摘要：采用激光熔覆技術對尿素生產線上的甲胺泵進排液閥零件密封面進行強化。使用5kW橫流CO2激光器對預置于基材為Cr18Ni12Mo2Ti不銹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，得到的激光熔層表面光整，厚度為2mm，基體無變形。激光熔覆層消除了氣孔、裂紋、夾雜物等缺陷，其組織致密，晶粒度細小，硬度和強韌性更高。熔層與基體實現(xiàn)了冶金結合。 關鍵詞：激光熔覆；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采用各種耐酸不銹鋼制造。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(tǒng)的可靠性和安全性，具有重要的意義。 本文采用大功率激光器，對甲胺泵進排液閥密封面進行了激光熔覆強化試驗，并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，壓力范圍1.7～20MPa（17～200kgf／cm2），介質溫度188～200℃，閥體閥蓋密封面沖擊力20MPa，沖擊頻率50～70r／min。從結構上看，閥體比閥蓋更為復雜，圓柱型閥體上有數(shù)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(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，從而停機次數(shù)多，工人勞動強度高，原材料消耗大。 3激光熔覆試驗 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，用酒精調和并預置于加工面上，預涂層厚度為2mm，試驗先在同種材料的試塊或模擬件上進行，最后在零件上做。加工機為HGL-90型5kW橫流CO2激光器，其輸出光束波長為10.6μm，導光系統(tǒng)由光閘、反射鏡和砷化鎵（GaAs）晶體透鏡組成。聚焦后的激光束對在試件環(huán)形表面上的預涂層進行單道激光掃描，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”，無保護氣體。試件由MNC801型數(shù)控回轉工作臺驅動。一般體積較小或形狀較簡單的零部件不需進行預熱和后處理，對于體積較大的閥體零件需進行預熱與熔覆后的退火處理，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是激光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(qū)、互熔結合區(qū)和基體3個區(qū)域。從互熔結合區(qū)看，圖1所示激光熔層與基體間為一細窄的結合帶，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合，互熔區(qū)小，而且對基體熱影響? Ｍ?為激光處理的熔層中上部金相組織形貌，可見激光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激光熔層熱影響區(qū)附近×320 圖2激光熔層中上部金相組織×3204.2熔層厚度與質量 在本試驗中，激光熔覆層厚度能達到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。熔層表面粗糙度達到Ra6.3μm，用X2005型X射線儀對零件激光熔層探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷，成品率可大于95%。圖3為激光熔覆后的閥體閥蓋。 圖3激光熔覆后的閥體閥蓋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)需要控制和調節(jié)。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：兩種試樣各制取6片，3片為一組。激光或等離子試樣固定不動。對磨件轉速400r／min，硬度為56HRC，加載294N（30kgf），磨損時間4h。用萬分之一天平，對每組試片試驗前后進行稱重，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。在不同溶液中進行的腐蝕試驗也說明激光熔覆強化層的抗腐蝕性能不低于基體。 5結語 采用大功率激光熔覆工藝可對甲胺泵進排液閥零件密封面進行強化，激光強化的熔層表面光整，熔層與基體實現(xiàn)了可靠的冶金結合，基體受熱影響小，基本無變形。熔層成分稀釋率和擴散率最小，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，晶粒細小，硬度和強韌性更高。 裝機運行說明，經激光熔覆強化的甲胺泵進排液閥密封面在強腐蝕、頻繁沖擊、較高溫度和高壓力的工況下，其使用壽命為原來未經激光熔覆強化的2～3倍，提高了系統(tǒng)的可靠性與安全性。 由于激光束能量高而集中，對非強化部位和環(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，故對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，激光強化工藝具有明顯的優(yōu)勢。 參考文獻： [1]傅戈雁．甲胺泵系統(tǒng)的可靠性分析與可靠性增長[J]．機械科學與技術，1999（5）：805～807． [2]閻毓禾．高功率激光加工及其應用[M]．天津：天津科學技術出版社，1994：112～167． [3]石世宏等．激光熔覆閥門零件的研究與應用[J]．中國機械工程，1999（5）：586～588． [4]Weerasinghe V M et al．Proc．Conf，Laser in Material Processing[C]．：Los Angeles，1983． [5]Macintyire R M．Laser in Manufacing．Proc．Conf．[C]．1983． [6]王家金．激光加工技術[M]．北京：中國計量出版社，1992：274～279．