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激光熔覆技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

　　離心泵廣泛用于電力、冶金、煤炭、建材等行業(yè)輸送含有固體顆粒的漿體，而閥門用于控制空氣、水、蒸汽、各種腐蝕性介質(zhì)、泥漿、油品、液態(tài)金屬和放射性介質(zhì)等各種類型流體的流動(dòng)，可以說(shuō)沒(méi)有泵閥就沒(méi)有現(xiàn)代工業(yè)，泵閥產(chǎn)品在使用過(guò)程中，長(zhǎng)期處于介質(zhì)之中并受到介質(zhì)的沖刷和腐蝕，要求工作面同時(shí)具有高硬度、高耐磨和耐腐蝕特點(diǎn)，這對(duì)泵閥的密封性能提出了更加嚴(yán)苛的要求，傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化工藝局限性凸顯。

　　激光熔覆技術(shù)正逐漸發(fā)展成為研制和生產(chǎn)高端泵閥產(chǎn)品（如離心泵口環(huán)、平衡套、平衡盤、球閥、閘閥、調(diào)節(jié)閥等）的“殺手锏”，借激光之匙，正在開(kāi)啟高端泵閥產(chǎn)品應(yīng)用市場(chǎng)的大門

　　一、激光熔覆工藝與傳統(tǒng)工藝的比較優(yōu)勢(shì)

　　傳統(tǒng)上泵閥密封面主要有以下幾種方式：

　　1）鍍硬鉻：涂層厚度<0.1mm，主要用于軟密封，易開(kāi)裂剝；
2）熱噴焊：是目前硬密封的主流方式，涂層厚度1-1.5mm，熱變形量大，涂層薄時(shí)易露白，涂層厚時(shí)層易脫落；
3）弧焊：包括MIG、TIG、PTA，涂層厚度3-5mm，材料浪費(fèi)大，稀釋率高，硬度分布不均勻，組織粗大，易變形、易開(kāi)裂；

　　激光熔覆工藝作為一種可以精確控制能量的制造技術(shù)，與傳統(tǒng)工藝相比具有以下特點(diǎn)：

　　1）強(qiáng)韌性好：細(xì)密的涂層結(jié)構(gòu)同時(shí)兼顧強(qiáng)韌性，同等硬度下具有更好的耐磨性和一定的抗沖擊能力；
2）界面結(jié)合強(qiáng)度高：冶金結(jié)合，抗拉強(qiáng)度>500MPa，大于基體強(qiáng)度；
3）稀釋率低：激光熔覆的稀釋率≦3%，同樣的合金激光熔覆層的硬度比等離子熔覆高3-5HRC；
4）熔覆層組織晶粒細(xì)小，熔覆層組織致密，無(wú)孔隙，具有各向同性 ；
5）硬度均勻：表面沒(méi)有軟點(diǎn)，硬度差≦3HRC，有效層深內(nèi)硬度一致性好。

　　圖1表述了鈷基合金STL12激光熔覆和等離子堆焊層深度方向的硬度分布圖。圖中的紅色部分是激光熔覆硬度分布曲線，黑色是等離子堆焊硬度分布曲線，兩條藍(lán)色虛線分別代表各自的涂層/基材的界面。激光熔覆的有效層厚度為1.25mm，熔覆層內(nèi)硬度分布均勻；等離子堆焊層的厚度為3.5mm，有效涂層厚度僅為1.25mm，稀釋層厚度達(dá)到2.25mm，稀釋層硬度顯著下降，因此浪費(fèi)了昂貴的涂層材料。圖2是上述兩種涂層的顯微組織對(duì)比，可以看出激光熔覆層的枝晶更為細(xì)小，這得益于激光熔覆工藝比等離子堆焊工藝具有更高的冷速，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)表明激光熔覆層擁有更優(yōu)的耐磨性。

　　二、泵閥激光熔覆應(yīng)用現(xiàn)狀及水平

　　上世紀(jì)90年代華中科技大學(xué)王愛(ài)華、蘇州大學(xué)石世宏等專家學(xué)者就進(jìn)行了泵閥激光熔覆工藝和材料的研究，取得了很多成果，但是由于諸多因素的限制，泵閥硬密封面激光熔覆的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用一直未能取得突破。

　　2010年以來(lái)泵閥行業(yè)出現(xiàn)了企業(yè)同質(zhì)化低水平競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重，低端通用產(chǎn)品相對(duì)過(guò)剩，高端泵閥市場(chǎng)難以進(jìn)入的發(fā)展瓶頸，這促使越來(lái)越多的泵閥企業(yè)紛紛加大科技創(chuàng)新投入，向超零界、高低溫、核電、煤化工等高端泵閥產(chǎn)品進(jìn)軍。

　　2012年溫州建設(shè)國(guó)家級(jí)激光與光電產(chǎn)業(yè)集群，在溫州市政府的大力推動(dòng)下溫州大學(xué)，浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江工業(yè)大學(xué)，久恒光電與溫州市眾多泵閥企業(yè)開(kāi)展了多個(gè)泵閥領(lǐng)域重大激光項(xiàng)目的合作研究。

　　浙江工業(yè)大學(xué)姚建華團(tuán)隊(duì)的“直接輸出半導(dǎo)體寬光束激光熔覆Fe-C-Cr-Si-Mo合金組合制造閥門研究”獲得了與基體具有良好冶金結(jié)合并且稀釋率低的熔覆層，熔覆層平均硬度值達(dá)到640HV0.2,顯著高于基體硬度170HV0.2，熔覆層的耐磨性提高了3倍左右。

　　南方閥門制造有限公司和吉林大學(xué)、浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院合作開(kāi)展了激光熔覆鐵基合金技術(shù)研發(fā)工作，開(kāi)發(fā)耐高溫、抗磨損、高密封的超(超)臨界閥門。

　　上述研究成果受加工成本、加工效率、質(zhì)量穩(wěn)定性等瓶頸的限制，產(chǎn)業(yè)化推廣依然困難重重。

　　久恒光電與華中科技大學(xué)材料學(xué)院、瑞安市政府共同成立了瑞安市激光應(yīng)用工程示范中心，從2014年開(kāi)始開(kāi)展泵閥激光熔覆產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究推廣，經(jīng)過(guò)多年的努力開(kāi)發(fā)了一系列的材料、工藝，相繼在產(chǎn)品成本，加工效率，批量加工的穩(wěn)定性上取得突破，目前已為800臺(tái)套工業(yè)離心泵和4000多臺(tái)各類閥門的閥體、閥座提供了激光熔覆加工，涉及硅化工，煤化工，石油石化，電力，醫(yī)藥，生化，造紙等特殊工況的應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)化成果取得初步成效，同時(shí)也開(kāi)發(fā)了一系列針對(duì)泵閥應(yīng)用的專用激光熔覆設(shè)備。

　　三、泵閥激光熔覆工藝和材料

　　激光熔覆在不同的工況下采用不同的基體材料，不同的基體材料熔覆工藝各不相同。常見(jiàn)的基體材料包括，碳鋼鑄件,低合金鋼，鐵素體鋼，奧氏體不銹鋼，馬氏體不銹鋼，鎳和鎳合金等。

　　泵閥產(chǎn)品是一種特殊的產(chǎn)品，很多應(yīng)用場(chǎng)合涉及生產(chǎn)安全問(wèn)題，泵閥密封面激光熔覆工藝必須符合一定的規(guī)范，以保證焊接過(guò)程的規(guī)范性，泵閥密封面激光熔覆工藝應(yīng)充分考慮材料、結(jié)構(gòu)形狀、熱處理性質(zhì)等因素,為了規(guī)范泵閥產(chǎn)品的激光熔覆工藝，久恒光電根據(jù)自己多年的經(jīng)驗(yàn)積累，起草了“泵閥密封面激光熔覆技術(shù)要求”的激光熔覆標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)焊前預(yù)熱溫度及保溫時(shí)間；激光熔覆層最小厚度、過(guò)渡層最小厚度；焊后熱處理溫度、保溫時(shí)間；稀釋率的控制要求；激光熔覆基面的形狀及尺寸都做出了相應(yīng)的規(guī)定。

　　按 GB/T 22652 的規(guī)定在初次使用的粉末品種、初次使用的基體材料、新的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、多層堆焊變更為單層堆焊等情況下進(jìn)行激光熔覆工藝評(píng)定。

　　四、泵閥產(chǎn)品的三個(gè)典型應(yīng)用案例

　　多晶硅耐磨球閥激光熔覆

　　多晶硅行業(yè)硅粉工段耐磨球閥，口徑DN80，用于尾氣回收裝置替代進(jìn)口耐磨球閥，介質(zhì)為硅粉+氯硅烷，硅粉硬度為HRC63-65左右，介質(zhì)溫度為450℃，介質(zhì)流速快，對(duì)閥門有較強(qiáng)的沖刷，此工況要求閥門具有極高的密封性能、耐沖刷性能及耐磨性能。

　　久恒光電采用激光熔覆金屬陶瓷超耐磨復(fù)合涂層技術(shù)，對(duì)球體的密封面進(jìn)行激光熔覆，以替代原有的超音速噴涂WC涂層，涂層的顯微結(jié)構(gòu)如圖4所示，該材料由鎳基合金和WC組成，基體相的硬度為450-460HV，WC相的硬度在2100-2300HV，激光熔覆后WC顆粒完整且與基體相的界面呈冶金結(jié)合，致密度高、界面結(jié)合度高、耐磨性高。 與超音速噴涂相比，這種涂層結(jié)構(gòu)具有很好的耐磨和耐沖刷性能，與基體之間呈冶金結(jié)合，不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂和剝落現(xiàn)象。

　　應(yīng)用結(jié)果表明，原來(lái)所用進(jìn)口閥門的使用不到壽命3個(gè)月，閥門因泄漏導(dǎo)致后續(xù)的工段負(fù)荷較重，影響裝置的正常運(yùn)行，無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用要求。采用激光熔覆技術(shù)的閥門于2016年12月份投入運(yùn)行，歷經(jīng)3年多時(shí)間，密封性能穩(wěn)定，質(zhì)量穩(wěn)定，開(kāi)關(guān)到位，未出現(xiàn)其他不良問(wèn)題，性能遠(yuǎn)超進(jìn)口閥門，實(shí)現(xiàn)了閥門的替代進(jìn)口。

　　2、煤化工高溫給水泵激光熔覆

　　XXX能源化工有限公司高溫給水泵，用于甲醇醋酸系列深加工工程氣化裝置中，輸送介質(zhì)：灰水，含有最大0.5%固體，介質(zhì)密度：941kg/m，輸送介質(zhì)溫度：120℃，轉(zhuǎn)速2980r/min,流量：220m/h，單級(jí)揚(yáng)程：100m，級(jí)數(shù)8級(jí)，總揚(yáng)程800m。該泵的葉輪口環(huán)、泵體口環(huán)、平衡套、平衡盤密封面激光熔覆鐵基合金，表面硬度HRC55-57,其密封涂層經(jīng)受了18個(gè)月煤化工等領(lǐng)域洗滌塔流程系統(tǒng)中高含量顆粒介質(zhì)的輸送的考驗(yàn)，耐沖蝕性能與傳統(tǒng)的堆焊工藝相比提高，4-6倍。

　　圖5 激光熔覆后的高溫給水泵葉輪口環(huán)、泵體口環(huán)、平衡套、平衡盤

　　3、2500BL級(jí)高參數(shù)球閥

　　高參數(shù)特種耐磨球閥已廣泛應(yīng)用于煤化工、煤制油、多晶硅、有機(jī)硅、石油、化工、電力及軍工等領(lǐng)域，絕大多數(shù)項(xiàng)目為國(guó)家重大工程項(xiàng)目。

　　久恒光電與美國(guó)WALLCOLMONOY公司合作，在全球第一次采用Colmonoy 88鎳基合金激光熔覆方式熔覆了60套2500BL高參數(shù)球閥球體和閥座密封面，涂層的性能與PTA技術(shù)相比具有更低的稀釋率和更高的硬度，使球閥的整體性能得到很大提升。

　　五、 結(jié)語(yǔ)

　　隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)不斷發(fā)展，對(duì)零部件工作的環(huán)境也越來(lái)越趨于復(fù)雜化，表面性能的要求越來(lái)越高。泵閥產(chǎn)品在使用過(guò)程中，長(zhǎng)期處于介質(zhì)之中并受到介質(zhì)的沖刷和腐蝕，硬度高、耐磨、耐腐蝕是產(chǎn)品必備的特性，采用激光熔覆工藝對(duì)高參數(shù)閥門密封面進(jìn)行強(qiáng)化處理。

　　與傳統(tǒng)工藝相比，密封面質(zhì)量明顯提高，耐磨差磨損性能得到極大提升，并具有處理的熱變形小、熔覆層的厚度可控、涂層與基體金屬可實(shí)現(xiàn)牢固的冶金結(jié)合、工藝過(guò)程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)，將大大增泵閥產(chǎn)品的耐高溫、抗磨損、高密封和可靠性，延長(zhǎng)其服役壽命,提高該類產(chǎn)品的科技含量和產(chǎn)品附加值，產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化，逐步替代進(jìn)口閥門；有助于產(chǎn)業(yè)化升級(jí)和區(qū)域創(chuàng)新能力的提升，顯著的提升我國(guó)高端泵閥產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)提高我國(guó)泵閥產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)中的地位具有重要的意義。