激光熔覆化工閥門的試驗條件與質量控制
激光熔覆化工閥門的試驗條件與質量控制
激光熔覆化工的試驗條件與質量控制某氮肥廠氨基甲酸銨組合閥閥體及進、排液閥板均采用 0Cr18Ni12Mo3Ti 耐酸不銹鋼制造，閥面研磨后離子氮化處理，臥式運行。該設備在生產運行中閥體、閥板間產生強烈的低頻撞擊實現閥門的開合，甲銨液屬強腐蝕性介質，加上 200℃ 左右的溫度，故密封面會因沖擊、腐蝕等綜合作用而造成疲勞和開裂，從而導致泄漏。泄漏不僅浪費了資源、能源和污染環境，而且影響設備的生產能力，甚至造成停產。
由于該組合閥零件密封面凸臺太窄小，如采用傳統的等離子噴焊和火焰堆焊工藝，一則變形大，二則不好操作。采用激光熔覆工藝，由于高能激光束熱源集中，能量密度大，作用時間短，對基體熱影響極小．故能很好地滿足加工要求。我們在這種閥門狹窄的密封面上用激光熔覆一層鈷基自熔性合金，大大地提高了密封面的耐高溫、耐震、抗蠕變、抗磨損、抗腐蝕性能，提高了密封面的可靠性、安全性，減少停機時間，使其使用壽命比原氮化處理延長一倍以上。在激光熔覆時發現，激光作用層內存在大的熱應力和開裂傾向是影響其質量的最主要原因，特別是對于厚層熔覆，裂紋常常難以避免。本文將介紹組合閥零件密封面的激光熔覆工藝及試驗結果，并對熔覆質量和后續加工作了討論分析。
1 試驗條件與方法
0Cr18Ni12Mo3Ti 奧氏體耐酸不銹鋼制閥體零件如圖 1 所示，閥體上分布有十幾個通孔和盲孔。激光熔覆用鈷基自熔性合金粉末為 FCo-05，化學成分 w（%）為：0.25C，19Cr，29Ni，5~6Mo，4Si，3B，2~5Fe，余為 Co；粘結劑為 2123 酚醛樹脂，用乙醉稀釋調和。
激光熔覆化工閥門的試驗條件與質量控制試驗裝置為 HGL-90 型 5kW 橫流連續波 CO2 激光器：試件由數控回轉工作臺驅動。試件上預涂敷合金粉末層厚度 0.8~2.5mm，涂后緩升至 400℃ 后保溫 1~2h 進行預熱。激光熔覆時其功率為 2~3kW，掃描速度 3~4mm/s，用焦距 600mm 反射鏡聚焦，聚焦光斑直徑 5~8mm；若第二次重熔時激光功率 1.7~2.1kW，掃描速度不變。采用氧乙炔火焰跟蹤熔池以補償熱能；熔覆后及時于 500℃ 去應力退火，隨爐緩冷降溫。
用金相顯微鏡、顯微硬度計、X 射線衍射儀觀察分析熔覆層組織和性能。
2 試驗結果
FCo-05 合金在 0Cr18Ni12Mo3Ti 基體上激光熔覆后在結合區的形貌，激光熔層與基體之間存在一較窄的白亮帶，這是敷層與基體金屬在熱源作用下合金交互擴散而形成的固溶結合層，表示己形成了良好的冶金結合。熔覆層由于冷卻速度很快，結晶后會獲得非常細小的枝晶組織，晶粒度達 11 級（YB27-77 標準）。
3 分析討論
3.1 熱應力及開裂
試驗中，在 0.8~2.5mm 涂敷厚度均未發現有氣孔現象。熔覆層厚度較大時容易開裂，激光掃描時即可聽到斷續的清脆崩裂聲，且多發生于距熔池后 80~100mm 處。即使采用二次掃描重熔，也只能消除部分裂紋。由于熔覆層合金的膨脹系數與基體金屬不一致，膨脹系數過大，在凝固收縮時產生拉應力，拉應力超過了當時溫度下材料的抗拉極限強度，因而產生了裂紋。激光熔覆由于快速加熱和速冷（104~106℃/s），熔池壽命很短，常使熔層中可能存在的氧化物、硫化物和其它雜質來不及釋放出來，它們存于覆層中，很容易成為裂紋源。另外，熔覆層在瞬間凝固結晶，晶界位錯、空位增多，同時熱脆性增大，塑韌度下降，開裂敏感性也就增大。覆層越厚，以上情況就越明顯。加大功率密度、減慢掃描速度以延長熔池壽命、增大能量輸入，能起到一些好的效果，但需適當控制。因激光能量密度 P/vL 和激光熱線性輸入 P/v（P 為激光功率；v 為激光掃描速度；L 為光束寬度）與稀釋度有一定的對應關系，P 增大，v 減小，稀釋度必然增大。而激光熔覆時要求其稀釋度盡可能低（＜10%）。在不銹鋼和 FCo-05 合金粉末中．鉬含量較高，Cieslack 等人已證明鉬會在不銹鋼中形成低熔點 X 相，這些多余的低熔點液體可能是不銹鋼產生裂紋的原因。稀釋度的增大，基體熱影響區增大，必然會增大熱影響區的開裂傾向，這在薄層熔覆己得到了證明。故不同厚度的覆層，需選用不同的功率密度和掃描速度。通過試驗，同時考慮材料的熔點、吸收系數等因素，來選擇最佳功率密度和掃描速度。在預敷粉末層厚度 1.2~2mm 時，在熔池后面 50~70mm 處采用氧乙炔火焰對熔覆道跟蹤后熱，以增大熱能，減小熱應力，證明是減少裂紋的行之有效的方法。
3.2 閥體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體及熔覆層深度方向存在硬度落差這一事實，為保證后續加工得到足夠寬的密封環面及理想的表面硬度，應根據試驗結果設計合理的工藝尺寸，即控制表面加工余量并將熔覆環面寬度適當放寬。對于同一平面多圈熔覆，熔覆面的平整性就顯得至關重要了。平整性不好，將造成各密封環面寬度不等及環面表面硬度落差過大，影響密封副配對以及使用壽命。由于尚未提出預敷粉末法激光熔覆截面半徑關系式，所以對于多圈熔覆，一要注意環帶凸臺寬度一致，二要避免基體加工出現凹、凸平面，三要控制預敷粉末厚度的一致性，四要采用相同的激光工藝參數，以控制熔覆面平整度小于 0.2mm。
3.3 預熱及后熱的溫度控制
預熱：400~420℃ 保溫 1~2h，以增大熱容量，可降低熔覆層冷卻速度，減小殘余應力，亦是防止冷裂紋的有效措施。
后熱：500℃ 保溫 2h 后隨爐緩冷。此舉是利用熔覆層在高溫時屈服強度下降和蠕變現象達到松馳殘余應力的目的。
預熱及后熱溫度均避開了 500~850℃ 溫度范圍，因 0Cr18Ni12Mo3Ti 如在該范圍被二次加熱或在該溫度范圍內緩慢冷卻，奧氏體中的碳就以碳化鉻（Cr3C6）的形式從固溶體中析出，使靠近晶界的一薄層固溶體的鉻降低到鈍化所必需的最低含鉻量 12% 以下成為陽極，碳化物本身和稍遠不缺鉻的固溶體為陰極，與具有很強晶間腐蝕破壞力的脲液（NH2COONH4＋H2O → NH2COOH+＋NH3·H2O）接觸，形成小陽極大陰極的微電池，陽極（晶界臨界區域）受到強烈的電化學腐蝕。腐蝕沿晶間產生和發展，可能在表面上形成裂紋。
4 結論
（1）對耐酸不銹鋼閥門零件密封面進行激光熔覆加工，可加工性好，在質量上可以得到無裂紋、無氣孔和無夾渣等缺陷并與基體形成可靠冶金結合的熔層，其熔層組織細密，強度、韌性、硬度高。該工藝還可加工復雜表面，熔層厚度達 2mm。根據資料對比顯示，熔層晶粒度分別比等離子噴焊、火焰堆焊晶粒度高 2~3 個等級，硬度分布均勻性也得到相應提高。
（2）激光熔覆化工閥門時應充分考慮材科、結構形狀、熱處理性質等因素，設計合理的激光工藝參數、工藝尺寸和預、后熱溫度，以取得理想的表面改性效果。