核阀阀瓣激光熔覆层显微组织和耐高温磨损性能研究

    1）在高温及热冲击条件下，具备高度的尺寸稳定性；
    2）在辐照作用下，具有高度的组织结构稳定性，并保持其必要的物理和机械性能；
    3）与所接触的材料、介质具有较好的相容性；
    4）具有良好的可测试性能和可靠的使用经验。

   据统计，一座中型核电站需安装350多种不同类型、结构尺寸和用途的阀门1.4~2万台，约占整个核电站设备投资的10%。核电站由于阀门装置出现故障而造成的事故占1/4^[1]。因核阀的运行循环次数多、热冲击频繁，使得热磨损成为影响核阀寿命的关键因素。为提高核阀的使用性能，必须对其进行表面改性处理。目前，一般采用电弧、火焰堆焊和等离子熔涂等工艺熔焊核阀零件关键的密封面。因存在裂纹倾向大、废品率高、组织性能不均匀、生产工序繁多、熔层极不平整、加工量大等难以克服的缺点，无法保证核阀的质量要求。

   激光熔覆技术是在基体材料表面涂敷一层预设计好的合金层，利用高能激光束作热源，对涂层作熔覆扫描，激冷后形成高性能冶金结合熔层，从而显著改善基体材料表面的耐磨损、耐腐蚀、耐热、抗氧化及电气特性^[2~4]。本工作对采用激光熔覆和等离子熔涂两种工艺形成的涂层进行显微组织和抗高温冲击滑动磨损性能对比试验研究。

    1 激光熔覆涂层试验

    1.1 试样

   核阀阀瓣和试样的基体材料为1Cr18Ni9Ti，化学成分为：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%。核阀为20HJ63Y-20P型截止阀，阀瓣密封圆锥面尺寸为Φ40mm×Φ14mm×18mm；试验采用25mm×20mm×10mm矩块和Φ38mm×3mm圆形试样。

    1.2 涂层合金

   根据核阀运行工况要求，采用Co基合金粉末，粒度为0.048~0.074mm，化学成分为：ω（C）≤0.70%，ω（Cr）≤26.00%，ω（Si）≤2.00%，ω（Ω）≤5.00%，ω（B）≤0.70%，ω（Fe）≤5.00%，余量为ω（Co）。

    1.3 熔覆涂层工艺

   采用预置粉末法工艺。以自行研制的105粘结剂将粉末涂敷于试样表面，预敷层厚度为3mm，并烘干。

   熔覆试验采用HGL-90型5kW连续可调横流式CO₂激光器。熔覆时，核阀阀瓣和试样固定于工作台（或三爪卡盘）上，由MNC801微机系统控制步进电机驱动工作台上的工件沿x-y方向做二维运动，由微机按工艺要求自动控制工件以一定速度和相对光束的扫描运行，搭接率为50%。工作时，导光系统的反射镜和透镜通水冷却。为防止熔覆过程中熔池氧化，熔覆时用氩气保护。熔覆工艺参数为：激光功率3~4kW，扫描速度10~20mm/s，光斑直径5mm。此外，采用等离子熔涂在相同条件下处理了相应的对比试样。

    2 激光熔覆层组织和硬度

   试验中的激光熔覆层厚度达3mm，熔层表面光滑平整，粗糙度达到Ra6.3μm，密封面的平整度在0.4mm以下。采用MeF₃光学金相显微镜及所附显微硬度计观察熔层显微组织，进行晶粒度评价，测定显微硬度和热影响区宽度，分析熔层缺陷。用JSM35C和S650型扫描电镜对试样的熔区、热影响区和基体进行高倍金相组织形貌分析；用EDAX-9100型能谱仪测定各微区成分，评价熔覆层的稀释率。

    2.1 显微组织

   激光熔覆后，垂直于扫描方向的横截面的组织可明显分为熔化区、热影响区和基体3个区域（图1、2）。

    1）熔化区的组织形貌

   在Co基合金熔覆层内靠近基体部位有一层等轴晶激冷层。这是由于在熔化的合金粉末涂层和基体之间存在着很大的温度梯度而使熔体产生较大的过冷度形成的。

    2）激光熔覆Co基熔覆层的相结构

   X射线结构分析结果示于图3。由图3可以看出：Co基合金激光熔覆层的相结构为FCC.Co基固熔体+Cr₇C₃+Cr₂B。

    3）热影响区

   基体为奥氏体钢（1Cr18Ni9Ti），受高能激光加热后出现了奥氏体晶粒的长大。这一现象的产生是由于奥氏体受热影响后发生了晶界移动，移动的结果是大晶粒吞并小晶粒。大晶粒长大、小晶粒消失过程在较短的时间内完成。

   在激光熔覆中，固熔结合层极薄（2~8μm），激光沉积深度浅，输入基体的能量少，激光熔覆的热影响区宽度窄。用MeF₃金相显微镜的附件测微尺测量激光熔覆热影响区宽度为20~30μm，是等离子熔涂层热影响区宽度的1/8~1/12。激光熔覆时，若工艺参数匹配不当，则因热应力和组织应力作用易产生裂纹，影响零件质量。本研究通过优化工艺参数匹配，加之激光熔覆热影响区甚窄，热应力小，故激光熔覆的裂纹倾向远比等离子熔涂低。

    2.2 晶粒度

   激光熔覆过程中预置涂层粉末全熔，基体发生微熔，熔化粉末和基体间不存在间隙，处于冷态的基体对于熔池金属如同模壁，在熔化的粉末和基体间存在着很大的温度梯度，使熔体产生较大的过冷度。因此，熔体在近基体界面部位形成一层细密的等轴晶激冷层^[2]。

   激光熔池中上部的冷却速度很高，结晶后可获细小的枝晶组织，晶粒度达12级（YB27-77标准）（图4）。激光熔覆阀瓣的晶粒度比等离子熔涂层的晶粒度高3个等级。

    2.3 稀释率

   稀释率是评价一种工艺优劣的一项重要指标。熔覆稀释率低，表明熔层受基体中Fe、Ni、Ti等元素的影响小，因此，可有效发挥预设计的合金熔覆材料的固有特性。使用JSM35C扫描电镜测定阀瓣激光熔覆层、等离子熔涂层的成分，得到稀释率列于表1。结果表明：激光熔覆层的稀释率明显低于等离子熔涂层的。激光熔覆层受Fe、Ti、Ni的稀释率分别约为等离子熔涂层的1/3、1/10和1/7。

表1 激光熔覆与等离子熔涂层的稀释率比较

    2.4 显微硬度

    激光熔覆层硬度值是保证熔层性能的重要指标。

   实验中观察到：扫描速度提高，激光熔层的硬度显著上升；在同一熔层内，从表面到热影响区，硬度值的变化不大，呈缓慢下降趋势；热影响区的硬度值陡降。

   用MeF₃光学显微镜及其附件显微硬度计测定的激光熔覆、等离子熔涂层显微硬度（Hm200g）列于表2。结果表明：激光熔覆层显微硬度比等离子熔涂层高44.1%，硬度横向均匀性比等离子熔涂层高40%。

表2 激光熔覆层与等离子熔涂层显微硬度对比

    3 高温磨损试验

    3.1 试验装置

   高温冲击滑动磨损试验机由主机、加热装置、气动装置、控制系统和润滑冷却装置等5部分组成（图5）。主机由普通车床改装而成，转速为48~1000r/min，分8挡。高频感应加热装置为GP15-B型，功率15kW，工件往复运动及停顿时间均由定时器控制气动系统来实现。冲击力的大小由减压阀调节。

    3.2 试样和试验条件

    3.2.1 试样 

   试样制成环形，外圆直径为38mm，内圆直径30mm，高10mm。分别经激光熔覆Co基合金粉末和等离子熔涂Co基合金粉末处理，激光熔覆层、等离子熔涂层厚度均约为3mm。磨削至Ra0.25后，用500^#水磨砂纸抛光（划痕沿圆弧方向）。预热温度为室温（25℃）。

    3.2.2 对磨试样

    材料为45钢，外径为38mm，内径为28mm，采用高频加热至（450~800）℃。

    3.2.3 试验条件

    1）用内燃机汽缸润滑油冷却，每磨损一循环涂油一次；
    2）磨损循环时间4s，接触时间0.3s；
   3）磨损轴向载荷180kgf（汽缸压力3kgf/cm²），冲压行程20mm；
    4）磨损滑动速度1.33m/s（机床转速670r/min）；
   5）在试验前后，试样经洗洁精、酒精、丙酮清洗吹干后，置干燥器内静置2h以上，然后，用万分之**平称量，测定磨损失质量，并用体视显微镜观察其磨损表面形貌。

    3.3 实验结果

   为提高试验结果的准确性，分别对激光熔覆和等离子熔涂的数组试样进行了抗高温冲击滑动磨损试验。同一组内各试样的磨损失重虽略有变化，但各组的平均磨损失重基本一致，证明所采用的抗高温冲击滑动试验方法可行，试验结果可靠。表3列出其中一组激光熔覆和等离子熔涂试样的抗高温冲击滑动磨损性能考核试验结果。结果表明：经500、1000、1500、2000、2500、3000次高温磨损后，激光熔覆试样的磨损失重量约为等离子熔涂试样的1/2，说明激光熔覆层的抗高温冲击滑动磨损性能明显优于等离子熔涂层。

表3 高温冲击滑动磨损试验结果

   注：磨损试验温度为（450~800）℃

    4 结果分析和结论

   1）由于激光功率密度高，加热速度快，使熔层和基体表层加热后迅速熔化，急速冷却时过冷度大，熔池中的合金元素快速形成多种化合物而增加非自发晶核的数量，使形核率大大提高，因而形成了细小均匀的显微组织。组织细密不仅提高了晶界结合力，还能减少单位晶界上的杂质含量，从而使熔层的硬度、强韧性、耐磨性等表层综合性能明显提高。

   2）激光熔覆层的稀释率明显低于等离子熔涂层。激光熔覆时，与基体的互熔结合区薄，沉积深度浅，基体参与熔解甚微，熔层与基体间元素相互扩散小。故基体成分对合金熔层成分稀释影响极小，可有效保留表面熔层材料的合金成分，保持其高硬度、高耐磨性等优良性能。

   3）熔层材料为以Co、Cr、W元素为主的Co基合金，大部分Cr与所有Co组成固溶体，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将与C形成碳化钨，主要为WC，在高于1800℃方可形成W₂C，从而使得熔层具有很好的红硬性。

   4）激光束作用在熔池中产生的对流传质作用能充分搅拌熔池，使熔池中气体和夹杂物上浮析出，从而形成致密的涂层，保证了熔层的质量。等离子熔涂过程则是利用等离子体使合金粉末熔化、加速、通过大气空间再喷射到基体材料表层，同时有空气混入焊层。等离子熔涂过程中不会出现熔池对流搅拌现象，熔体中气体夹杂物难以上浮析出，在喷涂层的上部及界面部位往往存在较多的气孔和夹杂物分布在粗大的枝晶之间，降低了喷涂层的耐磨性、耐腐蚀性以及阀瓣的密封性能。

   与等离子熔涂层相比，激光熔覆层的组织细密，显微硬度高而均匀，气孔、夹杂物大为减少，晶粒度高3个等级，热影响区宽度小许多，稀释率大大降低。这些皆有利于提高核阀零件的抗高温冲击滑动磨损性能、强韧性、耐磨性、耐腐蚀性等表层性能。磨损试验结果表明：激光熔覆层的抗高温冲击滑动磨损性能明显优于等离子熔涂层，激光熔覆层的磨损失重量仅为等离子熔涂层的磨损失重量的1/2。