CN113637873B

CN113637873B - 一种利用激光技术再制造最小流量阀密封面的功能层合金材料及封面的制备方法

Info

Publication number: CN113637873B
Application number: CN202110948424.0A
Authority: CN
Inventors: 王晓航; 陈海涛; 董思远
Original assignee: Shenyang Continental Laser Advanced Manufacturing Technology Innovation Co ltd
Current assignee: Shenyang Continental Laser Advanced Manufacturing Technology Innovation Co ltd
Priority date: 2021-08-18
Filing date: 2021-08-18
Publication date: 2023-03-31
Anticipated expiration: 2041-08-18
Also published as: CN113637873A

Abstract

本发明涉及激光熔覆和表面工程技术领域，本发明涉及一种通过激光熔覆技术进行阀门密封面表层强化层的再制造，获得比传统镀硬铬使用寿命更久的密封表面。一种除鳞线上的喷射阀密封面的表层材料强化方法，具体包括以下步骤：清理、混合、熔覆、预制送粉、热处理。本发明提供了一种全新的喷射阀阀芯表面强化方法。镀铬的通常有效厚度仅有4‑5μm，很难做到20μm以上的高质量镀铬层。而这种方法可以制作出更厚的强化表面，厚度至少可以达到1mm以上，可以有效延长表面被破坏的时间。通过该方法制作出的表面起到比镀铬层持久的防护作用达到提高产品整体使用寿命的作用。

Description

一种利用激光技术再制造最小流量阀密封面的功能层合金材料及封面的制备方法

技术领域

本发明涉及激光熔覆和表面工程技术领域，具体涉及一种利用激光技术再制造最小流量阀密封面的功能层合金材料及封面的制备方法，获得比现有焊接强化使用寿命更久的密封表面。

背景技术

火力发电厂电机给水泵最小流量调节阀经常出现阀芯减压套开裂造成阀门卡死以及因密封面的损坏导致的内漏现象。这些现象产生的主要原因：一是高静压下运行导致材质发生金属蠕变，最终引发衬套突然开裂；二是阀门开启瞬间高压水流流过狭小开口处对密封面造成的冲蚀磨损；三是阀门开启后带来的闪蒸和汽蚀进一步损害阀芯表面，从而影响阀芯组件的使用寿命。

目前国内通常是采用堆焊司太立合金的方式对阀芯表面进行修复。在修复的过程中，焊接过程导致的基材过热会使基材的硬化沉淀相发生转变从而降低基材硬度，高稀释率也会改变金属组织的成分，导致有害相生成并最终影响零件的使用寿命。正是因为这些不利因素，堆焊过的阀芯通常每运营半年左右反复进行修复。现有的焊接技术由于反应剧烈会引入大量的杂质到密封面，严重影响质量。即使采用MIG焊接，获得组织的致密程度也远远低于激光成型的组织。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种利用激光技术再制造最小流量阀密封面的功能层合金材料及封面的制备方法，本发明采用激光熔覆技术替代现有的堆焊（TIG焊或MIG焊修复方法），所述的激光熔覆技术是通过激光在密封面处熔覆合金粉末制造出新的高性能密封面。由于激光的快速熔凝特性，可以形成比现有焊接组织更致密的密封材料结构，在惰性气体的保护下可以形成纯净度很高的功能层。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案。

一种利用激光技术再制造最小流量阀密封面的功能层合金材料，该合金材料包括以下质量百分数的组分组成：Cr 28%~29%、C 1.42%~1.43%、Mn 0.5%~1.5%、Ni≤3.0%、Mo≤1.1%、Si≤2.0%、W 8.1%~8.4%、Fe≤3.0%，Co余量。

一种利用激光技术再制造最小流量阀密封面的方法，具体包括以下步骤：

步骤1、将待熔覆面氧化皮打磨清理后，用清洗剂除去待熔覆面表面的油污。

步骤2、采用预制送粉，通过粉管将粉末送至熔层前方，通过阀件转动将粉末送入熔池。如果工件的尺寸过小，也可以通过气载送粉的方式将粉末直接送入熔池。

步骤3、激光熔覆功率控制在2600W至2800W之间，熔覆的线速度控制在800mm/min至1000mm/min。

步骤4、粉末采用预制送粉，送粉量为12~14g/min，熔层厚度控制在1~1.2mm，该厚度可以保证熔层能满足产品性能需求。

步骤5、磨削熔覆面至设计尺寸，表面粗糙度应为Ra0.8。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下。

一种利用激光技术再制造最小流量阀密封面的方法，本发明采用激光熔覆技术替代现有的堆焊（TIG焊或MIG焊修复方法），所述的激光熔覆技术是通过激光在密封面处熔覆合金粉末制造出新的高性能密封面。由于激光的快速熔凝特性，可以形成比现有焊接组织更致密的密封材料结构，在惰性气体的保护下可以形成纯净度很高的功能层。

目前国外公司Copes-Vulcan（简称CV）所制造的最小流量阀其高性能质量获得业内的普遍认可。CV制造阀门的使用寿命通常为国内修复阀门的2-3倍。经过分析发现该阀密封面采用了MIG焊接，并通过严格控制工艺参数形成了致密的功能层。然而即使这样的组织其致密程度与激光成型的组织相比仍很稀疏，如图1（a）所示。本发明提供的利用激光技术再制造最小流量阀密封面的方法制备的密封面具有细密的组织结构，有利于金属组织中的强化相更均匀的分部，能够更有效的阻挡疲劳裂纹的扩展。这些特性将有利于在总体上提升材料的抗疲劳、抗蠕变、抗冲蚀等特性，从而延长产品的使用寿命。

附图说明

图1是CV阀密封面和本发明提供的激光熔覆密封面同等倍率下的金相组织对比图。（a.美国CV公司密封面金相组织；b.激光熔覆密封面金相组织）。

图2 是钴基材料不同成分配比的正交试验。

图3 是钴基材料2不同配比和工艺条件下，样品检测硬度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。本领域的技术人员容易理解，以下所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

1、功能层合金材料组成成分及用量的筛选试验。

在激光熔覆前对现有司太立的材料成分进行改性，重新设计出熔焊性能更好并更适用于激光熔覆的材料。材料成分的选择是在现有成熟的钴基材料的基础上，略微调整部分化学成分的比例，之后进行对比实验筛选出满足激光熔覆要求的成分。（图2）之后切样观察内部组织的气孔、缺陷、夹杂的情况。最后记录下所有满足质量要求的化学元素成分比例。最终确定其成分为Cr:28%~29%，C:1.42%~1.43%，Mn:0.5%~1.5%，Ni≤3.0%，Mo≤1.1%，Si≤2.0%，W:8.1%~8.4%，Fe≤3.0%，Co：余量。

其中钴基材料具有很好的耐疲劳和耐磨蚀性能，并且具有很好的可焊性。其中钴元素能有效提升产品的耐汽蚀性能。C可以再熔覆过程中形成强化相，主要为碳化物MC。该C的含量可以避免形成的MC颗粒过大影响强化效果，可以形成更细小弥散的碳化物起到更好的强化作用。高的铬量在合金表面能形成抵抗碱金属硫酸盐(如Na₂SO₄腐蚀的Cr₂O₃保护层)。镍基合金更高的铬含量可以弥补钴基合金相较于镍基合金抗氧化性弱的缺陷。Mn，Ni，Mo等元素的加入能进一步提升材料总体的耐腐蚀和耐磨蚀性能，并该善粉末的可焊性，使得激光熔覆成型成为可能。

2、一种利用激光技术再制造最小流量阀密封面的方法关键工艺参数的筛选试验。

确定好合适的材料成分后，再设计合适的工艺参数，主要为激光功率和熔覆线速度。每种成分用相同的3-4种工艺进行熔覆（图3）。样品用线切割切出横截面样品并测量横截面的维氏硬度。挑选出成型质量好硬度高的材料进行熔覆。其中气孔等缺陷越少，内部微观硬度越高的材料，产品密封面的抗汽蚀、抗冲蚀、耐腐蚀性能越佳，产品的总体使用寿命越长。

一种利用激光技术再制造最小流量阀密封面的方法，最终确定以下步骤：

步骤2、激光熔覆功率控制在2600W至2800W之间，功率不宜过高，避免熔覆过程反应过于剧烈导致熔化液滴飞溅形成缺陷。也不可过低，防止底部因未完全熔透导致气孔、夹杂等缺陷形成。熔覆的线速度控制在800mm/min至1000mm/min。

步骤3、熔覆过程中需要用惰性气体对熔池进行有效保护，防止氧化物与其它杂质的形成。

实施例1。

一种激光再制造最小流量阀密封面的功能层合金材料，该合金材料由以下质量百分数的组分组成：Cr 26%、C 1.42%、Mn 0.7%、Ni 2.3%、Mo 0.9%、Si 2.0%、W 8.3%、Fe 3.0%，Co余量。

步骤2、采用气载送粉的方式将粉末直接送入熔池。

步骤3、激光熔覆功率控制在2735W，熔覆的线速度控制在900mm/min。

步骤4、粉末采用预制送粉，送粉量为11g/min，熔层厚度控制在1.1mm。

步骤5、磨削熔覆面至设计尺寸，表面粗糙度应为Ra0.8。

实施例2。

一种激光再制造最小流量阀密封面的功能层合金材料，该合金材料由以下质量百分数的组分组成：Cr 26%、C 1.43%、Mn 1.3%、Ni 2.2%、Mo 1.1%、Si 2.0%、W 8.2%、Fe 3.0%，Co余量。

步骤2、采用预制送粉，通过粉管将粉末送至熔层前方，通过阀件转动将粉末送入熔池。

步骤3、激光熔覆功率控制在2815W，熔覆的线速度控制在940mm/min。

步骤4、粉末采用预制送粉，送粉量为10g/min，熔层厚度控制在1.0mm。

步骤5、磨削熔覆面至设计尺寸，表面粗糙度应为Ra0.8。

实施例3。

一种激光再制造最小流量阀密封面的功能层合金材料，该合金材料由以下质量百分数的组分组成：Cr 29%、C 1.42%、Mn 0.6%%、Ni 1.3%、Mo 0.7%、Si 2.0%、W 8.1%、Fe3.0%，Co余量。

步骤3、激光熔覆功率控制在2690W之间，熔覆的线速度控制在980mm/min。

步骤4、粉末采用预制送粉，送粉量为13g/min，熔层厚度控制在1.2mm。

步骤5、磨削熔覆面至设计尺寸，表面粗糙度应为Ra0.8。

本发明提供的激光熔覆密封面和CV阀密封面效果评价。

国外公司Copes-Vulcan（简称CV）所制造的最小流量阀其高性能质量获得业内的普遍认可。CV制造阀门的使用寿命通常为国内修复阀门的2-3倍。经过分析发现该阀密封面采用了MIG焊接，并通过严格控制工艺参数形成了致密的功能层。然而即使这样的组织其致密程度与激光成型的组织相比仍很稀疏，如图1（a）所示。本发明提供的利用激光技术再制造最小流量阀密封面的方法制备的密封面具有细密的组织结构，如图1（b）所示，有利于金属组织中的强化相更均匀的分部，能够更有效的阻挡疲劳裂纹的扩展。这些特性将有利于在总体上提升材料的抗疲劳、抗蠕变、抗冲蚀等特性，从而延长产品的使用寿命。

Claims

1.一种利用激光技术再制造最小流量阀密封面的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、将待熔覆面氧化皮打磨清理后，用清洗剂除去待熔覆面表面的油污；

步骤2、采用预制送粉，通过粉管将粉末送至熔层前方，通过阀件转动将粉末送入熔池；如果工件的尺寸过小，通过气载送粉的方式将粉末直接送入熔池，合金材料包括以下质量百分数的组分组成：Cr 26%、C 1.42%、Mn 0.7%、Ni 2.3%、Mo 0.9%、Si 2.0%、W 8.3%、Fe3.0%，Co余量；

步骤3、激光熔覆，熔覆参数为功率2600W至2800W之间，熔覆的线速度控制在800mm/min至1000mm/min；

步骤4、粉末采用预制送粉，送粉量为12~14g/min，熔层厚度控制在1~1.2mm，该厚度可以保证熔层能满足产品性能需求；

步骤5、磨削熔覆面至设计尺寸，表面粗糙度应为Ra 0.8。