本發(fā)明涉及一種提高密封面耐沖蝕、耐擦傷和耐腐蝕特性的處理方法，經(jīng)激光熔覆和激光仿生微造型復(fù)合加工工藝，在材料和機(jī)械兩個(gè)方面上來(lái)提高密封面的綜合使用性能。

背景技術(shù)：

在核電廠、熱電廠、化工廠等存在大量的管道和閥門，這些管道之間需要法蘭進(jìn)行連接，需要閥門來(lái)控制管道內(nèi)介質(zhì)的通斷和流速。閥門通過(guò)閥門內(nèi)密封面的開(kāi)閉來(lái)控制管道內(nèi)介質(zhì)的流速和通斷，法蘭盤需要密封面來(lái)防止管道內(nèi)介質(zhì)的流出，這對(duì)法蘭的連接和閥門的關(guān)閉都有密封要求，因此法蘭和閥門的密封面都需要特殊處理。法蘭的密封面和閥門的密封面由于受到流體介質(zhì)的沖蝕和管道內(nèi)介質(zhì)中夾雜的顆粒磨損和腐蝕，主要會(huì)出現(xiàn)三種失效形式：沖蝕失效、擦傷失效、腐蝕失效。

沖蝕失效一般是指由外部機(jī)械力作用下使材料表面被破壞的現(xiàn)象。例如，核電閥門在工作過(guò)程中，其密封面不斷地受到高溫高壓的介質(zhì)沖擊，使密封面的材料產(chǎn)生疲勞破壞，最終使密封面失效。擦傷失效是指密封面相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，兩密封面之間比壓較高，密封面之間會(huì)產(chǎn)生較大的壓緊力，導(dǎo)致密封面之間產(chǎn)生“粘結(jié)”作用破壞閥門密封面；介質(zhì)中的硬質(zhì)顆粒的擠入，造成密封面“犁入”拉傷，也會(huì)破壞密封面。腐蝕失效是指密封面材料在酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì)的作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使密封面產(chǎn)生穿孔、麻點(diǎn)等形式的破壞。不同類型的閥門工況不一樣，其失效的主要形式亦有不同。截止閥、節(jié)流閥、安全閥、減壓閥、蝶閥等調(diào)節(jié)管路的流量和壓力，其密封面的失效形式主要為沖蝕、有擦傷。閘閥、球閥主要起接通和切斷管路各段介質(zhì)的作用、密封面相對(duì)運(yùn)動(dòng)比較多，其密封面失效形式主要為擦傷、有沖蝕。

為了使密封面具有抗沖蝕、耐擦傷、耐腐蝕等特性，現(xiàn)階段較為常見(jiàn)的閥門密封面處理方法是在閥門密封面堆焊或熔覆一層硬質(zhì)合金。傳統(tǒng)的密封面堆焊方法，例如手工電弧焊堆焊、氧—乙炔焰堆焊、鎢極氬焊堆焊、等離子弧堆焊，加工出的堆焊層質(zhì)量并不理想例如會(huì)出現(xiàn)晶粒粗大，組織疏松，堆焊層與基體連接不牢固。使用激光熔覆技術(shù)在密封面基體熔覆一層硬質(zhì)合金可以改善熔覆層的加工質(zhì)量，但對(duì)于一些特殊工況的密封面，激光熔覆加工的耐沖蝕、耐擦傷和耐腐蝕效果不是很理想，僅僅使用激光熔覆技術(shù)很難有效的提高密封面的耐沖蝕、耐擦傷、耐腐蝕特性，例如核電閥門的密封面會(huì)受到高溫高壓介質(zhì)的沖擊，其密封面經(jīng)常會(huì)發(fā)生沖蝕失效和擦傷失效，因此需要一種新的激光復(fù)合處理方法來(lái)有效的提高閥門密封面的使用性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決目前密封面加工方法存在的不足，本發(fā)明一種分別從材料和機(jī)械兩個(gè)方面來(lái)提高密封面耐沖蝕、耐擦傷和耐腐蝕的特性的密封面處理方法。

本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種密封面激光復(fù)合處理方法，先用激光熔覆技術(shù)在密封面熔覆一層硬質(zhì)合金，然后對(duì)密封面進(jìn)行精加工使密封面達(dá)到設(shè)計(jì)的表面粗糙度和幾何精度，接著對(duì)精加工后的密封面進(jìn)行分區(qū)異構(gòu)仿生微造型。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：以通過(guò)以下步驟來(lái)實(shí)施：

（1）將密封面基體加工到工藝設(shè)計(jì)的尺寸精度幾何精度和表面粗糙度；

（2）根據(jù)密封面基體的材料和熔覆層厚度確定激光熔覆的光斑大小、激光功率、送粉速度、激光熔覆速度，根據(jù)密封面的幾何形狀確定激光熔覆表面成型路徑，然后對(duì)密封面進(jìn)行激光熔覆；

（3）對(duì)熔覆后的密封面進(jìn)行車削加工、磨削，使之密封面達(dá)到設(shè)計(jì)的尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度；

（4）根據(jù)密封面不同部分的失效形式對(duì)密封面表面進(jìn)行分區(qū)異構(gòu)仿生微造型，加工減阻減磨仿生微造型時(shí)根據(jù)仿生微造型的尺寸、熔覆層的材料確定激光仿生微造型激光加工工藝，根據(jù)仿生微造型在密封面的分布情況確定激光的掃描路徑；

（5）對(duì)密封面進(jìn)行激光仿生微造型后處理，磨去因激光加工產(chǎn)生的凸起和熔渣。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：步驟（4）中，根據(jù)密封面不同部分的失效形式對(duì)密封面表面進(jìn)行分區(qū)異構(gòu)仿生微造型，即為在密封面容易受到?jīng)_蝕的區(qū)域加工出減阻仿生微造型，在容易受到擦傷磨損的區(qū)域加工出減磨仿生微造型。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：用激光熔覆一層硬質(zhì)合金時(shí)，熔覆使用的冶金粉末有鎳基冶金粉末、鐵基冶金粉末、鈷基冶金粉末和陶瓷粉末，熔覆的激光掃描方式為旋轉(zhuǎn)掃描，熔覆的激光功率為100-8000w，光束直徑0.6-4mm，進(jìn)給速度200-2000mm/min，粉末束流1-30g/min，保護(hù)氣體為ar或he。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：減磨仿生微造型的凹坑直徑d=10-500um，凹坑深度h=1-100um，面積占有率為5%-45%，形貌間距s=200-400um。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：減阻仿生微造型的凹坑直徑d=0.01-3mm，凹坑深度h=0.005-1.5mm，面積占有率為15%-75%，形貌間距s=0.2-3mm。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：減阻仿生微造型是根據(jù)仿生學(xué)設(shè)計(jì)的微觀形貌，有圓形凹坑、條紋形狀、凹槽狀。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：減磨仿生微造型為圓形凹坑、橢圓形凹坑。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：仿生微造型是利用半導(dǎo)體激光器熔覆和精加工后密封面表面進(jìn)行仿生微造型加工，具體激光加工參數(shù)：激光波長(zhǎng)300nm-1064nm，離焦量[-1.2,1.2]mm，激光能量密度為：10⁶-10⁸w/cm²，輔助氣體為氮?dú)饣蚝?，輔助氣體吹氣角度與工件法向呈0°-60°。

本發(fā)明兼具激光熔覆和激光仿生微造型兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。在密封面用激光熔覆加工出的熔覆層具有晶粒細(xì)小、內(nèi)部組織致密、熔覆層稀釋率大小可把控、基體受熱變形小等優(yōu)點(diǎn)，而且熔覆的硬質(zhì)合金具有耐腐蝕耐高溫的特性。在熔覆層表面加工出的分區(qū)異構(gòu)仿生微造型是根據(jù)密封面不同部位的不同失效形式設(shè)計(jì)出的仿生微造型。這些仿生微造型是基于仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）激光仿生微造型具有減阻減磨的特性，可以降低流體對(duì)密封面的沖蝕作用；

（2）對(duì)于會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的密封面，激光仿生微造型的凹坑凹槽可以儲(chǔ)存流體介質(zhì)防止密封面“粘連”產(chǎn)生拉傷和擦傷；

（3）對(duì)于會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的密封面，仿生微造型中的凹坑凹槽可以捕捉流體介質(zhì)中的磨粒，防止磨粒對(duì)密封面的沖蝕和犁傷。

本發(fā)明一種密封激光復(fù)合處理方法復(fù)合和激光熔覆和激光仿生微造型兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步提高了密封面耐沖蝕、耐擦傷和耐腐蝕的性能。

因?yàn)榧す馊鄹彩窃霾闹圃?，在使用激光熔覆前需要?duì)密封面基體進(jìn)行切削加工，為激光熔覆提供預(yù)留空間。使用激光熔覆技術(shù)在密封面熔覆一層硬質(zhì)合金，熔覆使用的冶金粉末為鎳基粉末或鐵基粉末或鈷基粉末。密封面的形狀多為回轉(zhuǎn)體，激光熔覆時(shí)的掃描軌跡為旋轉(zhuǎn)掃描。送粉方式為：對(duì)于尺寸較小密封面使用預(yù)置粉末的送粉方式，對(duì)于尺寸較大的密封面采用同軸或旁軸送粉。在激光熔覆過(guò)程中要通過(guò)氦氣或氬氣進(jìn)行氣保護(hù)。

由于激光熔覆后的表面粗糙度比較大，密封面激光熔覆后需要對(duì)表面進(jìn)行磨削加工，使密封面達(dá)到相應(yīng)的表面粗糙度和形狀精度。磨削后的熔覆層厚度要大于仿生微造型的深度。

附圖說(shuō)明：

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是球閥結(jié)構(gòu)圖；

圖3是分區(qū)異構(gòu)仿生微造型的閥芯示意圖；

圖中標(biāo)號(hào)：1-熔覆層、2-閥芯基體、3-閥座a、4-閥芯、5-閥座b、6-減磨仿生微造型、7-減阻仿生微造型。

具體實(shí)施方式：

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中描述的元素和特征可以與一個(gè)或更多個(gè)其它實(shí)施方式中示出的元素和特征相結(jié)合。應(yīng)當(dāng)注意，為了清楚的目的，說(shuō)明中省略了與本發(fā)明無(wú)關(guān)的、本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的部件和處理的表示和描述。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明一種密封面的激光復(fù)合處理方法可以用于法蘭密封面、閥門密封面、機(jī)械密封面的處理。本發(fā)明以核電球閥密封面為對(duì)象來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方法。

如圖1至圖3表示了以核電球閥閥芯閥座為實(shí)例講述本發(fā)明的具體實(shí)施方法。如圖1所示首先將閥芯加工到工藝要求的幾何精度和表面粗糙度，然后在閥芯基體2上熔覆一層硬質(zhì)合金，然后對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行磨削加工達(dá)到相應(yīng)的幾何精度和表面粗糙度，然后對(duì)精加工后的熔覆層進(jìn)行分區(qū)異構(gòu)仿生微造型。

以核電球閥作為具體實(shí)例來(lái)講述本發(fā)明的實(shí)施。

步驟1：將球形閥芯閥座加工到工藝設(shè)計(jì)的尺寸精度幾何精度和表面粗糙度；

步驟2：對(duì)球閥芯閥座的密封面進(jìn)行激光熔覆，在圖2所示閥座a3和閥座b5的端面和閥芯4球體表面進(jìn)行激光熔覆，熔覆冶金粉末選用鎳基冶金粉末。熔覆的激光功率為2500w，光束直徑3mm，進(jìn)給速度500mm/min，粉末束流15g/min，保護(hù)氣體為氬氣，送粉方式為同軸送粉。閥座的激光掃描方式是閥座旋轉(zhuǎn)，激光熔覆頭沿垂直于閥座端面徑向進(jìn)給。閥芯球體的掃描方式是閥芯旋轉(zhuǎn)，激光熔覆頭沿圓周方向進(jìn)給，進(jìn)行球面的熔覆，熔覆層厚度3mm。

步驟3：對(duì)閥芯閥座進(jìn)行加工使之設(shè)計(jì)的尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度。對(duì)閥芯閥座的熔覆表面進(jìn)行磨削加工，使表面粗糙度達(dá)到ra0.4；

步驟4：對(duì)閥芯表面進(jìn)行分區(qū)異構(gòu)仿生微造型。由于核電球閥內(nèi)通過(guò)高溫高壓的流體介質(zhì)，球閥的閥芯經(jīng)常受到介質(zhì)的沖蝕，而且閥芯與閥座相對(duì)運(yùn)動(dòng)，閥芯表面存在磨損。如圖3所示在減磨仿生微造型6區(qū)域加工出減磨仿生微造型，在減阻仿生微造型7區(qū)域加工出減阻仿生微造型。減磨仿生微造型的形狀為球形凹坑，凹坑直徑為500μm，凹坑深度200μm，仿生微造型面積占有率20%。減阻減磨仿生微造型的形狀為球形凹坑，凹坑直徑為2mm，凹坑深度1m，仿生微造型面積占有率30%。激光加工工藝參數(shù)為：激光器種類為半導(dǎo)體激光器，激光波長(zhǎng)980nm，離焦量1.2mm，激光能量密度為：10⁷w/cm²，輔助氣體為氮?dú)?，輔助氣體吹氣角度與工件法向呈30°，仿生微造型的表面成型運(yùn)動(dòng)是工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，激光頭做圓心為工件球心的圓周運(yùn)動(dòng)，工件每旋轉(zhuǎn)一定角度，激光頭便發(fā)出一個(gè)脈沖激光，當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)一圈后，激光頭沿圓周移動(dòng)一定距離，以此方式在工件表面加工出仿生微造型；

步驟5：閥芯摩擦表面仿生微造型處理后要進(jìn)行光磨外圓，凹坑以外的平面表面粗糙度ra=0.4。

對(duì)熔覆加工后的密封面進(jìn)行仿生微造型。仿生微造型有兩種，一種為減阻仿生微造型，主要用于減少流體介質(zhì)對(duì)閥芯的沖蝕作用，減阻仿生微造型的形貌為圓形凹坑，凹坑直徑d=0.01-3mm，凹坑深度h=0.005-1.5mm，面積占有率為15%-75%，形貌間距s=0.2-3mm。

另一種為減磨仿生微造型，主要用于提高密封面的耐磨性，凹坑直徑d=0.01-3mm，凹坑深度h=0.005-1.5mm，面積占有率為15%-75%，形貌間距s=0.2-3mm。這兩種仿生微造型都具有收集磨粒防止磨粒犁傷密封面的作用。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：雖然以上已經(jīng)詳細(xì)說(shuō)明了本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，但是應(yīng)當(dāng)理解在不超出由所附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以進(jìn)行各種改變、替代和變換。而且，本發(fā)明的范圍不僅限于說(shuō)明書(shū)所描述的過(guò)程、設(shè)備、手段、方法和步驟的具體實(shí)施例。本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員從本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容將容易理解，根據(jù)本發(fā)明可以使用執(zhí)行與在此所述的相應(yīng)實(shí)施例基本相同的功能或者獲得與其基本相同的結(jié)果的、現(xiàn)有和將來(lái)要被開(kāi)發(fā)的過(guò)程、設(shè)備、手段、方法或者步驟。因此，所附的權(quán)利要求旨在在它們的范圍內(nèi)包括這樣的過(guò)程、設(shè)備、手段、方法或者步驟。