[發(fā)明專利]一種在蒙乃爾合金表面制備激光改性層的復合工藝方法

有效

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• 申請日: 2011-11-10
• 公開（公告）號: CN102383127A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發(fā)明（設計）人: 張春華;齊麟;張松;郝玉喜;王茂才;王東生
• 申請（專利權）人: 沈陽工業(yè)大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10
• 代理公司: 沈陽智龍專利事務所(普通合伙) 21115
• 代理人: 宋鐵軍

技術領域

本發(fā)明涉及閥門行業(yè)一種在蒙乃爾合金表面利用微弧火花沉積與激光熔覆技術制備表面改性層的復合工藝方法，屬于金屬材料表面工程技術領域。

背景技術

閥門是裝備制造業(yè)的重要組成部分之一，也是流體輸送系統(tǒng)中主要的控制部件。閥門質(zhì)量的好壞、性能的優(yōu)劣直接影響到各個使用部門的安全生產(chǎn)、經(jīng)濟效益和長遠發(fā)展。在煤化工、冶金、石油、電站、化工、造船、長輸管線、核工業(yè)、宇航及各種低溫工程等行業(yè)中，各類閥門的使用相當廣泛，但由于管道中常含有大量的固體顆粒和液體腐蝕性介質(zhì)，并在長期苛刻的環(huán)境下不斷地對閥門內(nèi)壁及其密封部件進行強烈的沖刷腐蝕，使得閥門的磨損程度極為嚴重，其壽命大大縮短，而且介質(zhì)的滲漏還可能導致停工停產(chǎn)，污染環(huán)境甚至造成惡性事故，從而給企業(yè)帶來嚴重的經(jīng)濟損失，影響企業(yè)的經(jīng)濟效益和長遠發(fā)展。因此，為了適應當今工業(yè)飛速發(fā)展的客觀要求，在傳統(tǒng)的閥門材料表面進行改性以提高其使用性能已經(jīng)勢在必行。

從煤化工企業(yè)收集到的報廢球閥來看，磨損的部位主要是過流部件和密封材料。在重介質(zhì)管路系統(tǒng)的工況條件下，管路中流動的主要是煤和腐蝕性化學物質(zhì)，這些混合物的懸浮顆粒以一定速度對閥球內(nèi)外壁的強烈沖刷以及化學介質(zhì)的強烈腐蝕，使得閥門的磨損程度大大增強。而當閥門處于非全開狀態(tài)下，流體通過閥門時，由于過流截面小于整個閥門管路的橫截面，此時不但流速高，而且流體流動方向在隨著閥門的開啟不斷變化，特別是閥門剛剛開啟或閉合的瞬間，過流截面僅僅是一條曲線，此時的流速最高，因而閥體的內(nèi)壁和閥球下部便形成一定的沖擊角，產(chǎn)生的極其強烈沖刷切削作用，同時在閥球下部邊緣產(chǎn)生一定的旋渦，使閥體的內(nèi)壁與閥球的下部造成的局部磨損加劇。

閥門常用材料蒙乃爾(Monel)合金是以有色金屬鎳為主，銅為輔的鎳銅系列合金，最早是由美國國際鎳公司開發(fā)的，其典型成分為70%Ni和30%Cu(wt%)，是鎳基耐蝕合金中應用最為廣泛的一種。該合金在很大的溫度范圍內(nèi)對非氧化性酸、堿、鹽、鹵族元素及其化合物等具有非常好的抗腐蝕性能，也能承受氫氟酸、醋酸、有機酸、還原性無機酸等介質(zhì)的腐蝕。同時，蒙乃爾合金還具有易成型、易切削、易釬焊和良好的耐熱性等特點。但由于蒙乃爾合金本身硬度較低，在閥門管路等苛刻的環(huán)境下服役經(jīng)常會受到破壞，頻繁的更換及修復閥門使得企業(yè)的生產(chǎn)運行和設備的維護受到了很大的影響，降低了生產(chǎn)效率。因此，運用高技術和新的科技成果使得原有的閥門壽命延長是提高企業(yè)競爭力的必然選擇。

目前閥門行業(yè)中各類閥門表面根據(jù)防護涂層工藝不同，有熱噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂、等離子堆焊、真空釬焊等方法。但隨著閥門行業(yè)快速發(fā)展的巨大需求，傳統(tǒng)表面改性工藝方法已經(jīng)無法滿足苛刻環(huán)境下的使用條件。因此，發(fā)展新型的表面改性工藝方法已是大勢所趨、勢在必行。

激光熔覆是一種新型的表面改性技術。它通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度激光束使之與基材表面薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體成冶金結合的表面涂層，顯著改善基體表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法，從而達到表面改性或修復的目的。既滿足了對材料表面特定性能的要求，又節(jié)約了大量的貴金屬元素。激光熔覆技術性能特點：冷卻速度快(高達10⁶K/s)，組織具有快速凝固的典型特征；激光束的能量密度高，加熱速度快，位置和形狀等能夠精確控制，易實現(xiàn)選區(qū)甚至微區(qū)熔覆，對基材的熱影響較小，引起工件的變形小；控制激光的輸入能量，可將基材的稀釋作用限制在極低程度(一般為2%~8%)，從而保持了原熔覆材料的優(yōu)異性能；激光熔覆涂層與基材之間成牢固的冶金結合，且熔覆涂層組織細小；粉末選擇幾乎沒有任何限制，特別是在低熔點金屬表面熔覆高熔點合金；適合熔覆材料多、粒度及含量變化范圍寬，能進行選區(qū)熔覆，材料消耗少，具有優(yōu)越的性價比；屬于無接觸型處理，便于自動化，實現(xiàn)柔性加工；對環(huán)境無污染，屬于環(huán)境友好型。

閥門行業(yè)中在蒙乃爾合金表面進行激光熔覆處理的最大優(yōu)勢，是能夠以先進成形技術方法，制備出優(yōu)于基體材料性能的改性層，從而使其達到閥門的使用要求和工作標準。然而，由于蒙乃爾合金的熱導率和反射率均較高，當激光束照射到基體表面時，一部分熱量被基體快速導熱散出，另一部分被反射掉，從而使基體獲得的有效能量大大減少，很難在基體內(nèi)部形成熔池，因此在其上直接進行激光熔覆時界面處經(jīng)常剝落。為了改善和提高合金涂層與蒙乃爾基體的結合性，可使用微弧火花沉積技術制備致密的、無氣孔的、與基體結合良好的過渡層，從而為后續(xù)高質(zhì)量的激光改性技術的實施奠定基礎。