激光熔覆技術的產業化應用

離心泵廣泛用于電力、冶金、煤炭、建材等行業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、泥漿、油品、液態金屬和放射性介質等各種類型流體的流動，可以說沒有泵閥就沒有現代工業，泵閥產品在使用過程中，長期處于介質之中并受到介質的沖刷和腐蝕，要求工作面同時具有高硬度、高耐磨和耐腐蝕特點，這對泵閥的密封性能提出了更加嚴苛的要求，傳統的表面強化工藝局限性凸顯。

激光熔覆技術正逐漸發展成為研制和生產高端泵閥產品（如離心泵口環、平衡套、平衡盤、球閥、閘閥、調節閥等）的“殺手锏”，借激光之匙，正在開啟高端泵閥產品應用市場的大門。

一、激光熔覆工藝與傳統工藝的比較優勢

傳統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，涂層薄時易露白，涂層厚時層易脫落；3）弧焊：包括MIG、TIG、PTA，涂層厚度3-5mm，材料浪費大，稀釋率高，硬度分布不均勻，組織粗大，易變形、易開裂；4）超音速冷噴涂：噴涂厚度0.5mm，粉末利用率低，界面結合強度≤80MPa，涂層為層狀機械嵌合、致密度低。

激光熔覆工藝作為一種可以精確控制能量的制造技術，與傳統工藝相比具有以下特點：1）強韌性好：細密的涂層結構同時兼顧強韌性，同等硬度下具有更好的耐磨性和一定的抗沖擊能力；2）界面結合強度高：冶金結合，抗拉強度>500MPa，大于基體強度；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）熔覆層組織晶粒細小，熔覆層組織致密，無孔隙，具有各向同性 ；5）硬度均勻：表面沒有軟點，硬度差≦3HRC，有效層深內硬度一致性好。

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，稀釋層厚度達到2.25mm，稀釋層硬度顯著下降，因此浪費了昂貴的涂層材料。圖2是上述兩種涂層的顯微組織對比，可以看出激光熔覆層的枝晶更為細小，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，摩擦磨損實驗表明激光熔覆層擁有更優的耐磨性。

圖1   鈷基合金激光熔覆和等離子堆焊層深度方向硬度分布對比

圖2    鈷基合金激光熔覆層與等離子堆焊的顯微組織比對

二、泵閥激光熔覆應用現狀及水平

上世紀90年代華中科技大學王愛華、蘇州大學石世宏等專家學者就進行了泵閥激光熔覆工藝和材料的研究，取得了很多成果，但是由于諸多因數的限制，泵閥硬密封面激光熔覆的產業應用一直未能取得突破。

2010年以來泵閥行業出現了企業同質化低水平競爭嚴重，低端通用產品相對過剩，高端泵閥市場難以進入的發展瓶頸，這促使越來越多的泵閥企業紛紛加大科技創新投入，向超零界、高低溫、核電、煤化工等高端泵閥產品進軍。

2012年溫州建設國家級激光與光電產業集群，在溫州市政府的大力推動下溫州大學，浙江工貿職業技術學院，浙江工業大學，久恒光電與溫州市眾多泵閥企業開展了多個泵閥領域重大激光項目的合作研究。

浙江工業大學姚建華團隊的“直接輸出半導體寬光束激光熔覆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合并且稀釋率低的熔覆層，熔覆層平均硬度值達到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、浙江工貿職業技術學院合作開展了激光熔覆鐵基合金技術研發工作，開發耐高溫、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、質量穩定性等瓶頸的限制，產業化推廣依然困難重重。

久恒光電與華中科技大學材料學院、瑞安市政府共同成立了瑞安市激光應用工程示范中心，從2014年開始開展泵閥激光熔覆產業化應用研究推廣，經過多年的努力開發了一系列的材料、工藝，相繼在產品成本，加工效率，批量加工的穩定性上取得突破，目前已為800臺套工業離心泵和4000多臺各類閥門的閥體、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，醫藥，生化，造紙等特殊工況的應用，產業化成果取得初步成效，同時也開發了一系列針對泵閥應用的專用激光熔覆設備。

圖3 球閥閥體和閥座的激光熔覆

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。

泵閥產品是一種特殊的產品，很多應用場合涉及生產安全問題，泵閥密封面激光熔覆工藝必須符合一定的規范，以保證焊接過程的規范性，泵閥密封面激光熔覆工藝應充分考慮材料、結構形狀、熱處理性質等因素,為了規范泵閥產品的激光熔覆工藝，久恒光電根據自己多年的經驗積累，起草了“泵閥密封面激光熔覆技術要求”的激光熔覆標準，對焊前預熱溫度及保溫時間；激光熔覆層最小厚度、過渡層最小厚度； 焊后熱處理溫度、保溫時間；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的規定。

按 GB/T 22652 的規定在初次使用的粉末品種、初次使用的基體材料、新的產品結構、多層堆焊變更為單層堆焊等情況下進行激光熔覆工藝評定。

表1  基本材料預熱溫度

四、泵閥產品的三個典型應用案例

1、多晶硅耐磨球閥激光熔覆

多晶硅行業硅粉工段耐磨球閥，口徑DN80，用于尾氣回收裝置替代進口耐磨球閥，介質為硅粉+氯硅烷，硅粉硬度為HRC63-65左右，介質溫度為450℃，介質流速快，對閥門有較強的沖刷，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合涂層技術，對球體的密封面進行激光熔覆，以替代原有的超音速噴涂WC涂層，涂層的顯微結構如圖5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合，致密度高、界面結合度高、耐磨性高。 與超音速噴涂相比，這種涂層結構具有很好的耐磨和耐沖刷性能，與基體之間呈冶金結合，不會出現開裂和剝落現象。

應用結果表明，原來所用進口閥門的使用不到壽命3個月，閥門因泄漏導致后續的工段負荷較重，影響裝置的正常運行，無法滿足現場的使用要求。采用激光熔覆技術的閥門于2016年12月份投入運行，歷經3年多時間，密封性能穩定，質量穩定，開關到位，未出現其他不良問題，性能遠超進口閥門，實現了閥門的替代進口。

圖5 激光熔覆Ni/WC涂層與超音速噴涂WC涂層比對

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：灰水，含有最大0.5%固體，介質密度：941kg/m3，輸送介質溫度：120℃，轉速2980r/min,流量：220m3/h，單級揚程：100m，級數8級，總揚程800m。該泵的葉輪口環、泵體口環、平衡套、平衡盤密封面激光熔覆鐵基合金，表面硬度HRC55-57,其密封涂層經受了18個月煤化工等領域洗滌塔流程系統中高含量顆粒介質的輸送的考驗，耐沖蝕性能與傳統的堆焊工藝相比提高，4-6倍。

圖6 激光熔覆后的高溫給水泵葉輪口環、泵體口環、平衡套、平衡盤

3、2500BL級高參數球閥

高參數特種耐磨球閥已廣泛應用于煤化工、煤制油、多晶硅、有機硅、石油、化工、電力及軍工等領域，絕大多數項目為國家重大工程項目。

久恒光電與美國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高參數球閥球體和閥座密封面，涂層的性能與PTA技術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。

圖7 2500BL級高參數球閥

六、 結語 

隨著現代科學技術和工業不斷發展，對零部件工作的環境也越來越趨于復雜化，表面性能的要求越來越高。泵閥產品在使用過程中，長期處于介質之中并受到介質的沖刷和腐蝕，硬度高、耐磨、耐腐蝕是產品必備的特性，采用激光熔覆工藝對高參數閥門密封面進行強化處理，與傳統工藝相比，密封面質量明顯提高，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現牢固的冶金結合、工藝過程可實現自動化等特點,將大大增泵閥產品的耐高溫、抗磨損、高密封和可靠性,延長其服役壽命,提高該類產品的科技含量和產品附加值,產品國產化,逐步替代進口閥門;有助于產業化升級和區域創新能力的提升,顯著的提升我國高端泵閥產品在國際市場上的競爭力,對提高我國泵閥產品在國際市場中的地位具有重要的意義。    

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