核閥密封面鈷基合金激光堆焊與覆層離子注入研究.pdf

1、核閥工作者需要研制更為先進(jìn)的密封面堆焊材料、不斷優(yōu)化完善密封面堆焊工藝方案、尋求有效的堆焊層表面改性方法，達(dá)到提升核閥功能性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性的目的，以適應(yīng)核電建設(shè)發(fā)展和核動(dòng)力裝置工作參數(shù)提高的需要。
　　以Stellite6為代表的CoCr-A類鈷基合金材料極大地滿足了閥門密封面對(duì)耐腐蝕、耐沖蝕、耐氣蝕、抗擦傷、抗墊傷、抗劃傷、高溫紅硬性和高溫抗氧化性等使用性能的需要，提升了金屬密封型核閥的密封性和可靠性。但由于含Co量在50％以

2、上，在長(zhǎng)期核輻照條件下能吸收中子而造成長(zhǎng)期的放射性污染，與核系統(tǒng)的要求不適應(yīng)。研制大幅度降低Co含量的堆焊新材料，研究利用激光熔覆工藝特有的覆層組織極細(xì)、成分及稀釋率可控、熱變形小、硬度高的比較優(yōu)勢(shì)，制備出滿足核閥技術(shù)要求、測(cè)試要求及驗(yàn)收合格標(biāo)準(zhǔn)的堆焊層，突破使用代鈷材料的禁區(qū)，無(wú)疑具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　通過(guò)深入研究核閥的使用工況、密封面的損壞機(jī)理及失效形式，考察鈷基合金各元素在激光熔覆層中的強(qiáng)化作用，并基于堆焊工藝

3、性和稀釋率的角度，確定出成形熔覆層的主要成分控制范圍，以及合金粉末中的元素含量，配制出具有無(wú)鎢低碳中鈷特征的FCo-5合金粉末。采用預(yù)涂敷法，在0Cr18Ni12Mo3Ti核閥試樣表面制備出厚度2.04 mm、橫截面單圓弧擬合半徑為2.69 mm的高質(zhì)量激光熔覆層。SEM、XRD分析及硬度測(cè)試結(jié)果表明：熔覆層從界面到表層的結(jié)晶形態(tài)依次由平面晶向胞狀樹(shù)枝晶、多方向生長(zhǎng)樹(shù)枝晶、細(xì)小樹(shù)枝晶過(guò)渡；中、上部組織主要由γ-Co奧氏體枝晶、枝晶間層片

4、狀共晶組織以及彌散分布的Cr23C6硬質(zhì)顆粒組成；結(jié)合層以上區(qū)域的常溫顯微硬度閾值為390～470HV；熔覆層應(yīng)保留最小厚度處具有優(yōu)異的抗蠕變性能和高溫硬度特性，在高溫回火后有較強(qiáng)的二次硬化效應(yīng)。FCo-5作為核閥密封面堆焊材料具有較好的適用性。
　　通過(guò)厘清FCo-5熔覆道橫截面幾何參數(shù)、顯微硬度曲線與激光加工參數(shù)之間的關(guān)系，并充分考慮能量損失的各種因素，得到與擬合模型很好吻合的熔覆道截形曲率半徑的計(jì)算模型；構(gòu)建了等厚度熔覆條件

5、下以熔覆道截面積為目標(biāo)函數(shù)、以激光輸出功率及掃描速度為設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，為降低核閥鈷基合金用量提供了科學(xué)依據(jù)和設(shè)計(jì)方法。
　　基于同步送粉法，在316L奧氏體不銹鋼上進(jìn)行了Stellite6鈷基合金粉末的大面積、大厚度激光熔覆，獲得了不出現(xiàn)開(kāi)裂和氣孔缺陷的加工工藝參數(shù)范圍。結(jié)合凝固理論、枝晶生長(zhǎng)理論和熔焊原理，分析了覆層物相分布、顯微硬度規(guī)律及其二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系；分析出焊道搭接處氧化膜增厚是產(chǎn)生氣孔的根本原因，氧化物夾雜、疏松

6、組織集中、表面拉應(yīng)力等是界面結(jié)合處出現(xiàn)裂紋以及裂紋擴(kuò)展的根本原因，高硬度 WC脆性相的遷移和聚集是掃描重熔過(guò)程中導(dǎo)致覆層開(kāi)裂的根本原因。
　　Stellite6激光熔覆層的高溫和大劑量C+注入實(shí)驗(yàn)、摩擦磨損實(shí)驗(yàn)、電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與分析表明，C+濃度在覆層表層呈高斯分布，距受注表面18μm以內(nèi)的區(qū)域其濃度在8%以上；在表面及近表面區(qū)獲得一系列M23C6型、Mn7C3及SiC等高硬度碳化物；C+的轟擊和濺射作用改善了覆層表面粗糙度