核閥閥瓣激光熔覆層顯微組織和耐高溫磨損性能研究

    1）在高溫及熱沖擊條件下，具備高度的尺寸穩定性；
    2）在輻照作用下，具有高度的組織結構穩定性，并保持其必要的物理和機械性能；
    3）與所接觸的材料、介質具有較好的相容性；
    4）具有良好的可測試性能和可靠的使用經驗。

   據統計，一座中型核電站需安裝350多種不同類型、結構尺寸和用途的閥門1.4~2萬臺，約占整個核電站設備投資的10%。核電站由于閥門裝置出現故障而造成的事故占1/4^[1]。因核閥的運行循環次數多、熱沖擊頻繁，使得熱磨損成為影響核閥壽命的關鍵因素。為提高核閥的使用性能，必須對其進行表面改性處理。目前，一般采用電弧、火焰堆焊和等離子熔涂等工藝熔焊核閥零件關鍵的密封面。因存在裂紋傾向大、廢品率高、組織性能不均勻、生產工序繁多、熔層極不平整、加工量大等難以克服的缺點，無法保證核閥的質量要求。

   激光熔覆技術是在基體材料表面涂敷一層預設計好的合金層，利用高能激光束作熱源，對涂層作熔覆掃描，激冷后形成高性能冶金結合熔層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨損、耐腐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性^[2~4]。本工作對采用激光熔覆和等離子熔涂兩種工藝形成的涂層進行顯微組織和抗高溫沖擊滑動磨損性能對比試驗研究。

    1 激光熔覆涂層試驗

    1.1 試樣

   核閥閥瓣和試樣的基體材料為1Cr18Ni9Ti，化學成分為：ω（C）≤0.12%，ω（Si）≤1.00%，ω（Mn）≤2.00%，ω（S）≤0.3%，ω（P）≤0.035%，ω（Cr）≤17.00%，ω（Ni）≤8.00%，ω（Ti）=5（ω（C）~0.02%）~0.8%。核閥為20HJ63Y-20P型截止閥，閥瓣密封圓錐面尺寸為Φ40mm×Φ14mm×18mm；試驗采用25mm×20mm×10mm矩塊和Φ38mm×3mm圓形試樣。

    1.2 涂層合金

   根據核閥運行工況要求，采用Co基合金粉末，粒度為0.048~0.074mm，化學成分為：ω（C）≤0.70%，ω（Cr）≤26.00%，ω（Si）≤2.00%，ω（Ω）≤5.00%，ω（B）≤0.70%，ω（Fe）≤5.00%，余量為ω（Co）。

    1.3 熔覆涂層工藝

   采用預置粉末法工藝。以自行研制的105粘結劑將粉末涂敷于試樣表面，預敷層厚度為3mm，并烘干。

   熔覆試驗采用HGL-90型5kW連續可調橫流式CO₂激光器。熔覆時，核閥閥瓣和試樣固定于工作臺（或三爪卡盤）上，由MNC801微機系統控制步進電機驅動工作臺上的工件沿x-y方向做二維運動，由微機按工藝要求自動控制工件以一定速度和相對光束的掃描運行，搭接率為50%。工作時，導光系統的反射鏡和透鏡通水冷卻。為防止熔覆過程中熔池氧化，熔覆時用氬氣保護。熔覆工藝參數為：激光功率3~4kW，掃描速度10~20mm/s，光斑直徑5mm。此外，采用等離子熔涂在相同條件下處理了相應的對比試樣。

    2 激光熔覆層組織和硬度

   試驗中的激光熔覆層厚度達3mm，熔層表面光滑平整，粗糙度達到Ra6.3μm，密封面的平整度在0.4mm以下。采用MeF₃光學金相顯微鏡及所附顯微硬度計觀察熔層顯微組織，進行晶粒度評價，測定顯微硬度和熱影響區寬度，分析熔層缺陷。用JSM35C和S650型掃描電鏡對試樣的熔區、熱影響區和基體進行高倍金相組織形貌分析；用EDAX-9100型能譜儀測定各微區成分，評價熔覆層的稀釋率。

    2.1 顯微組織

   激光熔覆后，垂直于掃描方向的橫截面的組織可明顯分為熔化區、熱影響區和基體3個區域（圖1、2）。

    1）熔化區的組織形貌

   在Co基合金熔覆層內靠近基體部位有一層等軸晶激冷層。這是由于在熔化的合金粉末涂層和基體之間存在著很大的溫度梯度而使熔體產生較大的過冷度形成的。

    2）激光熔覆Co基熔覆層的相結構

   X射線結構分析結果示于圖3。由圖3可以看出：Co基合金激光熔覆層的相結構為FCC.Co基固熔體+Cr₇C₃+Cr₂B。

    3）熱影響區

   基體為奧氏體鋼（1Cr18Ni9Ti），受高能激光加熱后出現了奧氏體晶粒的長大。這一現象的產生是由于奧氏體受熱影響后發生了晶界移動，移動的結果是大晶粒吞并小晶粒。大晶粒長大、小晶粒消失過程在較短的時間內完成。

   在激光熔覆中，固熔結合層極薄（2~8μm），激光沉積深度淺，輸入基體的能量少，激光熔覆的熱影響區寬度窄。用MeF₃金相顯微鏡的附件測微尺測量激光熔覆熱影響區寬度為20~30μm，是等離子熔涂層熱影響區寬度的1/8~1/12。激光熔覆時，若工藝參數匹配不當，則因熱應力和組織應力作用易產生裂紋，影響零件質量。本研究通過優化工藝參數匹配，加之激光熔覆熱影響區甚窄，熱應力小，故激光熔覆的裂紋傾向遠比等離子熔涂低。

    2.2 晶粒度

   激光熔覆過程中預置涂層粉末全熔，基體發生微熔，熔化粉末和基體間不存在間隙，處于冷態的基體對于熔池金屬如同模壁，在熔化的粉末和基體間存在著很大的溫度梯度，使熔體產生較大的過冷度。因此，熔體在近基體界面部位形成一層細密的等軸晶激冷層^[2]。

   激光熔池中上部的冷卻速度很高，結晶后可獲細小的枝晶組織，晶粒度達12級（YB27-77標準）（圖4）。激光熔覆閥瓣的晶粒度比等離子熔涂層的晶粒度高3個等級。

    2.3 稀釋率

   稀釋率是評價一種工藝優劣的一項重要指標。熔覆稀釋率低，表明熔層受基體中Fe、Ni、Ti等元素的影響小，因此，可有效發揮預設計的合金熔覆材料的固有特性。使用JSM35C掃描電鏡測定閥瓣激光熔覆層、等離子熔涂層的成分，得到稀釋率列于表1。結果表明：激光熔覆層的稀釋率明顯低于等離子熔涂層的。激光熔覆層受Fe、Ti、Ni的稀釋率分別約為等離子熔涂層的1/3、1/10和1/7。

表1 激光熔覆與等離子熔涂層的稀釋率比較

    2.4 顯微硬度

    激光熔覆層硬度值是保證熔層性能的重要指標。

   實驗中觀察到：掃描速度提高，激光熔層的硬度顯著上升；在同一熔層內，從表面到熱影響區，硬度值的變化不大，呈緩慢下降趨勢；熱影響區的硬度值陡降。

   用MeF₃光學顯微鏡及其附件顯微硬度計測定的激光熔覆、等離子熔涂層顯微硬度（Hm200g）列于表2。結果表明：激光熔覆層顯微硬度比等離子熔涂層高44.1%，硬度橫向均勻性比等離子熔涂層高40%。

表2 激光熔覆層與等離子熔涂層顯微硬度對比

    3 高溫磨損試驗

    3.1 試驗裝置

   高溫沖擊滑動磨損試驗機由主機、加熱裝置、氣動裝置、控制系統和潤滑冷卻裝置等5部分組成（圖5）。主機由普通車床改裝而成，轉速為48~1000r/min，分8擋。高頻感應加熱裝置為GP15-B型，功率15kW，工件往復運動及停頓時間均由定時器控制氣動系統來實現。沖擊力的大小由減壓閥調節。

    3.2 試樣和試驗條件

    3.2.1 試樣 

   試樣制成環形，外圓直徑為38mm，內圓直徑30mm，高10mm。分別經激光熔覆Co基合金粉末和等離子熔涂Co基合金粉末處理，激光熔覆層、等離子熔涂層厚度均約為3mm。磨削至Ra0.25后，用500^#水磨砂紙拋光（劃痕沿圓弧方向）。預熱溫度為室溫（25℃）。

    3.2.2 對磨試樣

    材料為45鋼，外徑為38mm，內徑為28mm，采用高頻加熱至（450~800）℃。

    3.2.3 試驗條件

    1）用內燃機汽缸潤滑油冷卻，每磨損一循環涂油一次；
    2）磨損循環時間4s，接觸時間0.3s；
   3）磨損軸向載荷180kgf（汽缸壓力3kgf/cm²），沖壓行程20mm；
    4）磨損滑動速度1.33m/s（機床轉速670r/min）；
   5）在試驗前后，試樣經洗潔精、酒精、丙酮清洗吹干后，置干燥器內靜置2h以上，然后，用萬分之**平稱量，測定磨損失質量，并用體視顯微鏡觀察其磨損表面形貌。

    3.3 實驗結果

   為提高試驗結果的準確性，分別對激光熔覆和等離子熔涂的數組試樣進行了抗高溫沖擊滑動磨損試驗。同一組內各試樣的磨損失重雖略有變化，但各組的平均磨損失重基本一致，證明所采用的抗高溫沖擊滑動試驗方法可行，試驗結果可靠。表3列出其中一組激光熔覆和等離子熔涂試樣的抗高溫沖擊滑動磨損性能考核試驗結果。結果表明：經500、1000、1500、2000、2500、3000次高溫磨損后，激光熔覆試樣的磨損失重量約為等離子熔涂試樣的1/2，說明激光熔覆層的抗高溫沖擊滑動磨損性能明顯優于等離子熔涂層。

表3 高溫沖擊滑動磨損試驗結果

   注：磨損試驗溫度為（450~800）℃

    4 結果分析和結論

   1）由于激光功率密度高，加熱速度快，使熔層和基體表層加熱后迅速熔化，急速冷卻時過冷度大，熔池中的合金元素快速形成多種化合物而增加非自發晶核的數量，使形核率大大提高，因而形成了細小均勻的顯微組織。組織細密不僅提高了晶界結合力，還能減少單位晶界上的雜質含量，從而使熔層的硬度、強韌性、耐磨性等表層綜合性能明顯提高。

   2）激光熔覆層的稀釋率明顯低于等離子熔涂層。激光熔覆時，與基體的互熔結合區薄，沉積深度淺，基體參與熔解甚微，熔層與基體間元素相互擴散小。故基體成分對合金熔層成分稀釋影響極小，可有效保留表面熔層材料的合金成分，保持其高硬度、高耐磨性等優良性能。

   3）熔層材料為以Co、Cr、W元素為主的Co基合金，大部分Cr與所有Co組成固溶體，部分Cr形成Cr₇C₃和Cr₂B，因而，具有很高的硬度和耐磨性。一部分W將與C形成碳化鎢，主要為WC，在高于1800℃方可形成W₂C，從而使得熔層具有很好的紅硬性。

   4）激光束作用在熔池中產生的對流傳質作用能充分攪拌熔池，使熔池中氣體和夾雜物上浮析出，從而形成致密的涂層，保證了熔層的質量。等離子熔涂過程則是利用等離子體使合金粉末熔化、加速、通過大氣空間再噴射到基體材料表層，同時有空氣混入焊層。等離子熔涂過程中不會出現熔池對流攪拌現象，熔體中氣體夾雜物難以上浮析出，在噴涂層的上部及界面部位往往存在較多的氣孔和夾雜物分布在粗大的枝晶之間，降低了噴涂層的耐磨性、耐腐蝕性以及閥瓣的密封性能。

   與等離子熔涂層相比，激光熔覆層的組織細密，顯微硬度高而均勻，氣孔、夾雜物大為減少，晶粒度高3個等級，熱影響區寬度小許多，稀釋率大大降低。這些皆有利于提高核閥零件的抗高溫沖擊滑動磨損性能、強韌性、耐磨性、耐腐蝕性等表層性能。磨損試驗結果表明：激光熔覆層的抗高溫沖擊滑動磨損性能明顯優于等離子熔涂層，激光熔覆層的磨損失重量僅為等離子熔涂層的磨損失重量的1/2。