（机械设计及理论专业论文）核阀密封面无钴镍基合金激光熔覆层组织性能研究.pdf

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4 5 合金相比，三 摘要核阀密封面无钻镍基合金激光熔覆层组织性能研究 种温度下，n i 4 合金摩擦系数均小于n i 4 5 ；常温和6 0 0 时，n i 4 合金摩擦系数 稍高于s t e l l i t e6 合金。n i 4 合金磨痕s e m 照片表明，n i 4 合金属于磨粒磨损，磨 痕细小且光滑。磨损量测试表明，在三种温度下，n i 4 合金具有最小的磨损量， 且远小于s t e l l i t e6 和n i 4 5 合金。 耐腐蚀试验表明：在酸性腐蚀液中，常温和高温下，n i 4 合金均具有比s t e l l i t e 6 钴基合金更好，比n i 4 5 合金更稳定的耐腐蚀性能。在碱性溶液中，三者均具有 相近的耐腐蚀性能，最终均达到稳定的腐蚀速率，且数值均很小。 关键词：核电阀门密封面；无钴；镍基合金；高温硬度；高温耐磨损；高温耐 腐蚀 作者：徐爱琴 指导老9 i l i 傅戈雁 r e s e a r c ho nc o - f r e en i - b a s e da l l o ym a d e b yl a s e rc l a d d i n g a p p l i e di nn u c l e a rv a l v es e a l i n gs u r f a c eh a r d e n i n g a b s t r a c t n u c l e a rv a l v ei sa l li m p o r t a n tn u c l e a re q u i p m e n t e s p e c i a l l y , t h eu s ep e r f o r m a n c e o fi t ss e a l i n gs u r f a c e sd i r e c t l ya f f e c t st h el i 诧t i m eo fn u c l e a rv a l v e c o b a s e da l l o y p o w d e rh a sa l w a y sb e e nt h eo p t i m a lw e l d i n gm a t e r i a lu s e df o rs e a l i n gs u r f a c e so f n u c l e a rv a l v e b u tt h eu s eo fc o b a s e da l l o yh a st w ot o pi s s u e s ：o n ei st h ee l e m e n tc oi s o n ek i n do fr a r e ，l i m i t e da n de x p e n s i v em e t a l a n o t h e ri st h ee l e m e n tc oc a nb ee a s i l y a c t i v a t e dt ob ei s o t o p ec o c ow h i c hc a nc a u s en u c l e a rp o l l u t i o n ，i n c r e a s eh a n d l i n gc o s t a n dp o t e n t i a lr i s kf o ri t sl o n gr a d i o a c t i v eh a l f - l i f ei nn u c l e a rr a d i a t i o ne n v i r o n m e n t s o d e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n gan e w k i n do f w e l d i n gm a t e r i a la ss e a l i n gs u r f a c e so fn u c l e a r v a l v et or e p l a c eo fc o b a s e da l l o yi sv e r ye m e r g e n t i nt h i sp a p e ran e wk i n do fc o f r e en i - b a s e da l l o yp o w d e ri sd e s i g n e d i nt h i sa l l o y f o r m u l ae l e m e n tn ii ss e l e c t e da st h em a i nc o m p o s i t i o n , a n dc r 3 c 2 ，c r , m o ，s i ，ba n d y 2 0 3a n de t c a lea d d e da ss t r e n g t h e n i n ge l e m e n t sb ys o l i ds o l u t i o ns t r e n g t h e n i n g ， d i s p e r s i o ns t r e n g t h e n i n ga n dg r a i nb o u n d a r ys t r e n g t h e n i n g m e a n w h i l e ，t h eh a r m f u l p h a s e sa l ec o n t r o l l e db yp h a s ec a l c u l a t i o np r i n c i p l ei nt h ea l l o yd e s i g np h a s e t h e a v e r a g ee l e c t r o n i cd e n s i t ys c o p eo ft h en e wa l l o yp o w d e rf o r m u l ac a ng u i d et oa d j u s t t h ec o n t e n to fe a c he l e m e n t t h e nt h en e w d e s i g n e da l l o yp o w d e ri s s u c c e s s f u l l y d e p o s i t e do nt h es t a i n l e s ss t e e ls u b s t r a t eb yt h eh o l l o wl a s e rt e c h n i q u e t h eb e s ta l l o y p o w d e rf o r m u l ai sc o n f i r m e dt h r o u g ht h ec r y s t a ls t r u c t u r ea n dp h a s ec o m p o s i t i o n s ，a n d m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fi t sl a s e rc l a d d i n gl a y e r , a n df i n a l l yn a m e dn i - 4 t h es e mm i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i sr e v e a l st h a tt h eb o t t o ms e c t i o no fn i - 4l a s e r c l a d d i n gl a y e ri sc o n s t i t u t e db yc e l lc r y s t a l sa n dd e n d r i t es t r u c t u r ew h i c hh a so b v i o u s o r i e n t a t i o n ；t h em i d d l es e c t i o nc o n t a i n st w ot y p i c a lm i c r o s t r u c t u r e ，o n ei st h i ns t r i p d e n d r i t e sp r e s e n t e dl i k es u n f l o w e r sa n da n o t h e ri sr e l a t i v e l yt h i c kc l u b b e dc r y s t a l s d i s t r i b u t e dl i k ec h r y s a n t h e m u m s ；t h et o ps e c t i o ni sm a i n l yc o m p o s e db yt h ef r e e n e e d l e - l i k ed e n d r i t e s e d sa n dx r dt e s ti n d i c a t e st h a tt h en i 一4c o a t i n gi sm a d eu pb y i h a b s t r a c tr e s e a r c ho nc o - f r e en i - b 蠲e da l l o ym a d eb vl a s e rc l a d d i n ga p p l i e di nn u c k 埴rv a l v es e a l i n gs u r f a c eh a r d e n i n g b a s i cp h a s eo f 丫n i b a s e ds o l i ds o l u t i o n ，c a r b o b o r i d e sl i k em 2 3 ( c 、b ) 6 ，s i l i c o n c o m p o u n d sl i k en i t 7 s i 3a n di n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d ss u c ha sf e n i 3 ，n i 2 9 c r o 7 f e 0 3 6e t c a n da sw e l la ss o m eh a r dp h a s e sl i k en i 3 b ，c r b ，c r 7 c 3a n ds oo n t h em i c r o h a r d n e s st e s tr e v e a l st h a tt h ea v e r a g et r a v e r s em i c r o h a r d n e s so ft h en i - 4 c o a t i n gi s6 9 5 3h v 0 3w h i l et h ea v e r a g el o n g i t u d i n a lm i c r o h a r d n e s s6 9 8 。6h v 0 3i n r o o mt e m p e r a t u r e ，w h i c hi sa b o u t2 0 0h v o 3h i g h e rt h a nt h a to fm a t r i xa l l o yn i 4 5a n d a l l o ys t e l l i t e6 a n dt h e r ei sn ol o c a lh a r d n e s sm u t a t i o ni nt h en i - 4c o a t i n g m e a n w h i l e ， t h et r a v e r s ea n dl o n g i t u d i n a lm i c r o h a r d n e s sc h a n g eo ft h ea l l o yn i - 4s h o w sr e g i o n a l f e a t u r e s ，w h i c ha c c o r d sw i t hi t sm i c r o s t r u c t u r ef e a t u r ea n dd i s t r i b u t i o n t h eh i g h t e m p e r a t u r em i c r o h a r d n e s s t e s t sa t3 0 0 ，6 0 0 a n d9 0 0 r e v e a lt h a tt h e m i c r o h a r d n e s so fn i 一4a r ea nh i g h e rt h a nt h a to fn i 4 5a n ds t e l l i t e6 ，a n dt h e m i c r o h a r d n e s sr a n g eo fn i - 4c h a n g e db yt e m p e r a t u r ei sm u c hs m a l l e rt h a nt h e m t h e t e s ta l s od e m o n s t r a t e st h a ta l l o yn i - 4h a si t su s a b i l i t ya tt h et e m p e r a t u r eo f9 0 0 c t h er e s u l t so ff r i c t i o na n dw e a re x p e r i m e n t sa tn o r m a lt e m p e r a t u r e ，3 6 0 ca n d 6 0 0 cs h o wt h a tt h ea v e r a g ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t so f n i - 4a r e0 3 7 4 0 ，0 2 8 8 4a n d0 4 4 4 5 a c c o r d i n g l y w h a t sm o r e ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to fn i - 4a t3 6 0 。c i ss m a l l e s ta n d s t a b l ew h i c hh a sb e s tw e a r - r e s i s t i n gp r o p e r t yi nt h a tt e m p e r a t u r e c o m p a r e dw i t ha l l o y n i 4 5a n ds t c l l i t e6 ，a tn o r m a lt e m p e r a t u r e ，3 6 0 a n d6 0 0 ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t so f n i 4a r es m a l l e rt h a nt h a to fn i 4 5 ；a tn o r m a lt e m p e r a t u r ea n d6 0 0 ，t h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n t so fn i 一4a r eal i t t l eh i g h e rt h a nt h a to fa l l o ys t e l l i t e0 6 s e ms h o w st h a tt h e g r i n d i n gc r a c ko fn i 一4i sf i n ea n ds m o o t hw h i c hb e l o n g st oa b r a s i v ew e a r t h ea b r a s i o n l o s st e s tr e v e a l st h a tt h ev o l u m el o s so fn i - 4i ss m a l l e s tt h a nt h a to fa l l o yn i 4 5a n d s t e l l i t e6a tt h et h r e ek i n d so ft e m p e r a t u r e t h ec o r r o s i o nt e s ti n d i c a t e st h a ti nt h ea c i dc o r r o s i v et h ed e c a yr e s i s t a n c eo fn i - 4i s b e t t e rt h a nt h a to fa l l o ys t e l l i t e6a n dm o r es t a b l et h a nt h a to fn i 4 5a tb o t hn o r m a la n d h i g ht e m p e r a t u r e w h i l ei nt h eb a s i cs o l u t i o na l l o yn i 一4 ，s t e l l i t e6a n dn i 4 5h a v e s i m i l a rd e c a yr e s i s t a n c e ，a n df i n a l l yr e a c hs m a l la n ds t e a d yc o r r o s i o nr a t ea tb o t h n o r m a la n dh i g ht e m p e r a t u r e i v k e yw o r d s ：s e a l i n gs u r f a c eo fn u c l e a rv a l v e s ；c o - f r e e ；n i - b a s e da l l o y ；h i g h t e m p e r a t u r em i c r o h a r d n e s s ；h i 曲t e m p e r a t u r ew e a rr e s i s t a n c e ；h i 曲t e m p e r a t u r e c o r r o s i o nr e s i s t a n c e v w r i t t e n b y ：a i q i nx u s u p e r v i s e db y ：g e y a nf u v i 目录 第一章绪论l 1 1 课题的背景、目的和意义l 1 2 核阀密封面堆焊材料的研究现状3 1 2 1 国内外阀门密封面堆焊材料简介3 1t 2 - 2 增强颗粒的性质及行为4 1 2 3 激光熔覆材料的设计4 1 3 同步复合送丝、送粉激光熔覆技术研究现状6 1 3 1 国内外阀门密封面堆焊工艺简介6 1 3 2 激光熔覆技术的特点”7 1 3 3 激光熔覆在核阀中的应用7 1 4 本课题的研究内容及方法8 第二章新型无钴n i 基高温合金粉末成分设计1 0 2 1 前言1 0 2 2 激光熔覆材料设计理论1 0 2 2 1 激光熔覆层的设计原则1 0 2 2 - 2 激光熔覆层的强化机理“l l 2 2 3 硬质相的结构类型及性能n1 4 2 3 镍基合金成分设计“1 6 2 3 1 镍基合金元素种类确定1 6 2 3 。2 镍基合金成分定量设计1 8 2 4 本章小结“2 0 第三章n i 4 镍基高温合金激光熔覆层制备2 1 3 1 前言2 1 3 2 激光光头结构设计2 1 3 2 1 中空激光光头结构原理2 1 3 2 2 中空激光光内同轴送粉特点”2 3 3 3 激光熔覆工艺设计“2 5 3 3 1 中空激光光头结构原理2 5 3 3 2 工艺参数对表面形貌的影响2 7 3 4 本章小结2 8 第四章n i 4 镍基高温合金激光熔覆层组织结构分析2 9 4 1 前言2 9 4 2 试件制备与试验设备2 9 4 3n i 4 激光熔覆层的凝固特征3 3 4 4n i - 4 激光熔覆层成分分析3 5 4 2 1 激光熔覆层点分析3 5 4 2 2 激光熔覆层线分析3 7 4 2 3 激光熔覆层面分析“3 8 4 5 本章小结4 0 第五章n i - 4 镍基高温合金熔覆层力学性能分析4 2 5 1 前言4 2 5 2 试件制备与试验设备4 2 5 3n i - 4 激光熔覆层机械性能分析4 5 5 3 1 激光熔覆层显微硬度分析“4 5 5 3 2 激光熔覆层耐摩擦磨损性能分析”5 0 5 3 3 激光熔覆层耐腐蚀性能分析一5 4 5 4 本章小结5 6 第六章全文总结与工作展望5 8 6 1 总结5 8 6 2 展望6 0 参考文献6 l 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文6 7 致 射6 9 核阀密封面无钴镍基合金激光熔覆层组织性能研究 绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景、目的和意义 据统计，到2 0 0 0 年，全世界已安装的核电站的装机容量将达到4 9 7 0 - - 6 4 6 0 亿瓦；到2 0 2 5 年，将增加到8 7 5 0 - 2 1 6 0 0 亿瓦。截止2 0 1 1 年3 月底，我国 已有6 座核电站1 3 台机组投入商业运行，装机容量为1 0 8 0 8 万千瓦；正在 建造的机组有2 8 台，装机容量为3 0 8 7 万千瓦。核能发电不会像化石燃料发 电那样排放巨量的污染物到大气中，因此不会造成空气污染；核能发电也不 会产生加剧地球温室效应的二氧化碳气体，而且核燃料能量密度比化石燃料 高几百万倍，因此所需燃料体积小，运输与存储相对方便。核电与水电、火 电一起构成世界能源的三大支柱，在世界能源结构中占有重要地位。自1 9 5 4 年苏联建成世界上第座核电站以来，核电站已经经历了三代发展历程以及 正在发展的第四代核能系统。第四代核能系统将满足安全、经济、可持续发 展、极少的废物生成、燃料增殖的风险低、防止核扩散等基本要求。因此， 核电的发展更具有稳定性、经济性及可靠性【1 捌。 中国也正积极地发展核电新能源事业。2 0 11 年通过了国家发改委审批并 已上报国务院的新兴能源产业发展规划，根据规划，预计到2 0 2 0 年，中 国新能源发电装机2 9 亿千瓦，约占总装机的1 7 。其中，核电装机将达到 7 0 0 0 万千瓦。因此中长期来看，发展无污染的清洁煤发电技术是中国实现低 碳经济的关键，整体煤气化联合循环发电技术( i g c c ) 将成为未来煤电主流。 积极发展核电是我国能源的长期重大战略选择刚。 然而，2 0 1 1 年3 月1 3 日，日本发生的福岛核泄漏事故再次将核电安全问 题放到了首要位置。核电站所产生的高低阶放射性废料，以及由于自然灾害 以及零件失效所导致的大量放射性泄露成为发展核电事业不容忽视的问题 【5 】。其中各类核电阀门( 如蒸汽隔离阀、稳压器安全阀和主蒸汽安全阀等) 在核电站中是使用数量较多的介质输送控制设备，是核电站安全运行中的必 不可少的重要组成部分。据统计，一座具有两台1 0 0 万千瓦机组的核电站有 各类阀门3 万台，其中核阀就占有约1 3 万台【6 】。由于核电站工作的特殊性， 以及苛刻的工作环境，导致核电阀门的维修，更换费用在核电站维修总额中 站占约5 0 。当我国运行的百万千瓦核电机组装机容量达到2 0 0 0 万千瓦时， 绪论核阀密封面无钴镍基合金激光熔覆层组织性能研究 每年核电阀门的维修、更换费用就将达到6 7 亿元人民币1 7 1 。因此，开发高可 靠性，长使用寿命的核电阀门成为国内外竟相研究的热点。 核阀强化的常用方法是密封面表面处理，即选用性能优于核阀的堆焊材料，在 核阀表面形成堆焊密封面。这不仅显著改善了核阀工作性能，更节约了大量贵重 合金材料。因此目前阀座、阀瓣密封面采用钴基硬质合金等离子喷焊而成，此种 密封面耐磨性、及抗擦伤性能良好。但是钻基合金存在两个突出的问题：一是钴 基合金密封面在工作过程中，所产生的磨损或腐蚀碎片中含有c 0 5 9 元素，该元素 受核激发会形成同位素c 0 6 0 ，c 0 6 0 会延长核辐射的半衰期，增加了停堆检修的时 间，加大核屏蔽的难度和成本【8 1 ；二是我国是钴资源稀缺的国家，且钴金属提取工 艺复杂，回收率较低。因此，针对第四代核电站设计理念，使用无钴合金作为密 封面堆焊材料已成为必然趋势。目前我国核阀堆焊仍采用等离子喷焊、火焰堆焊 等传统方法，覆层堆焊质量受到一定限制，而且传统的堆焊方法已不能满足高参 数阀门密封面日益增长的性能要求，因此先进的堆焊技术是当前各国研究的热门 方向。 综上所述，核阀密封面的强化研究应致力于以下两个方面：一是研发新型的无 钴堆焊材料，使其达到阀门使用条件要求，如耐磨损、抗擦伤、抗冲蚀等性能， 单一的金属或低合金材料很难达到良好的综合性能，从而发展了高合金堆焊材料。 另一方面为堆焊方法的选择及工艺的优化，目前最具前景的是激光熔覆技术，它 利用具有高能密度的激光束使某种特殊性能的材料快速熔凝在基体材料表面并与 基材形成冶金熔合，构成与基体成分和性能完全不同的高性能合金熔覆层 9 1 。资料 表明，在相同的条件下，激光熔覆层的质量、材料利用率等更优于传统的堆焊方 法【1 0 1 。 本文研究目的在于：在实验室已取得的研究成果上，进一步研究开发无钴系列 合金，使其耐磨、抗腐蚀性能等满足核阀使用要求。同时采用实验室自行研发的 中空激光熔覆技术，制备新材料的强化密封面。通过激光工艺参数优化、以及合 金粉末配方的调试，获取组织更致密、晶粒更细小、稀释率更低的无缺陷熔覆层， 并使其使用性能达到甚至超过常用的s t e l l i t e 钴基合金材料。该研究不仅能节约贵 重金属，强化核阀密封面，并能减少核辐射的危害。 2 核阀密封面无钴镍基合金激光熔覆层组织性能研究绪论 1 2 核阀密封面堆焊材料的研究现状 1 2 1 国内外阀门密封面堆焊材料简介 核电阀门是指在核电站中核岛、常规岛和电站辅助设施系统中使用的阀门，主 要包括闸阀、截止阀、单向阀、蝶阀等。从安全级别上分为核安全i 级、i i 级、 级、非核级。其中核安全i 级要求最高【7 】。阀门材料主要为不锈钢和铸铁，因此 不同类型、不同等级和不同尺寸的阀门具有不同的参数、使用环境及使用性能。 而阀门密封面主要是指阀瓣和阀座接触面，其工作原理如图1 1 所示。由此可见， 阀门密封面在阀门通道上起着截断和接通、调解和分配、分离和混合介质等作用。 由于经常受到介质的腐蚀、冲蚀、磨损等，所以密封面是阀门最容易损坏的阀件 之一。密封面损坏后，需要研磨、修复或更换，而这些修理过程比填料密封面要 严格得多，复杂得多。密封面修理时间约占整个阀门修理时间的一半还多【1 1 】。因 此对核阀密封面的使用性能提出了更高的要求，而良好的性能主要取决于材料的 成分以及性质。据资料表明，国内外均使用s t e l l i t e 钴基硬质合金做为高温高压核 阀密封面堆焊材料。该合金具有很高的高温硬度，并具有很好的韧性和抗冲击敏 感性能，可使核阀使用寿命提高3 7 倍。因此，s t e l l i t e 钴基合金是高温核阀密封面 的首选材料。然而，由于钴金属的稀缺和不可避免的受激辐射危害，以及在堆焊 过程出现的细微裂纹、剥落等现象限制了钻基合金在核电阀门中的使用【1 2 1 。 图l l 阀门工作示意图 因此，研究开发一种适用于高温阀门密封面，价格低廉的代钴堆焊材料，显得 尤为重要。目前，世界上研制出的各种代钴材料，大体上可分为三大类：镍基合 绪论核阀密封面无钻镍基合金激光熔覆层组织性能研究 金、铁基合金和低钴型合金【1 3 】。 1 2 2 增强颗粒的性质及行为 单一的合金元素或低合金已不能满足诸多优异的综合性能，因此研究发现可 通过添加适量的增强颗粒来改善合金的耐高温高压性能。该类增强颗粒按其性质 可分为三种类型：金属键类，共价键类和离子键类，它们的性能比较见表1 1 所示。 资料表明，从族到v i 族的过渡族金属的碳化物，室温硬度下降、红硬性增加， 且与f e 、c o 、n i 的润湿角递减、溶解能力递增。且不同的碳化物，在高温下能发 生互溶，在室温下也会发生调幅分解【1 5 】。 表1 - 1 三种类型颗粒相的性能比较1 硬度脆性熔点稳定性热膨胀系数润湿性化学活性分层倾向 由 cimiimmm 高 到 mc cmmici 低 1r imicc c i c 附注：m m e t a l l i c ，c c o v a l e n t ，i - i o n i c 增强颗粒在激光熔覆过程中将发生溶解、析出及长大，这些对熔覆层的微观 组织、形态有很大的影响【1 6 _ 1 9 1 ，从而影响熔覆层的最终性能。 未溶颗粒相的行为，影响到微观组织最终的分布形态。文献表明，增强颗粒 在基体初晶内及枝晶间的分布形态，是熔池的粘度、液固界面生长速度、颗粒的 原始尺寸等综合作用的结果。当达到一定的条件，颗粒就容易被捕获而分布在初 晶内，反之会被液一固界面推移，而分布在枝晶间【1 6 】。 有些增强颗粒相存在同素异构转变，即随着温度的变化产生晶体结构的变化。 其中有些转变是可逆的，有些是不可逆的。因此，可通过控制一定的条件，达到 优良相的产生 2 0 1 。 1 2 3 激光熔覆材料的设计 目前激光熔覆常采用的材料主要是热喷焊或热喷涂类材料，其类型包括自熔 性合金材料、碳化物弥散或复合材料、陶瓷材料等。激光熔覆材料的选择只能参 考热喷焊工艺下的数据，且激光熔覆层的性能也主要取决于覆层材料的成分，因 此设计符合激光工艺下的自熔合金粉末、自熔性弥散碳化物或复合粉末等尤为重 要【2 1 1 。以下是自熔合金粉末、自熔性碳化物弥散或复合粉末、氧化物陶瓷粉末主 要的优缺点： 4 核阀密封面无钻镍基含金激光熔覆层组织性能研究绪论 ( 1 ) 自熔性合金粉末 2 2 - 2 4 j 自熔性合金其主要特点是含有硼和硅，因而具有自我脱氧和造渣的性能，即所 谓的自熔性。该性能可获得氧化物含量低、气孔率少的熔覆层；自熔性合金对基 材有较大的适应性，几乎可用于任何基材，但是对于含硫钢则应慎用，因为由于 硫的存在会在交界处形成一种低熔点、脆性的镍硫化物，使覆层易于剥落。 目前，应用于阀门密封面的自熔性合金粉末主要有钴基、铁基和镍基等自熔合 金。钴基自熔合金由于含有大量的钴元素，而不适用于具有核辐射的环境；铁基 合金的高温稳定性比镍基和钻基合金要低得多；而镍基自熔合金中添加一些适量 的合金元素产生的金属间化合物和碳化物等强化相，增强镍基合金的耐热强度等 高温性能。 ( 2 ) 碳化物复合粉末f 2 1 2 5 _ 2 6 】 碳化物复合粉末系由碳化物硬质相与金属或合金作为粘结相所组成的粉末体 系，可分为( c o 、n i ) w c 和( n i c r 、n i c r a l ) c r 3 c 2 等系列。这类粉末中的粘结 相能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解，特别是经预合金化的碳化物复合粉 末，能获得具有硬质合金性能的涂层。 碳化物复合粉末具有很高的硬度和良好的耐磨性，其中( c o 、n i ) w c 系适 用于低温( 5 6 0 。c ) 的工作条件，而( n i c r 、n i c r a l ) c r 3 c 2 系则适用于高温工 作环境。 ( 3 ) 氧化物陶瓷粉末口1 , 2 6 - 2 7 氧化物陶瓷粉末具有优良的抗高温氧化和隔热、耐磨、耐蚀等性能。其中氧 化铝氧化钛型陶瓷粉末，具有极高的耐磨性、抗高温性以及耐大部分酸、碱的腐 蚀，并具有高的介电强度。但因陶瓷类合金在激光熔覆过程中极易产生裂纹及剥 落问题，因此在合金粉末配制中，应控制好氧化陶瓷粉末的含量，使其发挥最佳 的使用性能。 综合各类合金的使用性能及特征，针对设计合金粉末的使用环境，为本课题 的无钴镍基合金粉末提供了设计思路，即在母体中添加多种成分配比的微细纯金 属粉末和碳化物、氧化物粉末，通过机械合金法研制出化学成分复杂，显微机构 细小，呈嵌有硬质点金属化合物形态的复合合金粉末，使其熔覆层达到高性能核 阀密封面的使用要求。 5 绪论核阀密封面无钴镍基合金激光熔覆层组织性能研究 1 3 核阀密封面堆焊工艺的研究现状 1 3 1 国内外阀门密封面堆焊工艺简介 国内外核电阀门相比较而言，国外核电阀门种类齐全、技术先进、性能优良、 可靠性较高 4 1 。而作为影响核阀质量的一重大因素，即为堆焊技术。国外用于阀门 堆焊的主要工艺方法有：手工电弧堆焊、埋弧自动堆焊、粉末等离子弧堆焊，激 光熔敷、水冷凝堆焊等。 7 0 年代，国内外大量采用带极埋弧堆焊( s a w ) 技术，该技术在稀释率和熔 覆速度上比丝极埋弧焊有了长足的进步，但随着阀门向高参数化，大型化发展趋 势，促使堆焊技术向更优质更高效的方向发展。7 0 年代初，德国首先发明，后被 日、美、前苏联等国进一步完善的带极电渣堆焊技术，由于它具有比带极埋弧堆 焊更高的生产效率、更低的稀释率和良好的堆焊成形等优点，近年来在国内外得 到迅速发展和较普遍的应用。对于耐磨材料则采用等离子弧堆焊技术，该技术能 获得质量稳定可靠的复合堆焊层。复合材料等离子弧堆焊技术的最新进展可使堆 焊层达到无气孔，裂纹及碳化物烧损，熔解等缺陷，碳化物颗粒在堆焊层中分布 均匀。因此，等离子技术被广泛应用于阀门密封面高耐磨材料的堆焊方面【2 8 。们。 目前国内阀门密封面的堆焊大致可分为手工焊，半自动焊和自动焊三类。手工 焊一般采用直流电焊机，钨极手工氩弧焊；半自动焊一般采用排丝等离子焊机； 自动焊一般采用等离子喷焊和埋弧自动焊机等。一般交流电弧焊比直流焊接使用 更可靠，维修更容易，成本更低。但交流焊时电弧的稳定性比直流焊差。我国等 离子喷焊技术发展较快，而这一技术在国内首先应用于阀门制造业，并得到迅速 发展。等离子弧同自由电弧比较，其显著的特点是弧柱细，电流密度大，气体电 离充分。因而产生的温度高，能量集中，电弧稳定性好，可控性好。等离子喷焊 由于利用等离子弧作热源和采用合金粉末作填充金属，从而与其它表面堆焊方法 相较，具有生产率高、母材对合金冲淡率低、喷焊层平整、光滑，成型尺寸范围 宽并可精确控制，喷焊层质量和工艺稳定性好，合金粉末制备简便，使用材料范 围广等优势 3 1 3 2 1 。 针对高性能材料的开发，对传统的堆焊技术也提出了挑战。在工艺试验过程中， 由于焊材吸湿、阀体焊接部位刚性大等会产生堆焊层的缺陷。如电站阀阀体在钴 基合金堆焊中容易产生裂纹。因为焊材钴基合金本身具有很高的红硬性，在 5 0 0 7 0 0 * ( 2 时，硬度能保持3 0 0 - 5 0 0 h b ，但其韧性低，抗裂性较差，容易形成结晶 6 核阀密封面无钴镍基含金激光熔覆层组织性能研究绪论 裂纹或冷裂纹【3 3 1 。而激光熔覆技术综合了热喷涂和堆焊的优点，激光堆焊速度高， 冷却速度快，可以获得组织致密，性能优越的堆焊层，节约贵重金属，焊接质量 易于保证，焊接可靠性高，易于实现自动化，符合现代生产的发展趋势，因而成 为国内外学者的研究热点，近几十年来得到了迅速发展【3 4 】。 1 3 2 激光熔覆技术的特点 激光熔覆亦称称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术。它通过在 基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝 的方法，在基材表面形成与其为冶金结合的填料熔覆层【2 l 】。 因此激光熔覆技术主要具有以下几个方面的特点： ( 1 ) 激光熔覆可将高熔点的材料熔覆在低熔点的基材表面，且材料的成分不 受通常冶金热力学条件的限制，因此可采用的熔覆材料的范围是相当广泛的。 ( 2 ) 由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的快速加热过程，激光熔覆对 基材的热影响小，引起的变形也小。， ( 3 ) 通过控制激光束的输入能量，可将熔覆层与基材的相互稀释作用限制在 极低的程度，保持了原熔覆层优异的性能。 除此之外，激光堆焊可获得厚度达到o 8 3 o m m 的激光熔覆层。这种堆焊层 用预置粉末或喷涂后重熔的方法很难获得，原因是此类方法一次熔覆的焊层薄， 多层熔覆工艺复杂，易出现裂纹、气孔。而激光堆焊可以实现热输入的准确和局 部控制，热影响区和热畸变小，厚度、成分和稀释率可控性好，激光堆焊技术理 论上