激光熔覆技术的产业化应用

离心泵广泛用于电力、冶金、煤炭、建材等行业输送含有固体颗粒的浆体，而阀门用于控制空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油品、液态金属和放射性介质等各种类型流体的流动，可以说没有泵阀就没有现代工业，泵阀产品在使用过程中，长期处于介质之中并受到介质的冲刷和腐蚀，要求工作面同时具有高硬度、高耐磨和耐腐蚀特点，这对泵阀的密封性能提出了更加严苛的要求，传统的表面强化工艺局限性凸显。

激光熔覆技术正逐渐发展成为研制和生产高端泵阀产品（如离心泵口环、平衡套、平衡盘、球阀、闸阀、调节阀等）的“杀手锏”，借激光之匙，正在开启高端泵阀产品应用市场的大门。

一、激光熔覆工艺与传统工艺的比较优势

传统上泵阀密封面主要有以下几种方式，1）镀硬铬：涂层厚度<0.1mm，主要用于软密封，易开裂剥；2）热喷焊：是目前硬密封的主流方式，涂层厚度1-1.5mm，热变形量大，涂层薄时易露白，涂层厚时层易脱落；3）弧焊：包括MIG、TIG、PTA，涂层厚度3-5mm，材料浪费大，稀释率高，硬度分布不均匀，组织粗大，易变形、易开裂；4）超音速冷喷涂：喷涂厚度0.5mm，粉末利用率低，界面结合强度≤80MPa，涂层为层状机械嵌合、致密度低。

激光熔覆工艺作为一种可以精确控制能量的制造技术，与传统工艺相比具有以下特点：1）强韧性好：细密的涂层结构同时兼顾强韧性，同等硬度下具有更好的耐磨性和一定的抗冲击能力；2）界面结合强度高：冶金结合，抗拉强度>500MPa，大于基体强度；3）稀释率低：激光熔覆的稀释率≦3%，同样的合金激光熔覆层的硬度比等离子熔覆高3-5HRC；4）熔覆层组织晶粒细小，熔覆层组织致密，无孔隙，具有各向同性 ；5）硬度均匀：表面没有软点，硬度差≦3HRC，有效层深内硬度一致性好。

图1表述了钴基合金STL12激光熔覆和等离子堆焊层深度方向的硬度分布图。图中的红色部分是激光熔覆硬度分布曲线，黑色是等离子堆焊硬度分布曲线，两条蓝色虚线分别代表各自的涂层/基材的界面。激光熔覆的有效层厚度为1.25mm，熔覆层内硬度分布均匀；等离子堆焊层的厚度为3.5mm，有效涂层厚度仅为1.25mm，稀释层厚度达到2.25mm，稀释层硬度显著下降，因此浪费了昂贵的涂层材料。图2是上述两种涂层的显微组织对比，可以看出激光熔覆层的枝晶更为细小，这得益于激光熔覆工艺比等离子堆焊工艺具有更高的冷速，摩擦磨损实验表明激光熔覆层拥有更优的耐磨性。

图1   钴基合金激光熔覆和等离子堆焊层深度方向硬度分布对比

图2    钴基合金激光熔覆层与等离子堆焊的显微组织比对

二、泵阀激光熔覆应用现状及水平

上世纪90年代华中科技大学王爱华、苏州大学石世宏等专家学者就进行了泵阀激光熔覆工艺和材料的研究，取得了很多成果，但是由于诸多因数的限制，泵阀硬密封面激光熔覆的产业应用一直未能取得突破。

2010年以来泵阀行业出现了企业同质化低水平竞争严重，低端通用产品相对过剩，高端泵阀市场难以进入的发展瓶颈，这促使越来越多的泵阀企业纷纷加大科技创新投入，向超零界、高低温、核电、煤化工等高端泵阀产品进军。

2012年温州建设国家级激光与光电产业集群，在温州市政府的大力推动下温州大学，浙江工贸职业技术学院，浙江工业大学，久恒光电与温州市众多泵阀企业开展了多个泵阀领域重大激光项目的合作研究。

浙江工业大学姚建华团队的“直接输出半导体宽光束激光熔覆Fe-C-Cr-Si-Mo合金组合制造阀门研究”获得了与基体具有良好冶金结合并且稀释率低的熔覆层，熔覆层平均硬度值达到640HV0.2,显著高于基体硬度170HV0.2，熔覆层的耐磨性提高了3倍左右。

南方阀门制造有限公司和吉林大学、浙江工贸职业技术学院合作开展了激光熔覆铁基合金技术研发工作，开发耐高温、抗磨损、高密封的超(超)临界阀门。

上述研究成果受加工成本、加工效率、质量稳定性等瓶颈的限制，产业化推广依然困难重重。

久恒光电与华中科技大学材料学院、瑞安市政府共同成立了瑞安市激光应用工程示范中心，从2014年开始开展泵阀激光熔覆产业化应用研究推广，经过多年的努力开发了一系列的材料、工艺，相继在产品成本，加工效率，批量加工的稳定性上取得突破，目前已为800台套工业离心泵和4000多台各类阀门的阀体、阀座提供了激光熔覆加工，涉及硅化工，煤化工，石油石化，电力，医药，生化，造纸等特殊工况的应用，产业化成果取得初步成效，同时也开发了一系列针对泵阀应用的专用激光熔覆设备。

图3 球阀阀体和阀座的激光熔覆

三、泵阀激光熔覆工艺和材料

激光熔覆在不同的工况下采用不同的基体材料，不同的基体材料熔覆工艺各不相同。常见的基体材料包括，碳钢铸件,低合金钢，铁素体钢，奥氏体不锈钢，马氏体不锈钢，镍和镍合金等。

泵阀产品是一种特殊的产品，很多应用场合涉及生产安全问题，泵阀密封面激光熔覆工艺必须符合一定的规范，以保证焊接过程的规范性，泵阀密封面激光熔覆工艺应充分考虑材料、结构形状、热处理性质等因素,为了规范泵阀产品的激光熔覆工艺，久恒光电根据自己多年的经验积累，起草了“泵阀密封面激光熔覆技术要求”的激光熔覆标准，对焊前预热温度及保温时间；激光熔覆层最小厚度、过渡层最小厚度； 焊后热处理温度、保温时间；稀释率的控制要求；激光熔覆基面的形状及尺寸都做出了相应的规定。

按 GB/T 22652 的规定在初次使用的粉末品种、初次使用的基体材料、新的产品结构、多层堆焊变更为单层堆焊等情况下进行激光熔覆工艺评定。

表1  基本材料预热温度

四、泵阀产品的三个典型应用案例

1、多晶硅耐磨球阀激光熔覆

多晶硅行业硅粉工段耐磨球阀，口径DN80，用于尾气回收装置替代进口耐磨球阀，介质为硅粉+氯硅烷，硅粉硬度为HRC63-65左右，介质温度为450℃，介质流速快，对阀门有较强的冲刷，此工况要求阀门具有极高的密封性能、耐冲刷性能及耐磨性能。久恒光电采用激光熔覆金属陶瓷超耐磨复合涂层技术，对球体的密封面进行激光熔覆，以替代原有的超音速喷涂WC涂层，涂层的显微结构如图5所示，该材料由镍基合金和WC组成，基体相的硬度为450-460HV，WC相的硬度在2100-2300HV，激光熔覆后WC颗粒完整且与基体相的界面呈冶金结合，致密度高、界面结合度高、耐磨性高。 与超音速喷涂相比，这种涂层结构具有很好的耐磨和耐冲刷性能，与基体之间呈冶金结合，不会出现开裂和剥落现象。

应用结果表明，原来所用进口阀门的使用不到寿命3个月，阀门因泄漏导致后续的工段负荷较重，影响装置的正常运行，无法满足现场的使用要求。采用激光熔覆技术的阀门于2016年12月份投入运行，历经3年多时间，密封性能稳定，质量稳定，开关到位，未出现其他不良问题，性能远超进口阀门，实现了阀门的替代进口。

图5 激光熔覆Ni/WC涂层与超音速喷涂WC涂层比对

2、煤化工高温给水泵激光熔覆

XXX能源化工有限公司高温给水泵，用于甲醇醋酸系列深加工工程气化装置中，输送介质：灰水，含有最大0.5%固体，介质密度：941kg/m³，输送介质温度：120℃，转速2980r/min,流量：220m³/h，单级扬程：100m，级数8级，总扬程800m。该泵的叶轮口环、泵体口环、平衡套、平衡盘密封面激光熔覆铁基合金，表面硬度HRC55-57,其密封涂层经受了18个月煤化工等领域洗涤塔流程系统中高含量颗粒介质的输送的考验，耐冲蚀性能与传统的堆焊工艺相比提高，4-6倍。

图6 激光熔覆后的高温给水泵叶轮口环、泵体口环、平衡套、平衡盘

3、2500BL级高参数球阀

高参数特种耐磨球阀已广泛应用于煤化工、煤制油、多晶硅、有机硅、石油、化工、电力及军工等领域，绝大多数项目为国家重大工程项目。

久恒光电与美国WALLCOLMONOY公司合作，在全球第一次采用Colmonoy 88镍基合金激光熔覆方式熔覆了60套2500BL高参数球阀球体和阀座密封面，涂层的性能与PTA技术相比具有更低的稀释率和更高的硬度，使球阀的整体性能得到很大提升。

图7 2500BL级高参数球阀

六、 结语 

随着现代科学技术和工业不断发展，对零部件工作的环境也越来越趋于复杂化，表面性能的要求越来越高。泵阀产品在使用过程中，长期处于介质之中并受到介质的冲刷和腐蚀，硬度高、耐磨、耐腐蚀是产品必备的特性，采用激光熔覆工艺对高参数阀门密封面进行强化处理，与传统工艺相比，密封面质量明显提高，耐磨差磨损性能得到极大提升，并具有处理的热变形小、熔覆层的厚度可控、涂层与基体金属可实现牢固的冶金结合、工艺过程可实现自动化等特点,将大大增泵阀产品的耐高温、抗磨损、高密封和可靠性,延长其服役寿命,提高该类产品的科技含量和产品附加值,产品国产化,逐步替代进口阀门;有助于产业化升级和区域创新能力的提升,显著的提升我国高端泵阀产品在国际市场上的竞争力,对提高我国泵阀产品在国际市场中的地位具有重要的意义。    

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