摘 要：使用5kW橫流CO2雷射器對預置於基材為Cr18Ni12Mo2Ti不鏽鋼的閥體閥蓋零件密封面上的Co基自熔合金粉末進行單道掃描，得到的雷射熔層表面光整，厚度為2mm，基體無變形。雷射熔覆層消除了氣孔、裂紋、夾雜物等缺陷，其組織緻密，晶粒度細小，硬度和強韌性更高。熔層與基體實現了冶金結合。
關鍵字：雷射熔覆；進排液閥；表面強化
1前言
尿素生產線上的甲胺液具有極強的腐蝕性，這類腐蝕性液體所經過的主要設備管線和控制元件的內件大多採用各種耐酸不鏽鋼製造。對這類元件或對其工作表面進行強化處理，以提高其工作性能和延長工作壽命，增強系統的可靠性和安全性，具有重要的意義。
本文採用大功率雷射器，對甲胺泵進排液閥密封面進行了雷射熔覆強化試驗，並進行了檢測分析和使用驗證。
2 甲胺泵進排液閥的結構與工況
甲胺泵進排液閥的工況條件是：工作介質為氨基甲酸銨，壓力範圍1.7～20MPa（17～200kgf/cm2），介質溫度188～200℃，閥體閥蓋密封面衝擊力20MPa，衝擊頻率50～70r/min。從結構上看，閥體比閥蓋更為複雜，圓柱型閥體上有數十個通孔或盲孔，閥體兩端面孔系間分別有兩個狹窄的同心環形密封面，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。採用火焰、電弧堆焊、等離子噴焊等工藝來強化這種狹窄的密封面都有施焊困難，熱影響大，易使工件變形和產生內應力等。故密封面一直未作任何強化處理。由於密封面的衝擊磨損、墊傷和腐蝕變形等造成閥門使用壽命短，從而停機次數多，工人勞動強度高，原材料消耗大。
3 雷射熔覆試驗
密封面塗層採用市售的Co基粉末，使用2123酚醛樹脂為粘接劑，用酒精調和並預置於加工面上，預塗層厚度為2mm，試驗先在同種材料的試塊或模擬件上進行，最後在零件上做。加工機為HGL-90型5kW橫流CO2雷射器，其輸出光束波長為10.6μm，導光系統由光閘、反射鏡和砷化鎵（GaAs）晶體透鏡組成。聚焦後的雷射束對在試件環形表面上的預塗層進行單道雷射掃描，工藝參數為：雷射功率P=2～3kW，掃描速度V=6～10mm/s，光斑尺寸φ=4～6mm。雷射束能量分布形式為“高斯分布”，無保護氣體。試件由MNC801型數控迴轉工作檯驅動。一般體積較小或形狀較簡單的零部件不需進行預熱和後處理，對於體積較大的閥體零件需進行預熱與熔覆後的退火處理，以防熔層開裂和消除應力。
4 試驗結果與分析
4.1 熔覆層的微觀結構
圖1是雷射熔覆處理的熔層在結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、互熔結合區和基體3個區域。從互熔結合區看，圖1所示雷射熔層與基體間為一細窄的結合帶，其頻寬約為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合，互熔區小，而且對基體熱影響小。圖2為雷射處理的熔層中上部金相組織形貌，可見雷射熔層以枝晶狀顯微組織為主，其組織細密均勻，晶粒度測定為10～12級。由圖1、2可見熔層比基體的組織要細密得多，組織細密能提高晶界結合力和抗腐蝕能力，增加熔覆層的強韌性。
圖1 雷射熔層熱影響區附近 ×320圖2 雷射熔層中上部金相組織 ×3204.2 熔層厚度與質量
在本試驗中，雷射熔覆層厚度能達到2mm，熔層表面較光滑平整。環形密封面的平整度可控制在0.4mm以下。熔層表面粗糙度達到Ra6.3μm，用X2005型X射線儀對零件雷射熔層探傷，未發現缺陷，成品率可大於95。圖3為雷射熔覆後的閥體閥蓋。
圖3 雷射熔覆後的閥體閥蓋4.3 熔層成分與硬度
雷射熔覆工藝由於高能熱源的快速作用，熔層合金在瞬間熔化和凝固，對基體熱影響小，熔層與基體元素互擴散小，有效地保證了熔層設計成分較少被基體稀釋和向基體擴散。大的過冷度使熔層硬度大大提高，密封面硬度還取決於粉末成分，熔覆方法與工藝參數，可根據需要控制和調節。本試驗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型磨損試驗機上對熔覆層與閥體分別取樣進行了耐磨性能的對比測試。其測試條件為：兩種試樣各製取6片，3片為一組。雷射或等離子試樣固定不動。對磨件轉速400r/min，硬度為56HRC，載入294N（30kgf），磨損時間4h。用萬分之一天平，對每組試片試驗前後進行稱重，取平均值，用千分之一測量顯微鏡測量磨痕寬度，取每組的平均值。結果雷射熔覆層的耐磨性比基體的高10倍以上。在不同溶液中進行的腐蝕試驗也說明雷射熔覆強化層的抗腐蝕性
關鍵字：雷射熔覆；進排液閥；表面強化
1前言
尿素生產線上的甲胺液具有極強的腐蝕性，這類腐蝕性液體所經過的主要設備管線和控制元件的內件大多採用各種耐酸不鏽鋼製造。對這類元件或對其工作表面進行強化處理，以提高其工作性能和延長工作壽命，增強系統的可靠性和安全性，具有重要的意義。
本文採用大功率雷射器，對甲胺泵進排液閥密封面進行了雷射熔覆強化試驗，並進行了檢測分析和使用驗證。
2 甲胺泵進排液閥的結構與工況
甲胺泵進排液閥的工況條件是：工作介質為氨基甲酸銨，壓力範圍1.7～20MPa（17～200kgf/cm2），介質溫度188～200℃，閥體閥蓋密封面衝擊力20MPa，衝擊頻率50～70r/min。從結構上看，閥體比閥蓋更為複雜，圓柱型閥體上有數十個通孔或盲孔，閥體兩端面孔系間分別有兩個狹窄的同心環形密封面，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。採用火焰、電弧堆焊、等離子噴焊等工藝來強化這種狹窄的密封面都有施焊困難，熱影響大，易使工件變形和產生內應力等。故密封面一直未作任何強化處理。由於密封面的衝擊磨損、墊傷和腐蝕變形等造成閥門使用壽命短，從而停機次數多，工人勞動強度高，原材料消耗大。
3 雷射熔覆試驗
密封面塗層採用市售的Co基粉末，使用2123酚醛樹脂為粘接劑，用酒精調和並預置於加工面上，預塗層厚度為2mm，試驗先在同種材料的試塊或模擬件上進行，最後在零件上做。加工機為HGL-90型5kW橫流CO2雷射器，其輸出光束波長為10.6μm，導光系統由光閘、反射鏡和砷化鎵（GaAs）晶體透鏡組成。聚焦後的雷射束對在試件環形表面上的預塗層進行單道雷射掃描，工藝參數為：雷射功率P=2～3kW，掃描速度V=6～10mm/s，光斑尺寸φ=4～6mm。雷射束能量分布形式為“高斯分布”，無保護氣體。試件由MNC801型數控迴轉工作檯驅動。一般體積較小或形狀較簡單的零部件不需進行預熱和後處理，對於體積較大的閥體零件需進行預熱與熔覆後的退火處理，以防熔層開裂和消除應力。
4 試驗結果與分析
4.1 熔覆層的微觀結構
圖1是雷射熔覆處理的熔層在結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、互熔結合區和基體3個區域。從互熔結合區看，圖1所示雷射熔層與基體間為一細窄的結合帶，其頻寬約為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合，互熔區小，而且對基體熱影響小。圖2為雷射處理的熔層中上部金相組織形貌，可見雷射熔層以枝晶狀顯微組織為主，其組織細密均勻，晶粒度測定為10～12級。由圖1、2可見熔層比基體的組織要細密得多，組織細密能提高晶界結合力和抗腐蝕能力，增加熔覆層的強韌性。
圖1 雷射熔層熱影響區附近 ×320圖2 雷射熔層中上部金相組織 ×3204.2 熔層厚度與質量
在本試驗中，雷射熔覆層厚度能達到2mm，熔層表面較光滑平整。環形密封面的平整度可控制在0.4mm以下。熔層表面粗糙度達到Ra6.3μm，用X2005型X射線儀對零件雷射熔層探傷，未發現缺陷，成品率可大於95。圖3為雷射熔覆後的閥體閥蓋。
圖3 雷射熔覆後的閥體閥蓋4.3 熔層成分與硬度
雷射熔覆工藝由於高能熱源的快速作用，熔層合金在瞬間熔化和凝固，對基體熱影響小，熔層與基體元素互擴散小，有效地保證了熔層設計成分較少被基體稀釋和向基體擴散。大的過冷度使熔層硬度大大提高，密封面硬度還取決於粉末成分，熔覆方法與工藝參數，可根據需要控制和調節。本試驗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型磨損試驗機上對熔覆層與閥體分別取樣進行了耐磨性能的對比測試。其測試條件為：兩種試樣各製取6片，3片為一組。雷射或等離子試樣固定不動。對磨件轉速400r/min，硬度為56HRC，載入294N（30kgf），磨損時間4h。用萬分之一天平，對每組試片試驗前後進行稱重，取平均值，用千分之一測量顯微鏡測量磨痕寬度，取每組的平均值。結果雷射熔覆層的耐磨性比基體的高10倍以上。在不同溶液中進行的腐蝕試驗也說明雷射熔覆強化層的抗腐蝕性
