[发明专利]一种在蒙乃尔合金表面制备激光改性层的复合工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及阀门行业一种在蒙乃尔合金表面利用微弧火花沉积与激光熔覆技术制备表面改性层的复合工艺方法，属于金属材料表面工程技术领域。

背景技术

阀门是装备制造业的重要组成部分之一，也是流体输送系统中主要的控制部件。阀门质量的好坏、性能的优劣直接影响到各个使用部门的安全生产、经济效益和长远发展。在煤化工、冶金、石油、电站、化工、造船、长输管线、核工业、宇航及各种低温工程等行业中，各类阀门的使用相当广泛，但由于管道中常含有大量的固体颗粒和液体腐蚀性介质，并在长期苛刻的环境下不断地对阀门内壁及其密封部件进行强烈的冲刷腐蚀，使得阀门的磨损程度极为严重，其寿命大大缩短，而且介质的渗漏还可能导致停工停产，污染环境甚至造成恶性事故，从而给企业带来严重的经济损失，影响企业的经济效益和长远发展。因此，为了适应当今工业飞速发展的客观要求，在传统的阀门材料表面进行改性以提高其使用性能已经势在必行。

从煤化工企业收集到的报废球阀来看，磨损的部位主要是过流部件和密封材料。在重介质管路系统的工况条件下，管路中流动的主要是煤和腐蚀性化学物质，这些混合物的悬浮颗粒以一定速度对阀球内外壁的强烈冲刷以及化学介质的强烈腐蚀，使得阀门的磨损程度大大增强。而当阀门处于非全开状态下，流体通过阀门时，由于过流截面小于整个阀门管路的横截面，此时不但流速高，而且流体流动方向在随着阀门的开启不断变化，特别是阀门刚刚开启或闭合的瞬间，过流截面仅仅是一条曲线，此时的流速最高，因而阀体的内壁和阀球下部便形成一定的冲击角，产生的极其强烈冲刷切削作用，同时在阀球下部边缘产生一定的旋涡，使阀体的内壁与阀球的下部造成的局部磨损加剧。

阀门常用材料蒙乃尔(Monel)合金是以有色金属镍为主，铜为辅的镍铜系列合金，最早是由美国国际镍公司开发的，其典型成分为70%Ni和30%Cu(wt%)，是镍基耐蚀合金中应用最为广泛的一种。该合金在很大的温度范围内对非氧化性酸、碱、盐、卤族元素及其化合物等具有非常好的抗腐蚀性能，也能承受氢氟酸、醋酸、有机酸、还原性无机酸等介质的腐蚀。同时，蒙乃尔合金还具有易成型、易切削、易钎焊和良好的耐热性等特点。但由于蒙乃尔合金本身硬度较低，在阀门管路等苛刻的环境下服役经常会受到破坏，频繁的更换及修复阀门使得企业的生产运行和设备的维护受到了很大的影响，降低了生产效率。因此，运用高技术和新的科技成果使得原有的阀门寿命延长是提高企业竞争力的必然选择。

目前阀门行业中各类阀门表面根据防护涂层工艺不同，有热喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、等离子堆焊、真空钎焊等方法。但随着阀门行业快速发展的巨大需求，传统表面改性工艺方法已经无法满足苛刻环境下的使用条件。因此，发展新型的表面改性工艺方法已是大势所趋、势在必行。

激光熔覆是一种新型的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度激光束使之与基材表面薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基体表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的。既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵金属元素。激光熔覆技术性能特点：冷却速度快(高达10⁶K/s)，组织具有快速凝固的典型特征；激光束的能量密度高，加热速度快，位置和形状等能够精确控制，易实现选区甚至微区熔覆，对基材的热影响较小，引起工件的变形小；控制激光的输入能量，可将基材的稀释作用限制在极低程度(一般为2%~8%)，从而保持了原熔覆材料的优异性能；激光熔覆涂层与基材之间成牢固的冶金结合，且熔覆涂层组织细小；粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点金属表面熔覆高熔点合金；适合熔覆材料多、粒度及含量变化范围宽，能进行选区熔覆，材料消耗少，具有优越的性价比；属于无接触型处理，便于自动化，实现柔性加工；对环境无污染，属于环境友好型。

阀门行业中在蒙乃尔合金表面进行激光熔覆处理的最大优势，是能够以先进成形技术方法，制备出优于基体材料性能的改性层，从而使其达到阀门的使用要求和工作标准。然而，由于蒙乃尔合金的热导率和反射率均较高，当激光束照射到基体表面时，一部分热量被基体快速导热散出，另一部分被反射掉，从而使基体获得的有效能量大大减少，很难在基体内部形成熔池，因此在其上直接进行激光熔覆时界面处经常剥落。为了改善和提高合金涂层与蒙乃尔基体的结合性，可使用微弧火花沉积技术制备致密的、无气孔的、与基体结合良好的过渡层，从而为后续高质量的激光改性技术的实施奠定基础。