激光熔覆甲胺泵进排液阀零件密封面

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发布时间:2017年6月17日

 摘 要:采用激光熔覆技术对尿素生产线上的甲胺泵进排液阀零件密封面进行强化。使用5kW横流CO2激光器对预置于基材为Cr18Ni12Mo2Ti不锈钢的阀体阀盖零件密封面上的Co基自熔合金粉末进行单道扫描,得到的激光熔层表面光整,厚度为2mm,基体无变形。激光熔覆层消除了气孔、裂纹、夹杂物等缺陷,其组织致密,晶粒度细小,硬度和强韧性更高。熔层与基体实现了冶金结合。

    关键词:激光熔覆;进排液阀;表面强化

    1 前言

    尿素生产线上的甲胺液具有极强的腐蚀性,这类腐蚀性液体所经过的主要设备管线和控制元件的内件大多采用各种耐酸不锈钢制造。对这类元件或对其工作表面进行强化处理,以提高其工作性能和延长工作寿命,增强系统的可靠性和安全性,具有重要的意义。

    本文采用大功率激光器,对甲胺泵进排液阀密封面进行了激光熔覆强化试验,并进行了检测分析和使用验证。

    2 甲胺泵进排液阀的结构与工况

    甲胺泵进排液阀的工况条件是:工作介质为氨基甲酸铵,压力范围1.7~20MPa(17~200kgf/cm2),介质温度188~200℃,阀体阀盖密封面冲击力20MPa,冲击频率50~70r/min。从结构上看,阀体比阀盖更为复杂,圆柱型阀体上有数十个通孔或盲孔,阀体两端面孔系间分别有两个狭窄的同心环形密封面,尺寸为(φ132×2.5)mm+(φ95×3.5)mm和(φ83×4.5)mm+(φ50×4.5)mm。阀体与阀盖的材料均为Cr18Ni12Mo2Ti。采用火焰、电弧堆焊、等离子喷焊等工艺来强化这种狭窄的密封面都有施焊困难,热影响大,易使工件变形和产生内应力等。故密封面一直未作任何强化处理。由于密封面的冲击磨损、垫伤和腐蚀变形等造成阀门使用寿命短,从而停机次数多,工人劳动强度高,原材料消耗大。

    3 激光熔覆试验

    密封面涂层采用市售的Co基粉末,使用2123酚醛树脂为粘接剂,用酒精调和并预置于加工面上,预涂层厚度为2mm,试验先在同种材料的试块或模拟件上进行,最后在零件上做。加工机为HGL-90型5kW横流CO2激光器,其输出光束波长为10.6μm,导光系统由光闸、反射镜和砷化镓(GaAs)晶体透镜组成。聚焦后的激光束对在试件环形表面上的预涂层进行单道激光扫描,工艺参数为:激光功率P=2~3kW,扫描速度V=6~10mm/s,光斑尺寸φ=4~6mm。激光束能量分布形式为“高斯分布”,无保护气体。试件由MNC801型数控回转工作台驱动。一般体积较小或形状较简单的零部件不需进行预热和后处理,对于体积较大的阀体零件需进行预热与熔覆后的退火处理,以防熔层开裂和消除应力。

    4 试验结果与分析

    4.1 熔覆层的微观结构

    图1是激光熔覆处理的熔层在结合面附近的金相组织形貌,沿加工面垂直方向可分为熔化区、互熔结合区和基体3个区域。从互熔结合区看,图1所示激光熔层与基体间为一细窄的结合带,其带宽约为10~30μm。如控制好能量密度与扫描速度,可使熔层与基体不但牢固结合,互熔区小,而且对基体热影响小。图2为激光处理的熔层中上部金相组织形貌,可见激光熔层以枝晶状显微组织为主,其组织细密均匀,晶粒度测定为10~12级。由图1、2可见熔层比基体的组织要细密得多,组织细密能提高晶界结合力和抗腐蚀能力,增加熔覆层的强韧性。

  图一图二

    图1 激光熔层热影响区附近 ×320 图2 激光熔层中上部金相组织 ×320

    4.2 熔层厚度与质量

    在本试验中,激光熔覆层厚度能达到2mm,熔层表面较光滑平整。环形密封面的平整度可控制在0.4mm以下。熔层表面粗糙度达到Ra6.3μm,用X2005型X射线仪对零件激光熔层探伤,未发现缺陷,成品率可大于95%。图3为激光熔覆后的阀体阀盖。

图三

图3 激光熔覆后的阀体阀盖

    4.3 熔层成分与硬度

    激光熔覆工艺由于高能热源的快速作用,熔层合金在瞬间熔化和凝固,对基体热影响小,熔层与基体元素互扩散小,有效地保证了熔层设计成分较少被基体稀释和向基体扩散。大的过冷度使熔层硬度大大提高,密封面硬度还取决于粉末成分,熔覆方法与工艺参数,可根据需要控制和调节。本试验的阀体阀盖密封面硬度为40~48HRC。

    4.4 熔层耐磨耐腐蚀性能

    在MM200型磨损试验机上对熔覆层与阀体分别取样进行了耐磨性能的对比测试。其测试条件为:两种试样各制取6片,3片为一组。激光或等离子试样固定不动。对磨件转速400r/min,硬度为56HRC,加载294N(30kgf),磨损时间4h。用万分之一天平,对每组试片试验前后进行称重,取平均值,用千分之一测量显微镜测量磨痕宽度,取每组的平均值。结果激光熔覆层的耐磨性比基体的高10倍以上。在不同溶液中进行的腐蚀试验也说明激光熔覆强化层的抗腐蚀性能不低于基体。

    5 结语

    采用大功率激光熔覆工艺可对甲胺泵进排液阀零件密封面进行强化,激光强化的熔层表面光整,熔层与基体实现了可靠的冶金结合,基体受热影响小,基本无变形。熔层成分稀释率和扩散率最小,可有效保持和发挥合金成分的功能。激光熔覆层组织致密,晶粒细小,硬度和强韧性更高。

    装机运行说明,经激光熔覆强化的甲胺泵进排液阀密封面在强腐蚀、频繁冲击、较高温度和高压力的工况下,其使用寿命为原来未经激光熔覆强化的2~3倍,提高了系统的可靠性与安全性。

    由于激光束能量高而集中,对非强化部位和环境热影响小,操作控制方便;还由于激光的平行性和非接触柔性加工方式等优点,故对于很多重要零件表面,特别是传统工艺不能或不便加工的表面,激光强化工艺具有明显的优势。

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