％～1.5％，硼0.0005％～0.0035％，磷≤0.0005％，硫≤0.0005％，镍2.0％～3.0％，钼2.0％～3.0％，铁2.0％～3.0％，其余为钴。
根据本发明实施例的轨道球阀密封面的激光熔覆层，采用隔绝层与密封层相结合的结构，该密封层不仅具有结构组织致密、表面无裂纹、尺寸精度高的特点，还具有较高的耐腐蚀、耐磨损、耐高温性能，球阀在频繁开启和关闭的使用过程中，能够防止密封层受周围高腐蚀性、高温高压等环境的影响而出现剥落、磨损、变形而导致阀门高温泄露、冷态阀门无法启闭等问题的发生。
根据本发明第一方面实施例的轨道球阀密封面的激光熔覆层还可以具有以下附加技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述隔绝层和所述密封层均由粒径为53μm～150μm的熔覆粉末制成。
根据本发明的一个实施例，所述隔绝层的厚度为0.3mm～0.5mm，所述密封层的厚度为0.4mm～0.6mm。
根据本发明的一个实施例，所述激光熔覆层的总厚度为0.953mm。
根据本发明第二方面实施例的轨道球阀密封面的激光熔覆层的制备方法包括如下步骤：S1、对所述轨道球阀密封面进行预处理；S2、对所述密封面进行预热，预热温度为50℃～300℃，预热时间为5mim-120min；S3、采用光纤激光器与同轴送粉的方式在所述密封面表面激光熔覆所述隔绝层，激光器功率为300w～6000W，激光扫描线速度为200mm/min～10000mm/min，熔覆道次之间的搭接率为30％～80％，光斑直径为Φ1～Φ6mm，送粉速度为8g/min～50g/min，送粉气体流量为2L/min～15L/min，保护气体流量为5L/min～25L/min；S4、对所述隔绝层表面进行预热，预热温度为50℃～300℃，预热时间为5mim-120min；S5、采用光纤激光器与同轴送粉方式在所述隔绝层表面激光熔覆所述密封层，激光熔覆的工艺参数范围与步骤S3中的工艺参数范围相同。
根据本发明第二方面实施例的轨道球阀密封面的激光熔覆层的制备方法还可以具有以下附加技术特征：
根据本发明的一个实施例，步骤S2的预热温度为120℃，预热时间为10min，步骤S4的预热温度为200℃，预热时间为20min。
根据本发明的一个实施例，步骤S1的预处理包括在所述密封层表面依次进行车削、磨抛、清洗、喷砂和再次清洗。
根据本发明的一个实施例，步骤S3的激光熔覆工艺参数为：激光器功率为800W，激光扫描线速度为500mm/min，熔覆道次之间的搭接率为50％，光斑直径为Φ1.8mm，送粉速度为15g/min，送粉气体流量为6L/min，保护气体流量为12L/min。
根据本发明的一个实施例，步骤S5的激光熔覆工艺参数为：激光器功率为1000W，激光扫描线速度为600mm/min，熔覆道次之间的搭接率为50％，光斑直径为Φ2.5mm，送粉速度为18g/min，送粉气体流量为6L/min，保护气体流量为12L/min。
根据本发明的一个实施例，所述轨道球阀的材质为WCC型碳钢。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的轨道球阀的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的轨道球阀的主视图；
图3为图2沿A-A的剖视图；
图4为图3中A区域的放大图；
图5为根据本发明实施例的轨道球阀密封面的激光熔覆层的制备方法的流程图。
附图标记：
轨道球阀密封面的激光熔覆层100；
隔绝层110；密封层120；
轨道球阀200；密封面210。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图5所示，下面首先结合附图具体描述根据本发明第一方面实施例的轨道球阀密封面的激光熔覆层100。
轨道球阀密封面的激光熔覆层100主要包括隔绝层110和密封层120。
具体而言，隔绝层110形成为设在密封面210表面的激光熔覆层，隔绝层110中各元素的质量百分比含量为：碳0.06％～0.10％，硅0.17％～0.37％，锰1.2％～1.6％，硼0.0005％～0.0035％，钒0.07％～0.12％，磷≤0.005％，硫≤0.005％，铜0.30％，铬0.30％，镍0.30％，钼0.15％。密封层120形成为设在隔绝层110表面的激光熔覆层，密封层120中各元素的质量百分比含量为：铬25.0％～40.0％，钨10.0％～30.0％，锰1.2％～1.6％，碳2.0％～4.0％，硅0.8％～1.5％，硼0.0005％～0.0035％，磷≤0.0005％，硫≤0.0005％，镍2.0％～3.0％，钼2.0％～3.0％，铁2.0％～3.0％，其余为钴。
换言之，隔绝层110可为采用激光熔覆的方式在轨道球阀密封面210的表面设置的熔覆层，隔绝层110中各元素的质量百分比含量可为：碳0.06％～0.10％，硅0.17％～0.37％，锰1.2％～1.6％，硼0.0005％～0.0035％，钒0.07％～0.12％，磷≤0.005％，硫≤0.005％，铜0.30％，铬0.30％，镍0.30％，钼0.15％。密封层120可为采用激光熔覆的方式在隔绝层110的表面设置的熔覆层，密封层120中各元素的质量百分比含量可为：铬25.0％～40.0％，钨10.0％～30.0％，锰1.2％～1.6％，碳2.0％～4.0％，硅0.8％～1.5％，硼0.0005％～0.0035％，磷≤0.0005％，硫≤0.0005％，镍2.0％～3.0％，钼2.0％～3.0％，铁2.0％～3.0％，其余为钴。
由此，根据本发明实施例的轨道球阀密封面210的激光熔覆层，通过隔绝层110和密封层120相结合的结构及合理的元素成分配比，该密封层120不仅具有结构组织致密、表面无裂纹、尺寸精度高的特点，还具有较高的耐腐蚀、耐磨损、耐高温性能，轨道球阀200在频繁开启和关闭的使用过程中，能够防止密封层受周围高腐蚀性、高温高压等环境的影响而出现剥落、磨损、变形而导致阀门高温泄露、冷态阀门无法启闭、球阀与阀座无法完全密封等问题的发生。
根据本发明的一个实施例，隔绝层110和密封层120均可由粒径为53μm～150μm的熔覆粉末制成，便于提高激光熔覆层的性能。
可选的，隔绝层110的厚度可为0.3mm～0.5mm，密封层的厚度可为0.4mm～0.6mm，便于保证熔覆层的耐磨寿命及与阀座之间的密封性能。
优选的，激光熔覆层的总厚度可为0.953mm，可便于常规轨道球阀200与阀座的密封面之间的尺寸安装，便于提高阀门的密封性能。
根据本发明第二方面实施例的轨道球阀密封面的激光熔覆层100的制备方法包括如下步骤：S1、对轨道球阀密封面210进行预处理；S2、对密封面210进行预热，预热温度为50℃～300℃，预热时间为5mim-120min；S3、采用光纤激光器与同轴送粉的方式在密封面210表面激光熔覆隔绝层110，激光器功率为300w～6000W，激光扫描线速度为200mm/min～10000mm/min，熔覆道次之间的搭接率为30％～80％，光斑直径为Φ1～Φ6mm，送粉速度为8g/min～50g/min，送粉气体流量为2L/min～15L/min，保护气体流量为5L/min～25L/min；S4、对隔绝层110表面进行预热，预热温度为50℃～300℃，预热时间为5mim-120min；S5、采用光纤激光器与同轴送粉方式在隔绝层110表面激光熔覆密封层120，激光熔覆的工艺参数范围与步骤S3中的工艺参数范围相同。
可选的，步骤S2的预热温度可为120℃，预热时间可为10min，步骤S4的预热温度可为200℃，预热时间可为20min。
根据本发明的一个实施例，步骤S1的预处理包括在密封层210表面可依次进行车削、磨抛、清洗、喷砂和再次清洗。
优选的，步骤S3的激光熔覆工艺参数可为：激光器功率为800W，激光扫描线速度为500mm/min，熔覆道次之间的搭接率为50％，光斑直径为Φ1.8mm，送粉速度为15g/min，送粉气体流量为6L/min，保护气体流量为12L/min。
进一步的，步骤S5的激光熔覆工艺参数可为：激光器功率为1000W，激光扫描线速度为600mm/min，熔覆道次之间的搭接率为50％，光斑直径为Φ2.5mm，送粉速度为18g/min，送粉气体流量为6L/min，保护气体流量为12L/min。
在本发明的一些具体实施方式中，轨道球阀200的材质可为WCC碳钢。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：1、通过激光熔覆的方式，热输入小变形小，保证球阀的尺寸精度及形状；2、激光熔覆层的厚度均匀，减小后续加工的工作量；3、本发明设计的密封熔覆层的结构及成分配比，具有耐高温、耐酸碱腐蚀、耐磨损等优点，极大的提高了阀体的寿命；4本发明的隔绝层，可有效的将WCC碳钢与密封熔覆层隔开，杜绝密封层材质与WCC碳钢材料相互作用，导致密封层出现大量气孔，总而言之，该隔绝层大大提高了轨道球阀的成品率。
实施例1：轨道球阀密封面的激光熔覆层100
轨道球阀密封面的激光熔覆粉末配比1kg，其中隔绝层110熔覆粉末的各元素质量百分比为：碳0.061％，硅0.171％，锰1.21％，硼0.00051％，钒0.071％，磷0.005％，硫0.005％，铜0.30％，铬0.30％，镍0.30％，钼0.15％，其余为铁；密封层120熔覆粉末的各元素质量百分比为：铬25.01％，钨10.01％，锰1.21％，碳2.01％，硅0.81％，硼0.00051％，磷0.0005％，硫0.0005％，镍2.01％，钼2.01％，铁2.01％，其余为钴。
实施例2：轨道球阀密封面的激光熔覆层100
轨道球阀密封面的激光熔覆粉末配比1kg，其中隔绝层110熔覆粉末的各元素质量百分比为：碳0.99％，硅0.369％，锰1.59％，硼0.0034％，钒0.119％，磷0.005％，硫0.005％，铜0.30％，铬0.30％，镍0.30％，钼0.15％，其余为铁；密封层120熔覆粉末的各元素质量百分比为：铬39.9％，钨29.9％，锰1.59％，碳3.99％，硅1.49％，硼0.0034％，磷0.0005％，硫0.0005％，镍3.0％，钼3.0％，铁3.0％，其余为钴。
实施例3：轨道球阀密封面的激光熔覆层的制备方法
分别将按照实施例1和实施例2的比例配比的熔覆粉末用于轨道球阀密封面激光熔覆层的制备，具体步骤如下：
S1、对轨道球阀密封面210进行预处理；
S2、对密封面210进行预热，预热温度为120℃，预热时间为10min；
S3、采用光纤激光器与同轴送粉的方式在密封面210表面激光熔覆隔绝层110，激光器功率为800W，激光扫描线速度为500mm/min，熔覆道次之间的搭接率为50％，光斑直径为Φ1.8mm，送粉速度为15g/min，送粉气体流量为6L/min，保护气体流量为12L/min；
S4、对隔绝层110表面进行预热，预热温度为200℃，预热时间为20min；
S5、采用光纤激光器与同轴送粉方式在隔绝层110表面激光熔覆密封层120，激光器功率为1000W，激光扫描线速度为600mm/min，熔覆道次之间的搭接率为50％，光斑直径为Φ2.5mm，送粉速度为18g/min，送粉气体流量为6L/min，保护气体流量为12L/min。
实施例3的两组不同熔覆粉末制备的熔覆层表面质量均良好，经着色探伤均无裂纹出现。经擦伤试验机检测其密封寿命，结果显示密封寿命提高了4倍以上，寿命和尺寸精度均优于堆焊的轨道球阀，可以广泛的推广使用。
总而言之，根据本发明实施例的轨道球阀密封面的激光熔覆层及其制备方法，通过隔绝层110和密封层120相结合的结构及合理的元素成分配比，该密封层120不仅具有结构组织致密、表面无裂纹、尺寸精度高的特点，还具有较高的耐腐蚀、耐磨损、耐高温性能，球阀在频繁开启和关闭的使用过程中，能够防止密封层受周围高腐蚀性、高温高压等环境的影响而出现剥落、磨损和变形，导致阀门高温泄露、冷态阀门无法启闭、球阀与阀座无法完全密封等问题的发生。该制备方法具有工艺简单、操作方便、加工效率高等优点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种轨道球阀密封面的激光熔覆层，其特征在于，包括：
隔绝层，所述隔绝层形成为设在所述密封面表面的激光熔覆层，所述隔绝层中各元素的质量百分比含量为：碳0.06％～0.10％，硅0.17％～0.37％，锰1.2％～1.6％，硼0.0005％～0.0035％，钒0.07％～0.12％，磷≤0.005％，硫≤0.005％，铜0.30％，铬0.30％，镍0.30％，钼0.15％，其余为铁；
密封层，所述密封层形成为设在所述隔绝层表面的激光熔覆层，所述密封层中各元素的质量百分比含量为：铬25.0％～40.0％，钨10.0％～30.0％，锰1.2％～1.6％，碳2.0％～4.0％，硅0.8％～1.5％，硼0.0005％～0.0035％，磷≤0.0005％，硫≤0.0005％，镍2.0％～3.0％，钼2.0％～3.0％，铁2.0％～3.0％，其余为钴；
所述隔绝层和所述密封层均由粒径为53μm～150μm的熔覆粉末制成；
所述隔绝层的厚度为0.3mm～0.5mm，所述密封层的厚度为0.4mm～0.6mm；
所述激光熔覆层的总厚度为0.953mm；
所述轨道球阀的材质为WCC型碳钢，隔绝层可有效的将WCC碳钢与密封层隔开，杜绝密封层材质与WCC碳钢材料相互作用，导致密封层出现大量气孔。
2.根据权利要求1所述的轨道球阀密封面的激光熔覆层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、对所述轨道球阀密封面进行预处理；
S2、对所述密封面进行预热，预热温度为50℃～300℃，预热时间为5mim-120min；
S3、采用光纤激光器与同轴送粉的方式在所述密封面表面激光熔覆所述隔绝层，激光器功率为300w～6000W，激光扫描线速度为200mm/min～10000mm/min，熔覆道次之间的搭接率为30％～80％，光斑直径为Φ1～Φ6mm，送粉速度为8g/min～50g/min，送粉气体流量为2L/min～15L/min，保护气体流量为5L/min～25L/min；
S4、对所述隔绝层表面进行预热，预热温度为50℃～300℃，预热时间为5mim-120min；
S5、采用光纤激光器与同轴送粉方式在所述隔绝层表面激光熔覆所述密封层，激光熔覆的工艺参数范围与步骤S3中的工艺参数范围相同。
3.根据权利要求2所述的轨道球阀密封面的激光熔覆层的制备方法，其特征在于，步骤S2的预热温度为120℃，预热时间为10min，步骤S4的预热温度为200℃，预热时间为20min。
4.根据权利要求2所述的轨道球阀密封面的激光熔覆层的制备方法，其特征在于，步骤S1的预处理包括在所述密封层表面依次进行车削、磨抛、清洗、喷砂和再次清洗。
5.根据权利要求3所述的轨道球阀密封面的激光熔覆层的制备方法，其特征在于，步骤S3的激光熔覆工艺参数为：激光器功率为800W，激光扫描线速度为500mm/min，熔覆道次之间的搭接率为50％，光斑直径为Φ1.8mm，送粉速度为15g/min，送粉气体流量为6L/min，保护气体流量为12L/min。
6.根据权利要求2所述的轨道球阀密封面的激光熔覆层的制备方法，其特征在于，步骤S5的激光熔覆工艺参数为：激光器功率为1000W，激光扫描线速度为600mm/min，熔覆道次之间的搭接率为50％，光斑直径为Φ2.5mm，送粉速度为18g/min，送粉气体流量为6L/min，保护气体流量为12L/min。
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