激光熔覆化工阀门的实验与质量控制

柠檬黄

某氮肥厂氨基甲酸铵组合阀阀体及进、排液阀板均采用 0Cr18Ni12Mo3Ti 耐酸不锈钢制造，阀面研磨后离子氮化处理，卧式运行。该设备在生产运行中阀体、阀板间产生强烈的低频撞击实现阀门的开合，甲铵液属强腐蚀性介质，加上 200℃ 左右的温度，故密封面会因冲击、腐蚀等综合作用而造成疲劳和开裂，从而导致泄漏。泄漏不仅浪费了资源、能源和污染环境，而且影响设备的生产能力，甚至造成停产。


        由于该组合阀零件密封面凸台太窄小，如采用传统的等离子喷焊和火焰堆焊工艺，一则变形大，二则不好操作。采用激光熔覆工艺，由于高能激光束热源集中，能量密度大，作用时间短，对基体热影响极小．故能很好地满足加工要求。我们在这种阀门狭窄的密封面上用激光熔覆一层钴基自熔性合金，大大地提高了密封面的耐高温、耐震、抗蠕变、抗磨损、抗腐蚀性能，提高了密封面的可靠性、安全性，减少停机时间，使其使用寿命比原氮化处理延长一倍以上。在激光熔覆时发现，激光作用层内存在大的热应力和开裂倾向是影响其质量的最主要原因，特别是对于厚层熔覆，裂纹常常难以避免。本文将介绍组合阀零件密封面的激光熔覆工艺及试验结果，并对熔覆质量和后续加工作了讨论分析。


1 试验条件与方法0Cr18Ni12Mo3Ti 奥氏体耐酸不锈钢制阀体零件如图 1 所示，阀体上分布有十几个通孔和盲孔。激光熔覆用钴基自熔性合金粉末为 FCo-05，化学成分 w（%）为：0.25C，19Cr，29Ni，5~6Mo，4Si，3B，2~5Fe，余为 Co；粘结剂为 2123 酚醛树脂，用乙醉稀释调和。

        试验装置为 HGL-90 型 5kW 横流连续波 CO2 激光器：试件由数控回转工作台驱动。试件上预涂敷合金粉末层厚度 0.8~2.5mm，涂后缓升至 400℃ 后保温 1~2h 进行预热。激光熔覆时其功率为 2~3kW，扫描速度 3~4mm/s，用焦距 600mm 反射镜聚焦，聚焦光斑直径 5~8mm；若第二次重熔时激光功率 1.7~2.1kW，扫描速度不变。采用氧乙炔火焰跟踪熔池以补偿热能；熔覆后及时于 500℃ 去应力退火，随炉缓冷降温。


        用金相显微镜、显微硬度计、X 射线衍射仪观察分析熔覆层组织和性能。


2 试验结果FCo-05 合金在 0Cr18Ni12Mo3Ti 基体上激光熔覆后在结合区的形貌，激光熔层与基体之间存在一较窄的白亮带，这是敷层与基体金属在热源作用下合金交互扩散而形成的固溶结合层，表示己形成了良好的冶金结合。熔覆层由于冷却速度很快，结晶后会获得非常细小的枝晶组织，晶粒度达 11 级（YB27-77 标准）。


3 分析讨论3.1 热应力及开裂
        试验中，在 0.8~2.5mm 涂敷厚度均未发现有气孔现象。熔覆层厚度较大时容易开裂，激光扫描时即可听到断续的清脆崩裂声，且多发生于距熔池后 80~100mm 处。即使采用二次扫描重熔，也只能消除部分裂纹。由于熔覆层合金的膨胀系数与基体金属不一致，膨胀系数过大，在凝固收缩时产生拉应力，拉应力超过了当时温度下材料的抗拉极限强度，因而产生了裂纹。激光熔覆由于快速加热和速冷（104~106℃/s），熔池寿命很短，常使熔层中可能存在的氧化物、硫化物和其它杂质来不及释放出来，它们存于覆层中，很容易成为裂纹源。另外，熔覆层在瞬间凝固结晶，晶界位错、空位增多，同时热脆性增大，塑韧度下降，开裂敏感性也就增大。覆层越厚，以上情况就越明显。加大功率密度、减慢扫描速度以延长熔池寿命、增大能量输入，能起到一些好的效果，但需适当控制。因激光能量密度 P/vL 和激光热线性输入 P/v（P 为激光功率；v 为激光扫描速度；L 为光束宽度）与稀释度有一定的对应关系，P 增大，v 减小，稀释度必然增大。而激光熔覆时要求其稀释度尽可能低（＜10%）。在不锈钢和 FCo-05 合金粉末中．钼含量较高，Cieslack 等人已证明钼会在不锈钢中形成低熔点 X 相，这些多余的低熔点液体可能是不锈钢产生裂纹的原因。稀释度的增大，基体热影响区增大，必然会增大热影响区的开裂倾向，这在薄层熔覆己得到了证明。故不同厚度的覆层，需选用不同的功率密度和扫描速度。通过试验，同时考虑材料的熔点、吸收系数等因素，来选择最佳功率密度和扫描速度。在预敷粉末层厚度 1.2~2mm 时，在熔池后面 50~70mm 处采用氧乙炔火焰对熔覆道跟踪后热，以增大热能，减小热应力，证明是减少裂纹的行之有效的方法。


3.2 阀体激光熔覆面平整度的控制
        基于熔覆道截面常呈半月形覆于基体及熔覆层深度方向存在硬度落差这一事实，为保证后续加工得到足够宽的密封环面及理想的表面硬度，应根据试验结果设计合理的工艺尺寸，即控制表面加工余量并将熔覆环面宽度适当放宽。对于同一平面多圈熔覆，熔覆面的平整性就显得至关重要了。平整性不好，将造成各密封环面宽度不等及环面表面硬度落差过大，影响密封副配对以及使用寿命。由于尚未提出预敷粉末法激光熔覆截面半径关系式，所以对于多圈熔覆，一要注意环带凸台宽度一致，二要避免基体加工出现凹、凸平面，三要控制预敷粉末厚度的一致性，四要采用相同的激光工艺参数，以控制熔覆面平整度小于 0.2mm。


3.3 预热及后热的温度控制
        预热：400~420℃ 保温 1~2h，以增大热容量，可降低熔覆层冷却速度，减小残余应力，亦是防止冷裂纹的有效措施。
        后热：500℃ 保温 2h 后随炉缓冷。此举是利用熔覆层在高温时屈服强度下降和蠕变现象达到松驰残余应力的目的。
        预热及后热温度均避开了 500~850℃ 温度范围，因 0Cr18Ni12Mo3Ti 如在该范围被二次加热或在该温度范围内缓慢冷却，奥氏体中的碳就以碳化铬（Cr3C6）的形式从固溶体中析出，使靠近晶界的一薄层固溶体的铬降低到钝化所必需的最低含铬量 12% 以下成为阳极，碳化物本身和稍远不缺铬的固溶体为阴极，与具有很强晶间腐蚀破坏力的脲液（NH2COONH4＋H2O → NH2COOH+＋NH3·H2O）接触，形成小阳极大阴极的微电池，阳极（晶界临界区域）受到强烈的电化学腐蚀。腐蚀沿晶间产生和发展，可能在表面上形成裂纹。


4 结论        （1）对耐酸不锈钢阀门零件密封面进行激光熔覆加工，可加工性好，在质量上可以得到无裂纹、无气孔和无夹渣等缺陷并与基体形成可靠冶金结合的熔层，其熔层组织细密，强度、韧性、硬度高。该工艺还可加工复杂表面，熔层厚度达 2mm。根据资料对比显示，熔层晶粒度分别比等离子喷焊、火焰堆焊晶粒度高 2~3 个等级，硬度分布均匀性也得到相应提高。


        （2）激光熔覆化工阀门时应充分考虑材科、结构形状、热处理性质等因素，设计合理的激光工艺参数、工艺尺寸和预、后热温度，以取得理想的表面改性效果。