專利名稱：鎳基合金和具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鎳基合金和具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門及制備方法， 屬于金屬材料的表面改性領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
不銹鋼因具有優(yōu)良的耐蝕性和力學(xué)性能，廣泛用于石油化工、反應(yīng)堆及核電站 中各種耐酸閥門及高溫高壓閥門的制造。由于運(yùn)行過(guò)程中各種介質(zhì)具有較強(qiáng)的腐蝕 性甚至放射性，同時(shí)闊門密封面在啟閉過(guò)程中頻繁經(jīng)受摩擦、擠壓和撞擊作用，閥 門的密封面很容易遭到破壞，而大大縮短閥門的使用壽命，而且介質(zhì)的滲漏可能造 成停工停產(chǎn)、環(huán)境污染甚至造成惡性事故的發(fā)生。因此，不銹鋼閥門的密封面不僅 要求具有良好的抗腐蝕性，而且具有高的硬度、抗擦傷能力和抗熱震性能及抗撞擊 性能。
不銹鋼閥門的密封面一般采用直接在閥體上進(jìn)行電弧、火焰堆焊及等離子堆焊 高性能合金層的工藝進(jìn)行強(qiáng)化，所用的合金原料主要為Fe基、Ni基及Co基自熔合金 粉末，這些自熔合金粉末在基體元素的基礎(chǔ)上，添加Cr、 B、 Si、 C、 Mo、 W等元素， 合金粉末的熔點(diǎn)低，自熔性好，具有耐蝕、耐磨、耐熱、抗氧化等性能。而有些應(yīng) 用場(chǎng)合對(duì)密封面強(qiáng)化層的成分有嚴(yán)格的要求，如核工業(yè)用閥考慮閥門使用壽命的長(zhǎng) 期可靠性，常采用鈷基合金作密封面，但是鈷可因中子輻照引起二次放射，而不利 于反應(yīng)堆工作;B具有很強(qiáng)的中子吸收能力，容易產(chǎn)生輻照脆化和腫脹效應(yīng)。Stellite 公司開發(fā)出不含B的Tribaloy T-700合金，其成分為(wt.%): Fe^3. 0， Mo:32. 5， Cr:15.5， Si:3.4， Co:L5， C幼.08， Ni:余量。
與現(xiàn)有電弧、火焰堆焊及等離子堆焊工藝相類似，激光熔覆技術(shù)通過(guò)高功率激 光熔化同步輸送的熔覆材料，同時(shí)基體表面一薄層發(fā)生熔化，利用基體自身的冷卻 作用在基體表面獲得與基體結(jié)合良好的合金層。激光熔覆與上述工藝技術(shù)相比具有 如下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)l.可以實(shí)現(xiàn)高精度的熔覆沉積，材料利用率高；2.熔覆層的厚度 和寬度可通過(guò)多層多道搭接熔覆進(jìn)行可靠控制；3.能量集中，對(duì)基體的熱輸入小， 熔覆層的稀釋率低，對(duì)基體的熱影響和變形?。?.激光熔覆合金強(qiáng)化層與基體為完
全的冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高；5.激光熔覆過(guò)程是一快速凝固過(guò)程，熔覆層的組織完 全致密、無(wú)氣孔，具有更高的硬度和耐磨耐蝕性能。
目前針對(duì)不銹鋼閥門密封面激光熔覆強(qiáng)化主要采用預(yù)置鈷基及鎳基合金粉末 的粉末供給方法。粉末預(yù)置方法一般只適合在材料表面熔覆一層材料，熔覆層的厚 度受到限制，粉末如鋪置太厚，熔覆時(shí)很難保證涂層與基體的冶金結(jié)合和良好的涂 層性能；粉末預(yù)置方法在進(jìn)行多層熔覆制備較厚合金層時(shí)，不能保證熔覆過(guò)程的連 續(xù)性，工藝較為繁瑣；通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在激光熔覆Tribaloy T-700合金時(shí)，由于合 金層的韌性較差，熔覆層極易開裂；另外，Tribaloy T-700合金及上述的鈷基及鎳 基合金中含有Co或者B，不能滿足某些核工業(yè)用閥門密封面強(qiáng)化層不能含有B和Co的 嚴(yán)格要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于不銹鋼閥門密封面合金層的鎳基合金。 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門，該鎳基 合金層密封面不含B和Co、具有高硬度、良好抗熱震和抗撞擊性能。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種制備具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門的方法。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案達(dá)到的-
一種用于不銹鋼閥門密封面合金層的鎳基合金，該鎳基合金的成分和含量為 C:1.0-1.5wt%, Cr:17. 5-19. 5 wt%， Mo: 7. 0-9. 0 wt%， W:3. 5-4. 5 wt%， Nb:l. 5-2.5 wt%， Si:2.0-3.0 wt%， Ni:余量。所述鎳基合金粉末成分中不含B和Co。
上述的鎳基合金為粉末狀，粉末粒度范圍為-100目~+325目。
一種具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門，將上述的鎳基合金的粉末通過(guò)激光 熔覆方法在不銹鋼閥門上形成密封面鎳基合金層。
在本發(fā)明的具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門中，所述的鎳基合金層與不銹 鋼基體為冶金結(jié)合，無(wú)裂紋、氣孔；所述的鎳基合金層包含有鎳基固溶體枝晶、枝 晶間金屬碳化物和金屬硅化物，該鎳基合金層的硬度為冊(cè)C43-49。
在本發(fā)明的具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門中，所述的不銹鋼基體為 lCrl8Ni9Ti或OCrl8NilOTi奧氏體不銹鋼材料。
一種制備具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門的方法，其特征在于采用激光 熔覆同步輸送上述的鎳基合金的粉末，在不銹鋼閥門上制備出所需長(zhǎng)度、厚度和寬
度的鎳基合金層密封面。
在本發(fā)明的制備具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門的方法中，激光熔覆同步 輸送鎳基合金粉末時(shí)，與激光方向同軸輸送鎳基合金粉末或與激光方向的側(cè)向(即 輸送鎳基合金粉末方向與激光方向成一定的角度，該角度為0。 30。)輸送鎳基合金 粉末，輸送鎳基合金粉末的載氣為氬氣。
在本發(fā)明的制備具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門的方法中，所述的激光熔 覆方法為多層多道搭接激光熔覆或多層單道激光熔覆。
單道激光熔覆指激光熔覆時(shí)激光束相對(duì)基體運(yùn)動(dòng)后，在基板上得到與運(yùn)動(dòng)軌跡 一致的一條熔覆道；多層單道激光熔覆指掃描完一道后，熔覆材料的厚度不夠時(shí)， 在同一運(yùn)動(dòng)軌跡往復(fù)掃描多次，而使熔覆材料的厚度不斷增加的過(guò)程(指熔覆層高 度方向的累積)。多道搭接激光熔覆指為實(shí)現(xiàn)待熔覆表面的覆蓋，在形成一道熔覆道 后，平行于己形成熔覆道的軌跡進(jìn)行熔覆，相鄰熔覆道中心線之間的距離為熔覆道 間距(指熔覆道寬度方向的累積)；多層多道搭接激光熔覆指先通過(guò)多道搭接實(shí)現(xiàn)待 熔覆表面的覆蓋，再通過(guò)多層熔覆來(lái)實(shí)現(xiàn)熔覆層厚度的增加。
在本發(fā)明的制備具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門的方法中，所述鎳基合金 粉末通過(guò)氣霧化工藝制備，所述的鎳基合金為粉末狀，粉末粒度范圍為-100目~+325 目。
在本發(fā)明的制備具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門的方法中，激光熔覆所使 用的激光功率為1.0kW 4.0kW;激光光斑直徑為2. 0mm 4. Omm;激光掃描運(yùn)動(dòng)速度 為2mm/s 10mm/s。輸送鎳基合金粉末速率為3. 0g/min 8. Og/min，輸送鎳基合金粉 末方向與激光方向所成的角度為0° 30°，輸送鎳基合金粉末的載氣(氬氣)流量為 1. 5L/min 2. 5 L/min。在激光熔覆方法中，熔覆道間距為1. 8mm 3. Omni;熔覆層的 厚度為1.0mm 4.0mm，可通過(guò)熔覆層數(shù)及激光熔覆工藝參數(shù)加以控制；熔覆道長(zhǎng)度 及寬度是根據(jù)所需熔覆層的尺寸來(lái)決定并通過(guò)多道搭接來(lái)實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的有益效果-
本發(fā)明針對(duì)核工業(yè)用不銹鋼闊門，提出一種在不銹鋼閥門密封面制備高性能鎳 基合金層的方法及合金的成分，即本發(fā)明針對(duì)某些核工業(yè)用閥門密封面強(qiáng)化層的成 分限制及目前粉末堆焊技術(shù)存在的對(duì)基體熱影響大、涂層稀釋率高、涂層性能低， 以及激光瑢覆預(yù)置粉末存在的熔覆層厚度受限制和熔覆層開裂等問(wèn)題，提出采用激 光熔覆同步輸送的鎳基合金粉末的方法在不銹鋼閥門密封面制備不含B和Co及具有
較高硬度、良好的抗熱震性能的合金強(qiáng)化層，鎳基合金強(qiáng)化層與不銹鋼基體為完全 的冶金結(jié)合，無(wú)裂紋、氣孔等缺陷，合金層由鎳基固溶體枝晶、枝晶間金屬碳化物 和金屬硅化物等組成，可用于某些核工業(yè)用不銹鋼閥門密封面強(qiáng)化層的制備。
本發(fā)明適用的材料包括lCrl8Ni9Ti、 0Crl8Nil0Ti等奧氏體不銹鋼，熔覆的材料 為氣霧化制備的鎳基合金粉末，鎳基合金粉末的成分為(wt.%): C:1.0-1.5， Cr:17. 5-19. 5, Mo:7. 0—9.0' W:3. 5-4. 5， Nb:1.5-2. 5， Si:2. 0—3. 0， Ni:余量。激 光熔覆鎳基合金強(qiáng)化層的硬度在HRC43-49，熔覆處理樣品(0Crl8Ni9Ti不銹鋼基體 厚度15咖，熔覆層尺寸為105咖長(zhǎng)x20麗寬x3. 5畫高，激光熔覆4層，每層10道)經(jīng) 加熱到400'C保溫10min后淬入水中，如此經(jīng)過(guò)10次循環(huán)后，強(qiáng)化層未出現(xiàn)開裂、脫 落現(xiàn)象，表明該合金強(qiáng)化層具有良好的抗熱震性能。
此方法利用激光熔覆過(guò)程的快速凝固作用，所獲得強(qiáng)化層組織比等離子堆焊涂 層組織細(xì)小且均勻，涂層具有更高的硬度；同時(shí)激光瑢覆時(shí)基體表面一薄層發(fā)生熔 化，保證了合金強(qiáng)化層與基體的高可靠結(jié)合；合金層的成分通過(guò)在鎳中加入Cr、 Mo、 W、 Nb、 C、 Si等元素，實(shí)現(xiàn)了鎳的固溶強(qiáng)化，同時(shí)在合金層中生成具有高硬度的金 屬硅化物和金屬碳化物，使合金層硬度得到進(jìn)一步提高；使用該方法制備的涂層成 分中不含B和Co，具有較高的硬度(HRC43-49)、良好的抗熱震性能，可用于某些核 工業(yè)用不銹鋼閥門密封面的制備。
下面通過(guò)附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)該理解的是，所述的實(shí)施例 僅僅涉及本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍情況下，合理的工 藝調(diào)整和改進(jìn)都是可能的。


圖l為本發(fā)明實(shí)施例l在lCrl8Ni9Ti不銹鋼基體上多層單道激光熔覆鎳基合金 層的截面形貌及組織；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例2在lCrl8Ni9Ti不銹鋼基體上多層多道激光熔覆鎳基合金 層的截面形貌、熔覆層X(jué)射線衍射結(jié)果及SEM組織形貌；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例3在0Crl8Nil0Ti不銹鋼基體上多層多道激光熔覆鎳基合金 層的表面外觀及截面組織。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l:用本發(fā)明的鎳基合金在lCrl8Ni9Ti不銹鋼基體上多層單道激光熔覆 制備鎳基合金層。
實(shí)施例l中所采用鎳基合金粉末的成分和含量為(wt.%): C:1.38， Cr:18.5， Mo:8. 2， W:3. 9， Nb:2. 0， Si:2. 6， Ni:余量。該鎳基合金粉末通過(guò)氣霧化工藝制備， 粉末粒度范圍為-100目 +325目。
利用激光熔覆氣霧化鎳基合金粉末，通過(guò)多層單道往復(fù)掃描在lCrl8Ni9Ti不銹
鋼基體上制備鎳基合金層。激光熔覆的工藝參數(shù)為激光功率3. 0kW，光斑直徑3. Omm，
送粉速率為5. 7g/min，送粉載氣(氬氣)流量為2L/min，熔覆道長(zhǎng)50mm。圖la (即
圖l中的四張圖中標(biāo)示a的圖，圖lb、圖lc、圖ld均分別為標(biāo)示b、 c、 d的圖)為5mm/s
掃描運(yùn)動(dòng)速度條件下6層單道熔覆層沿熔覆道中心線剖面的低倍形貌，圖lb為相應(yīng)的
金相組織，熔覆層的高度約2. lmm，硬度為HRC49;圖lc為3mm/s掃描運(yùn)動(dòng)速度條件下
IO層單道熔覆層截面的金相組織，熔覆層硬度為HRC48. 2;圖ld為7mm/s掃描運(yùn)動(dòng)速
度條件下10層單道熔覆層截面的金相組織，熔覆層硬度為HRC43.5;可見(jiàn)，熔覆層組
織致密，沒(méi)有裂紋、氣孔等缺陷，熔覆層與基體為完全的冶金結(jié)合。
其中，在圖la中，所述的6層單道是指熔覆時(shí)基體沿某一方向往復(fù)直線掃描各3 次(掃描長(zhǎng)度50毫米)，意味指熔覆軌跡上每1點(diǎn)激光掃描了6次；在圖lc中、圖ld， 所述的10層單道是指熔覆時(shí)基體沿某一方向往復(fù)直線掃描各5次(掃描長(zhǎng)度50毫米)， 意味指熔覆軌跡上每1點(diǎn)激光掃描了10次。
實(shí)施例2:用本發(fā)明的鎳基合金在lCrl8Ni9Ti不銹鋼基體上多層多道搭接激光 熔覆制備鎳基合金層。
實(shí)施例2中所采用鎳基合金粉末與實(shí)施例1所用鎳基合金粉末相同。
采用多道搭接方式，在lCrl8M9Ti不銹鋼基體上制備多層多道搭接激光熔覆鎳 基合金層。該實(shí)施例2的激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率3.0kW，光斑直徑3.0mm，掃 描運(yùn)動(dòng)速度6咖/s，送粉速率5. 7g/min，送粉載氣(氬氣)流量為2L/min，熔覆道長(zhǎng) 度50mm，熔覆道間距2.8mm，共熔覆3層，每層內(nèi)6道搭接，所得熔覆層的尺寸為50mm (長(zhǎng))xl8mm (寬)x2. 3mm (厚)，熔覆層硬度為服C48。圖2a (即圖2中的三張圖中 標(biāo)示a的圖，圖2b、圖2c均分別為標(biāo)示b、 c的圖)為該實(shí)施例2中的3層6道搭接激光 熔覆層截面的宏觀形貌；圖2b為上述激光熔覆鎳基合金層表面磨光后的X射線衍射分 析結(jié)果，經(jīng)分析得知，本發(fā)明在lCrl8Ni9Ti不銹鋼基體上多層多道激光熔覆鎳基合 金層由鎳基固溶體及一定量的金屬碳化物和金屬硅化物組成；圖2c為該實(shí)施例2中的 激光熔覆層的SEM組織形貌，其中灰色組織為鎳基固溶體枝晶，白色細(xì)小顆粒狀組織 為枝晶間金屬碳化物和金屬硅化物。
本實(shí)施例2中所述的3層6道搭接是指先在基體表面平行搭接掃描6道(掃描道長(zhǎng) 50mm)，每道間距2. 8mm，掃描完一層再在已熔覆材料上繼續(xù)掃描兩層,最后得到熔覆 面積為50mm (長(zhǎng))xl8mm (寬)x2. 3mm (厚)的熔覆層。
實(shí)施例3:用本發(fā)明的鎳基合金在0Crl8Nil0Ti不銹鋼基體上多層多道搭接激 光熔覆制備鎳基合金層。
實(shí)施例3中所采用鎳基合金粉末與實(shí)施例1所用鎳基合金粉末相同。
采用多道搭接方式，在15mm厚0Crl8Nil0Ti不銹鋼基體上制備多層多道搭接激光 熔覆層。該實(shí)施例3的所用激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率1.8kW，光斑直徑3.0min， 掃描運(yùn)動(dòng)速度4mm/s，送粉速率4. 8g/min，送粉載氣(氬氣)流量為2L/min，熔覆道 長(zhǎng)度105mm，熔覆道間距2.0mm，共熔覆4層，每層內(nèi)10道搭接，所得熔覆層的尺寸為 105mm (長(zhǎng))x20mm (寬)x3. 5mm (厚)。圖3a (即圖3中的三張圖中標(biāo)示a的圖，圖 3b為標(biāo)示b的圖)為該實(shí)施例3中的4層10道搭接激光熔覆層的宏觀形貌，熔覆層表面 平整，沒(méi)有出現(xiàn)裂紋。圖3b為該實(shí)施例3中的熔覆層的截面金相組織；經(jīng)測(cè)試，熔覆 層的硬度為HRC46. 3;采用相同的工藝參數(shù)可穩(wěn)定制備出具有良好質(zhì)量的熔覆層，說(shuō) 明本發(fā)明具有很好的工藝穩(wěn)定性和重復(fù)性；將圖3a所示樣品加熱到40(TC保溫10min 后淬入水中，如此經(jīng)過(guò)10次循環(huán)后，強(qiáng)化層未出現(xiàn)開裂、脫落現(xiàn)象，表明該合金強(qiáng) 化層具有良好的抗熱震性能。
本實(shí)施例3中所述的4層10道搭接是指先在基體表面平行搭接掃描10道(掃描道 長(zhǎng)105mm)，每道間距2.0mm，掃描完一層再在己熔覆材料上繼續(xù)掃描三層，最后得到 熔覆面積為105mm (長(zhǎng))x20mm (寬)x3. 5mm (厚)的熔覆層。
權(quán)利要求
1.一種用于不銹鋼閥門密封面合金層的鎳基合金，其特征在于該鎳基合金的成分和含量為C1.0-1.5wt％，Cr17.5-19.5wt％，Mo7.0-9.0wt％，W3.5-4.5wt％，Nb:1.5-2.5wt％，Si:2.0-3.0wt％，Ni:余量。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于不銹鋼閥門密封面合金層的鎳基合金，其特征在 于所述的鎳基合金為粉末狀，粉末粒度范圍為-100目 +325目。
3、 一種具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門，其特征在于將權(quán)利要求l所述 的鎳基合金的粉末通過(guò)激光熔覆方法在不銹鋼閥門上形成密封面鎳基合金層。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門，其特征在于 所述的鎳基合金層與不銹鋼基體為冶金結(jié)合，無(wú)裂紋、氣孔；所述的鎳基合金層包 含有鎳基固溶體枝晶、枝晶間金屬碳化物和金屬硅化物，該鎳基合金層的硬度為 服C43-49。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門，其特征在 于所述的不銹鋼基體為lCrl8Ni9Ti或0Crl8Nil0Ti奧氏體不銹鋼材料。
6、 一種制備具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門的方法，其特征在于采用 激光熔覆同步輸送權(quán)利要求l所述的鎳基合金的粉末，在不銹鋼閥門上制備出所需長(zhǎng) 度、寬度和厚度的鎳基合金層密封面。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門的方法，其 特征在于激光熔覆同步輸送鎳基合金粉末時(shí)，與激光方向同軸輸送鎳基合金粉末或與激光方向的側(cè)向輸送鎳基合金粉末，輸送鎳基合金粉末的載氣為氬氣。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門的方法，其特征在于所述的激光熔覆方法為多層多道搭接激光熔覆或多層單道激光熔覆。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門的方法，其 特征在于所述鎳基合金粉末通過(guò)氣霧化工藝制備，所述的鎳基合金為粉末狀，粉末粒度范圍為-100目~+325目。
全文摘要
一種鎳基合金和具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門及制備方法。用于不銹鋼閥門密封面合金層的鎳基合金的成分和含量為C1.0-1.5wt％，Cr17.5-19.5wt％，Mo7.0-9.0wt％，W3.5-4.5wt％，Nb1.5-2.5wt％，Si2.0-3.0wt％，Ni余量。具有鎳基合金層密封面的不銹鋼閥門是將鎳基合金的粉末通過(guò)激光熔覆方法，在不銹鋼閥門上形成密封面鎳基合金層。該鎳基合金層與不銹鋼基體為完全的冶金結(jié)合，無(wú)裂紋、氣孔等缺陷，合金層由鎳基固溶體枝晶、枝晶間金屬碳化物和金屬硅化物等組成；該鎳基合金強(qiáng)化層具有較高硬度(HRC43-49)和良好的抗熱震性能，可用于對(duì)合金成分有嚴(yán)格要求(不能含有B、Co)的不銹鋼閥門密封面合金強(qiáng)化層的制備。
文檔編號(hào)C22C19/05GK101368239SQ200710120430
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2007年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月17日
發(fā)明者席明哲, 張永忠, 義 涂, 王力軍, 石力開 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院