一種激光組合制造專用合金粉末及其在硬密封球閥中的應用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光組合制造專用合金粉末及其在硬密封球閥中的應用，所述合金粉末由如下質量配比的原料組成：碳1.8～2.0％，鉻28～31％，鎢8～10％，鉬2?3％，鎳3～4％，鐵3～5％，硅1～2％，錳1～2％，硼0.1～1％，鈷余量；采用本發(fā)明所述激光合金混合物，在球體密封面整體車削進行激光熔覆，可以獲得與基體呈冶金結合、組織均勻、表面形貌良好的涂層；在實際使用中球閥不需加熱，在硬度、耐磨、韌性、耐沖擊方面的性能上比基材SS316有很大的提升；該熔覆層具有較高的硬度、耐磨性、韌性和抗沖擊性能，綜合性能優(yōu)異；熔覆工藝適應性寬，重復性一致，操作性強。
【專利說明】-種激光組合制造專用合金粉末及其在硬密封球閥中的應用 (-)技術領域
[0001] 本發(fā)明設及一種材料與激光加工，尤其設及激光組合制造專用合金粉末及其在制 備耐磨煤制油化工硬密封球閥中的應用。 (二)【背景技術】
[0002] 煤制油化工在我國尚屬新興產(chǎn)業(yè)，但是煤制油和煤化工在中國的發(fā)展卻是迅猛而 深入。煤液化分為直接液化和間接液化，無論是直接液化還是間接液化，工藝介質中不僅有 煤粉，而且還含有也S、也、〇2、co、n也、〇)2、cr等易燃易爆及腐蝕性介質。由于液化煤復雜的 成分與工況的要求，對其裝置中使用的閥口從材料到制造都會提出一些特殊的要求。在煤 制油化工上，采用大量的金屬硬密封球閥，直接液化上采用的金屬硬密封耐磨閥口在使用 過程中極容易出現(xiàn)高溫抱死、高溫泄漏、冷態(tài)閥口無法啟閉的現(xiàn)象。常溫常壓狀態(tài)下，有些 閥口由于頻繁開啟或處于半開關狀態(tài)，W至快速毀損，壽命極低。
[0003] 鑒于煤制油化工閥口對材料性能的高要求，鉆基合金W其材料耐高溫、耐磨損、耐 腐蝕性能而被廣泛用于閥口行業(yè)中。但目前，國內外在高品質閥口上均采用表面堆焊強化 處理、超音速火焰噴涂、等離子噴涂等工藝。堆焊工藝多為氧-乙烘火焰堆焊，運種堆焊方法 生產(chǎn)效率低而且熱影響區(qū)大，稀釋率大，焊接質量不穩(wěn)定，廢品率高達6%~10%。超音速火 焰噴涂化V0F)技術也廣泛用于閥口表面的涂層，但超音速火焰噴涂涂層由于涂層較高的孔 隙率、高壓蒸汽的滲透、涂層與基體的結合強度較低、殘余應力的存在，涂層質量普遍不高。 等離子噴涂W其零件無變形不改變基體金屬的熱處理性質、涂層的種類多、工藝穩(wěn)定涂層 質量高等特點在高性能閥口上的應用也很廣泛，但等離子噴涂的涂層一直存在一些問題： 涂層與界面結合強度偏低、涂層的表面粗糖度較大，耐應變性差，在交變彎曲應力或重載條 件下易引起涂層剝落、涂層的孔隙率高，顯微硬度低，降低了涂層的耐磨性。
[0004] 激光組合制造是在零件的關鍵部位進行選區(qū)性材料的成形，進行優(yōu)化結構設計、 優(yōu)化選材及優(yōu)化制造，激光組合制造更強調與基體材質的不同，多組元功能性結構，實現(xiàn)異 質材料的結合，W及制造層內部材料的梯度變化，亦可W利用報廢的部件作為母體，實現(xiàn)全 生命周期的循環(huán)利用，并節(jié)材降耗。實現(xiàn)了材料組合、方法組合和功能組合。隨著煤制油化 工行業(yè)的不斷發(fā)展，球閥使用環(huán)境的日益苛刻，常用工藝下球閥表面處理因磨損或涂層與 基體結合力不足等問題使得使用壽命不高。而激光組合制造由于是在零件的關鍵部位進行 選區(qū)性材料的成形，可W利用報廢零件作為母體進行激光組合再制造，所W激光組合制造 的運些特性使其很適合在球閥密封面強化與再制造上使用。本發(fā)明中激光組合制造閥口密 封面在合適的參數(shù)下可W獲得常規(guī)工藝處理很難獲得高硬度、高結合力、耐腐蝕、耐磨損與 擦傷的密封面烙覆層，從而能夠有效延長閥口的使用壽命。 (H)
【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明目的是提供一種適用于煤制油化工惡劣工況的激光合金混合物，并在球閥 易失效部位，如密封面或因各類磨損、表面擦傷、微裂紋引起的損傷部位采用預設工藝進行 激光組合制造。經(jīng)激光組合制造處理后的球閥具備高硬度、耐磨損與擦傷、耐沖擊，從而延 長球閥的使用壽命。
[0006] 本發(fā)明采用的技術方案是：
[0007] 本發(fā)明提供一種激光組合制造專用合金粉末，所述合金粉末由如下質量配比的原 料制成:碳(〇1.8~2.0%，銘(吐)28~31%，鶴(胖)8~10%，鋼(]?〇)2-3%，儀(化）3~4%， 鐵(Fe)3~5%，娃(Si)I~2%，儘(Mn)I~2%，棚(B)0.1 ~1 %，鉆(Co)余量。
[0008] 進一步，優(yōu)選所述激光合金混合物由如下質量配比的原料制成：碳1.8%，銘 29.5%，鶴 8.8%，鋼3%，儀 3.3%，鐵 4.4%，娃 1.7%，儘 1.7%，棚0.7%，鉆 45.1%。
[0009] 進一步，優(yōu)選所述合金粉末由如下質量配比的原料制成:碳2%，銘31%，鶴9.9%， 鋼3%，儀4%，鐵5%，娃2%，儘2%，棚 1%，鉆40.1%。
[0010] 本發(fā)明所述激光組合制造專用合金粉末制備方法為:將配方量的激光組合制造專 用合金粉末各組分混合，通過真空感應烙煉、除渣、精煉、均勻化后惰性氣體霧化，獲得激光 組合制造專用合金粉末。
[0011] 本發(fā)明所述的具有高硬度、抗磨損與擦傷、耐腐蝕的激光合金混合物成分設計原 理為：
[0012] (1)碳 C:1.8 ~2.0%
[0013] 當碳含量增加時，可W和其他合金元素形成不同的碳化物等硬質相。如與W形成 M3C、M6C等，與Cr元素形成M?C3，M23C6等碳化物，從而達到強化烙覆層的效果。由于煤制油化 工硬密封閥口密封面與高溫介質相接觸，受到磨損與沖擊，因此激光組合制造后的材料應 該具有高硬度、耐磨、耐擦傷等性能。所W混合物合金設計的碳含量較高。
[0014] (2)銘 Cr:28 ~29%
[0015] 化元素的添加主要是為了在Co基合金中形成富銘碳化物。高的化含量有助于涂層 抵抗腐蝕與氧化。
[0016] (3)鶴 W:8 ~10%
[0017] W元素會對涂層提供額外的強化，由于其較大的原子尺寸，當它固溶在基體中時， 可W阻礙位錯移動。它也會形成碳化物，彌散分布于涂層當中，形成耐磨硬質相。
[001 引（4)鋼 Mo:2-3%
[0019] Mo的烙點為2620°C，其原子結合力強，在涂層中會與Co形成強化相C03M0的金屬間 化合物。Mo的熱膨脹系數(shù)小，導熱性好，在涂層中加入Mo,可W使涂層的強度、初性、耐熱性 大幅度提局。
[0020] 本發(fā)明還提供一種所述激光組合制造專用合金粉末在制備耐磨煤化工用硬密封 球閥中的應用，所述應用為:所述耐磨煤化工用硬密封球閥包括閥體、球體和閥座，閥體內 套設有球體，閥體與球體接觸處設有閥座，所述球體上設有一流道，所述閥座和閥體在對應 所述流道兩端的位置上設有開口，在所述球體表面進行整體車削，將激光組合制造專用合 金粉末研磨至100~325目，由惰性氣體送粉，采用半導體激光器與同軸送粉的烙覆方式將 激光組合制造專用合金粉末涂覆在球體表面并使涂覆合金粉末后的球體表面與所述的閥 體緊密配合。所述半導體激光器的功率為1.5~1.9KW，激光掃描速度為240~360mm/min。所 述送粉量為10~15g/min，烙覆道次之間的搭接率為40-60 % (優(yōu)選50 % )。所述球閥為不誘 鋼SS316(也可適用于其它牌號不誘鋼)制備而成。
[0021] 本發(fā)明所述激光組合制造專用合金粉末制備方法為:將配方量的激光組合制造專 用合金粉末的各組分混合，放置在20(TC烘箱內烘烤化;將烘烤后的混合物放入頻感應爐 (優(yōu)選JZ-500/2,寧波市郵州國輝電子技術有限公司）中，電爐的溫度用熱電偶測量，經(jīng)過化 的烙化后，當合金完全烙融且恒定在過熱度15(TC時，進行制粉;噴粉完成后，出粉并用酒精 除去水分，200°C烘干后過100-325目篩，即為激光組合制造專用合金粉末。
[0022] 所述球體表面車削深度為0.2-1.5mm(優(yōu)選0.5mm)。所述激光合金混合物涂覆厚度 為0.5-2mm(優(yōu)選0.7~0.9mm)。
[0023] 本發(fā)明所述激光組合制造專用合金粉末在實際使用中不需要預熱，可在合適的參 數(shù)下獲得高硬度、抗磨損、耐高溫、耐擦傷的球閥密封面烙覆層，且制造工藝適應性較寬，重 復性一致，完全可用于球閥密封部位的修復與再制造。烙覆層主要依靠化7C3、（C〇，W)6C與金 屬間化合物C〇3Mo形成的共晶組織進行強化。在球閥易失效部位（即工作軌跡)進行激光組 合制造選區(qū)成型。運種工藝在保證密封面密封的情況下最大程度的節(jié)省了昂貴材料，可W 充分發(fā)揮激光組合制造選區(qū)成型的優(yōu)勢。
[0024] 作為優(yōu)選，所述工件為球閥的球體，在激光組合制造前，對球體密封面整體進行單 邊0.5mm的余量去除，在銳去的部位進行激光組合制造合金粉末烙覆。經(jīng)激光組合制造后， 雖然激光組合制造的材料與基材不同，屬于異質材料的結合，但烙覆層與基體結合良好，無 氣孔、夾雜、裂紋等缺陷出現(xiàn)。烙覆層內存在多種碳化物與金屬間化合物等強化相，致烙覆 層硬度高達HR巧2。并且此工藝的適應范圍廣。具有很強的實用性。
[0025] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明有益效果主要體現(xiàn)在：
[0026] 采用本發(fā)明所述激光合金混合物，在球體密封面整體車削進行激光烙覆，可W獲 得與基體呈冶金結合、組織均勻、表面形貌良好的涂層。在實際使用中球閥不需加熱，在硬 度、耐磨、初性、耐沖擊方面的性能上比基材SS316有很大的提升。該烙覆層具有較高的硬 度、耐磨性、初性和抗沖擊性能，綜合性能優(yōu)異。烙覆工藝適應性寬，重復性一致，操作性強， 完全可用于球閥密封面部位的強化與再制造，工藝簡單可靠。大幅度延長了煤制油化工球 閥的使用壽命與可靠性。 (四）
【附圖說明】
[0027] 圖1為激光組合制造涂層與SS316基體摩擦系數(shù)對比。
[0028] 圖2激光組合制造涂層掃描電鏡圖片。
[0029] 圖3激光組合制造涂層邸D分析。
[0030] 圖4激光組合制造實體球體。
[0031] 圖5實體球體著色探傷。
[0032] 圖6為球閥裝配圖，其中1為球體，2為閥座，3為閥體。 (五)
【具體實施方式】
[0033] 下面結合具體實施例對本發(fā)明進行進一步描述，但本發(fā)明的保護范圍并不僅限于 此：
[0034] 實施例1激光組合制造專用合金粉末
[003引（1)激光組合制造專用合金粉末總質量7kg，質量組成為，C : 1 . Swt %，Cr : 28. Iwt%，Mo:2wt%，W:8.3wt% ,Ni :3. Iwt%，F(xiàn)e:3wt% ,Si : Iwt% ,Mn: Iwt%，B:0.1 wt%， Co:51.6%。
[0036] (2)按步驟(1)配方量，分別稱量各個組分，混合，放置在200°C烘箱內烘烤化；
[0037] (3)將步驟(2)烘烤后的混合物化g放入寧波市郵州國輝電子技術有限公司生產(chǎn)的 JZ-500/2中頻感應爐中，電爐的溫度用熱電偶測量，經(jīng)過化的烙化后，當合金完全烙融且恒 定在過熱度150°C時，進行制粉;噴粉完成后，出粉并用酒精除去水分，200°C烘干后過100-325目篩，密封待用。
[0038] 實施例2激光組合制造專用合金粉末
[0039] 激光組合制造專用合金粉末質量組成為C:2.0wt%，Cr:31wt%，Mo:3wt%，W: 9.9wt% ,Ni :4wt%，F(xiàn)e:5wt% ,Si :2wt%，Mn:2wt%，B: Iwt%，C〇:40.1%。其他操作同實施 例I，獲得激光組合制造專用合金粉末化g。
[0040] 實施例3激光組合制造專用合金粉末
[0041 ] 激光組合制造專用合金粉末質量組成為C: 1.9wt%，Cr: 29.5wt% ,Mo:2.5wt%，W: 9"1%，化：3.5"1%，尸6:4"1%，51:1.5"1%，]?11:1.5"1%，8:0.5"1%，(：〇:46.1%。其他操作 同實施例1，獲得激光組合制造專用合金粉末化g。
[0042] 實施例4激光組合制造專用合金粉末的應用
[0043] (1)參見圖6,所述耐磨煤化工用硬密封球閥包括閥體、球體和閥座，閥體內套設有 球體，閥體與球體接觸處設有閥座，所述球體上設有一流道，所述閥座和閥體在對應所述流 道兩端的位置上設有開口，球閥基體材料為不誘鋼SS316,先對球體密封面整體車削，車削 深度為單邊0.5mm，如圖4所示。
[0044] (2)將實施例1制備的激光組合制造專用合金粉末放入沸騰式送粉器中。采用兩機 械臂相配合的方式進行球體表面恒焦距、恒線速度的激光烙覆，在烙覆過程中始終保持烙 覆面水平并與送粉頭軸線垂直。球閥密封面激光烙覆工藝參數(shù)調整至：
[0045] a、激光功率至1.5KW，掃描速度為4mm/s，送粉量為lOg/min，保護氣壓力為0.2MPa， 激光光斑直徑為4mm;搭接率為50 %。
[0046] b、激光功率至1.7KW，掃描速度為5mm/s，送粉量為13g/min，保護氣壓力為0.2MPa， 激光光斑直徑為4mm;搭接率為50 %。
[0047] C、激光功率至1.9KW，掃描速度為15讓/s,送粉量為15g/min，保護氣壓力為 0.2MPa，激光光斑直徑為4mm;搭接率為50 %。
[004引（3)激光烙覆之后，磨床加工至工作尺寸。
[0049] 經(jīng)裝機后擦傷試驗機檢測，閥口開/關時間每次均為20秒，按WI-0916要求進行密 封泄漏測試:氣SOpsi保持120s;水315psi保持120s。規(guī)定開關閉次數(shù)下，相比傳統(tǒng)化學鍛儀 化NP)工藝5000次已出現(xiàn)泄露，激光組合制造專用合金粉末烙覆球體在規(guī)定的次數(shù)內，水與 氣均無泄露出現(xiàn)，如表2所示。
[0050] 進行了 50余組的試驗，擇優(yōu)選取激光組合制造工藝參數(shù)值如表1所述，在表1所述 激光組合制造工藝參數(shù)之下均可獲得滿意的烙覆層，硬度可達到HR巧0~52;
[0051] 試樣采用HT-600高溫摩擦磨損試驗進行高溫磨損測試，400°C高溫磨損試驗中，其 摩擦系數(shù)曲線表明其耐磨損性能相比基體得到明顯改善，如圖1所示。
[0052] 烙覆層的掃描電鏡顯微組織如圖2所示，可W看到涂層中主要存在灰色、黑色、白 色S種顏色的組織，對涂層進行邸S分析發(fā)現(xiàn)灰色為富Co區(qū)域，黑色為富Cr區(qū)域、白色為富W 和富Mo區(qū)域。對涂層進行XRD分析，如圖3所示。發(fā)現(xiàn)富Co區(qū)域主要相是fee面屯、立方Co基固 溶體，富化區(qū)域主要相是化龍3，富W區(qū)域主要相為(Co，W)6C。
[0053] 上述結果表明：經(jīng)激光組合制造后，雖然激光組合制造的材料與基材不同，屬于異 質材料的結合，但烙覆層與基體結合良好，無氣孔、夾雜、裂紋等缺陷出現(xiàn)。烙覆層內存在多 種碳化物與金屬間化合物等強化相，致烙覆層硬度高達HR巧2。并且此工藝的適應范圍廣。 具有很強的實用性。
[0054] 如圖4所示為在實體球體上的激光組合制造實例，可W看到，烙覆層幾何形貌良 好。對激光組合制造球體進行著色探傷分析，如圖5所示。可W看到涂層無裂紋生成。
[0化5] 實施例4:
[0056]采用實施例2制備的激光組合制造專用合金粉末，按球閥密封面待烙覆部位編制 程序，調整激光工藝：
[0化7] a、激光功率至1.6KW，掃描速度為4mm/s，送粉量為lOg/min，保護氣壓力為0.2MPa， 激光光斑直徑為4mm;搭接率為50 %。
[0化引 b、激光功率至1.8KW，掃描速度為5mm/s，送粉量為13g/min，保護氣壓力為0.2MPa， 激光光斑直徑為4mm;搭接率為50 %。其它操作同實施例3。
[0059] 經(jīng)裝機后擦傷試驗機檢測，閥口開/關時間每次均為20秒，按WI-0916要求進行密 封泄漏測試:氣SOpsi保持120s;水315psi保持120s。規(guī)定開關閉次數(shù)下，激光組合制造整體 烙覆球體，在規(guī)定的次數(shù)內水與氣均無泄露出現(xiàn)，如表3所示。
[0060] 實施例1，2,3的烙覆層表面質量均良好，經(jīng)著色探傷均無裂紋出現(xiàn)。經(jīng)擦傷試驗機 檢測其密封壽命，其結果顯示密封壽命提高了 3倍W上，壽命長于整體鍛儀巧NP)球閥壽命。 完全可用于煤制油化工球閥的修復與再制造，可W廣泛的推廣使用。
[0061] 表1激光組合制造工藝參數(shù)
[0062]
[0063]表2激光組合制造球閥與傳統(tǒng)ENP球閥擦傷試驗對比
[0064]
[00 化]
[0066]
[0067]由上述試驗可知，采用本發(fā)明激光組合增材制造合金粉末，在球閥表面進行激光 烙覆，比SS316在硬度、耐磨、初性、耐沖擊方面的性能上有很大的提升。該烙覆層具有較高 的硬度、耐磨性、初性和抗沖擊性能，綜合性能優(yōu)異，激光組合制造工藝參數(shù)范圍較廣，工藝 簡單可靠。大幅度的延長了煤制油化工球閥的使用壽命與可靠性。
【主權項】
1. 一種激光組合制造專用合金粉末，其特征在于所述合金粉末由如下質量配比的原料 制成:碳1.8~2.0%，鉻28~31 %，鎢8~10%，鉬2-3%，鎳3~4%，鐵3~5%，硅1~2%，錳1 ~2%，硼0.1~1%，鈷余量。2. 如權利要求1所述激光組合制造專用合金粉末，其特征在于所述合金粉末由如下質 量配比的原料制成:碳1.8%，鉻28.1 %，鎢8.3%，鉬2%，鎳3.1 %，鐵3%，硅1 %，錳1 %，硼 0.1%，鈷51.6%〇3. 如權利要求1所述激光組合制造專用合金粉末，其特征在于所述合金粉末由如下質 量配比的原料制成:碳2%，鉻31 %，鎢9.9%，鉬3%，鎳4%，鐵5%，硅2%，錳2%，硼1 %，鈷 40 · 1 % 〇4. 如權利要求1所述激光組合制造專用合金粉末，其特征在于所述合金粉末制成方法 為:將配方量的激光組合制造專用合金粉末各組分混合，通過真空感應熔煉、除渣、精煉、均 勻化后惰性氣體霧化，獲得激光組合制造專用合金粉末。5. -種權利要求1所述激光組合制造專用合金粉末在制備耐磨煤化工用硬密封球閥中 的應用。6. 如權利要求5所述的應用，其特征在于所述應用為:所述耐磨煤化工用硬密封球閥包 括閥體、球體和閥座，閥體內套設有球體，閥體與球體接觸處設有閥座，在所述球體表面進 行整體車削;將激光組合制造專用合金粉末研磨至100~325目，由惰性氣體送粉，采用半導 體激光器與同軸送粉的熔覆方式將激光組合制造專用合金粉末涂覆在球體表面并使涂覆 合金粉末后的球體表面與所述的閥體緊密配合。7. 如權利要求6所述的應用，其特征在于所述半導體激光器的功率為1.5~1.9KW，激光 掃描速度為240~360mm/min。8. 如權利要求6所述的應用，其特征在于所述送粉量為10~15g/min，熔覆道次之間的 搭接率40-60 %。9. 如權利要求6所述的應用，其特征在于所述球閥的基材為不銹鋼SS316。10. 如權利要求6所述的應用，其特征在于所述球體表面車削深度為0.2-1.5mm;所述激 光組合制造專用合金粉末涂覆厚度為0.5-2mm。
【文檔編號】C22C19/07GK105861882SQ201610248224
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月20日
【發(fā)明人】姚建華, 吳國龍, 任方成, 胡曉冬, 陳新超, 毛偉
【申請人】浙江工業(yè)大學