激光熔覆用在甲胺泵進(jìn)排液閥零件密封面
1 前言
    尿素生產(chǎn)線上的甲胺液具有極強(qiáng)的腐蝕性，這類腐蝕性液體所經(jīng)過(guò)的主要設(shè)備管線和控制元件的內(nèi)件大多采用各種耐酸不銹鋼制造。對(duì)這類元件或?qū)ζ涔ぷ鞅砻孢M(jìn)行強(qiáng)化處理，以提高其工作性能和延長(zhǎng)工作壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和**性，具有重要的意義。
    本文采用大功率激光器，對(duì)甲胺泵進(jìn)排液閥密封面進(jìn)行了激光熔覆強(qiáng)化試驗(yàn)，并進(jìn)行了檢測(cè)分析和使用驗(yàn)證。

     2　甲胺泵進(jìn)排液閥的結(jié)構(gòu)與工況
    甲胺泵進(jìn)排液閥的工況條件是：工作介質(zhì)為氨基甲酸銨，壓力范圍1.7～20MPa（17～200kgf／cm2），介質(zhì)溫度188～200℃，閥體閥蓋密封面沖擊力20MPa，沖擊頻率50～70r／min。從結(jié)構(gòu)上看，閥體比閥蓋更為復(fù)雜，圓柱型閥體上有數(shù)十個(gè)通孔或盲孔，閥體兩端面孔系間分別有兩個(gè)狹窄的同心環(huán)形密封面，尺寸為（φ132×2.5）mm＋（φ95×3.5）mm和（φ83×4.5）mm＋（φ50×4.5）mm。閥體與閥蓋的材料均為Cr18Ni12Mo2Ti。采用火焰、電弧堆焊、等離子噴焊等工藝來(lái)強(qiáng)化這種狹窄的密封面都有施焊困難，熱影響大，易使工件變形和產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力等。故密封面一直未作任何強(qiáng)化處理。由于密封面的沖擊磨損、墊傷和腐蝕變形等造成閥門使用壽命短，從而停機(jī)次數(shù)多，工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，原材料消耗大。

    3　激光熔覆試驗(yàn)
   密封面涂層采用市售的Co基粉末，使用2123酚醛樹脂為粘接劑，用酒精調(diào)和并預(yù)置于加工面上，預(yù)涂層厚度為2mm，試驗(yàn)先在同種材料的試塊或模擬件上進(jìn)行，*后在零件上做。加工機(jī)為HGL-90型5kW橫流CO2激光器，其輸出光束波長(zhǎng)為10.6μm，導(dǎo)光系統(tǒng)由光閘、反射鏡和砷化鎵（GaAs）晶體透鏡組成。聚焦后的激光束對(duì)在試件環(huán)形表面上的預(yù)涂層進(jìn)行單道激光掃描，工藝參數(shù)為：激光功率P＝2～3kW，掃描速度V＝6～10mm／s，光斑尺寸φ＝4～6mm。激光束能量分布形式為“高斯分布”，無(wú)保護(hù)氣體。試件由MNC801型數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)。一般體積較小或形狀較簡(jiǎn)單的零部件不需進(jìn)行預(yù)熱和后處理，對(duì)于體積較大的閥體零件需進(jìn)行預(yù)熱與熔覆后的退火處理，以防熔層開裂和消除應(yīng)力。

     4　試驗(yàn)結(jié)果與分析
      4.1　熔覆層的微觀結(jié)構(gòu)
   是激光熔覆處理的熔層在結(jié)合面附近的金相組織形貌，沿加工面垂直方向可分為熔化區(qū)、互熔結(jié)合區(qū)和基體3個(gè)區(qū)域。從互熔結(jié)合區(qū)看，圖1所示激光熔層與基體間為一細(xì)窄的結(jié)合帶，其帶寬約為10～30μm。如控制好能量密度與掃描速度，可使熔層與基體不但牢固結(jié)合，互熔區(qū)小，而且對(duì)基體熱影響小。
    4.2　熔層厚度與質(zhì)量
   在本試驗(yàn)中，激光熔覆層厚度能達(dá)到2mm，熔層表面較光滑平整。環(huán)形密封面的平整度可控制在0.4mm以下。熔層表面粗糙度達(dá)到Ra6.3μm，用X2005型X射線儀對(duì)零件激光熔層探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷，成品率可大于95%。
    4.3　熔層成分與硬度
    激光熔覆工藝由于高能熱源的快速作用，熔層合金在瞬間熔化和凝固，對(duì)基體熱影響小，熔層與基體元素互擴(kuò)散小，有效地保證了熔層設(shè)計(jì)成分較少被基體稀釋和向基體擴(kuò)散。大的過(guò)冷度使熔層硬度大大提高，密封面硬度還取決于粉末成分，熔覆方法與工藝參數(shù)，可根據(jù)需要控制和調(diào)節(jié)。本試驗(yàn)的閥體閥蓋密封面硬度為40～48HRC。

     4.4　熔層耐磨耐腐蝕性能
   在MM200型磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)熔覆層與閥體分別取樣進(jìn)行了耐磨性能的對(duì)比測(cè)試。其測(cè)試條件為：兩種試樣各制取6片，3片為一組。激光或等離子試樣固定不動(dòng)。對(duì)磨件轉(zhuǎn)速400r／min，硬度為56HRC，加載294N（30kgf），磨損時(shí)間4h。用萬(wàn)分之**平，對(duì)每組試片試驗(yàn)前后進(jìn)行稱重，取平均值，用千分之一測(cè)量顯微鏡測(cè)量磨痕寬度，取每組的平均值。結(jié)果激光熔覆層的耐磨性比基體的高10倍以上。在不同溶液中進(jìn)行的腐蝕試驗(yàn)也說(shuō)明激光熔覆強(qiáng)化層的抗腐蝕性能不低于基體。

   5　結(jié)語(yǔ)
    采用大功率激光熔覆工藝可對(duì)甲胺泵進(jìn)排液閥零件密封面進(jìn)行強(qiáng)化，激光強(qiáng)化的熔層表面光整，熔層與基體實(shí)現(xiàn)了可靠的冶金結(jié)合，基體受熱影響小，基本無(wú)變形。熔層成分稀釋率和擴(kuò)散率*小，可有效保持和發(fā)揮合金成分的功能。激光熔覆層組織致密，晶粒細(xì)小，硬度和強(qiáng)韌性更高。
   裝機(jī)運(yùn)行說(shuō)明，經(jīng)激光熔覆強(qiáng)化的甲胺泵進(jìn)排液閥密封面在強(qiáng)腐蝕、頻繁沖擊、較高溫度和高壓力的工況下，其使用壽命為原來(lái)未經(jīng)激光熔覆強(qiáng)化的2～3倍，提高了系統(tǒng)的可靠性與**性。
   由于激光束能量高而集中，對(duì)非強(qiáng)化部位和環(huán)境熱影響小，操作控制方便；還由于激光的平行性和非接觸柔性加工方式等優(yōu)點(diǎn)，故對(duì)于很多重要零件表面，特別是傳統(tǒng)工藝不能或不便加工的表面，激光強(qiáng)化工藝具有明顯的優(yōu)勢(shì)。