激光熔覆技術(shù)及其在核電閥門中的研究進(jìn)展.doc

0 前言 核電閥門市場前景非常廣闊，但目前國內(nèi)閥門制造技術(shù)落后，核閥等高參數(shù)閥門主要靠進(jìn)口，隨著中國核電建設(shè)漸漸駛?cè)肟燔嚨溃穗姟皣a(chǎn)化情結(jié)”變得越來越強(qiáng)烈。因此，掌握核閥等高參數(shù)閥門制造的關(guān)鍵技術(shù)，保有國內(nèi)市場、開拓國際市場，已是當(dāng)務(wù)之急。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上核電站因閥門裝置密封面出故障而造成的事故占核電站事故的1/4。因此對核閥材料和制造工藝提出了十分嚴(yán)格的要求，特別是核閥密封面。這是由于密封面不僅因閥門周期性地開啟和關(guān)閉而受到擦傷、擠壓和沖擊作用，而且還因所處的工作環(huán)境和介質(zhì)而受到高溫、腐蝕、氧化等作用，所以應(yīng)具有良好的綜合服役性能。 1 核電閥門密封面強(qiáng)化工藝概況 一般采用堆焊工藝熔焊核閥密封面，而保證閥門密封面堆焊質(zhì)量和提高堆焊生產(chǎn)效率，不僅取決于堆焊材料，而且很大程度上還取決于先進(jìn)的堆焊工藝方法和高效率的自動化堆焊設(shè)備。我國閥門密封面堆焊技術(shù)的研究工作始于20世紀(jì)60年代初，歷經(jīng)40多年的發(fā)展歷程，閥門堆焊方法從以手工電弧焊和氧-乙炔火焰堆焊等非自動化、低效率的堆焊方法為主，發(fā)展到廣泛采用高效、自動化的堆焊方法，如火焰堆焊、等離子弧堆焊以及激光熔覆等。先進(jìn)的堆焊技術(shù)是當(dāng)前各國競相研究的熱點(diǎn)，其中最具應(yīng)用前景的當(dāng)屬激光熔覆技術(shù)。該技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代，它是利用具有高能密度的激光束使某種特殊性能的材料快速熔凝在基體材料表面并與基體形成冶金結(jié)合，構(gòu)成與基體成分和性能完全不同的高性能合金熔覆層。表1列出了幾種粉末的熱噴涂、電弧、等離子噴涂、激光熔覆的技術(shù)特性?？梢娂す馊鄹矊优c基體間是完全冶金結(jié)合，稀釋度低，成品率高。表1 熱噴涂、噴焊、堆焊、激光溶覆的技術(shù)特性 2 激光熔覆技術(shù)的特點(diǎn)及其在核電閥門中的應(yīng)用 2.1 激光熔筱技術(shù)的特點(diǎn) 激光熔覆工藝因具有熱輸入準(zhǔn)確控制，焊接速度高，冷卻速度快，熱畸變小，厚度、成分和稀釋率可控性好的特點(diǎn)，可以獲得組織致密、高性能（如耐磨性、耐腐蝕性能、抗氧化性能、熱障性能、熱氣蝕和沖蝕磨損等）的合金堆焊層，具有傳統(tǒng)堆焊方法所不具備的優(yōu)勢，因此，將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于密封面的強(qiáng)化受到了國內(nèi)外廣泛的重視，并已在眾多領(lǐng)域獲得應(yīng)用。 石世宏等比較了激光熔覆、等離子堆焊、火焰堆焊3種方式下鈷基合金堆焊層的稀釋率和微觀形貌。激光熔覆的稀釋率比等離子噴焊層和火焰堆焊層都要低。激光熔覆層固熔結(jié)合層最薄，熱影響區(qū)寬度最窄，是等離子噴焊層熱影響區(qū)的1/81/12，是火焰堆焊層熱影響區(qū)寬度的1/151/20，而且激光熔覆的晶粒更為細(xì)小。孫宜華等比較和分析了鐵基高鉻合金激光熔覆層和堆焊層的品質(zhì)和性能，同樣發(fā)現(xiàn)激光熔覆層組織細(xì)小、硬度高、抗磨損性能好。激光熔覆層較小的稀釋度和細(xì)密的組織，使設(shè)計(jì)的熔層元素充分發(fā)揮了應(yīng)有的作用。經(jīng)測定，激光熔層的顯微硬度、抗腐蝕、抗摩擦磨損等性能均優(yōu)于或大大高于等離子和火焰堆焊層。 2.2 激光熔覆技術(shù)在核電閥門中的應(yīng)用 因核電的迅猛發(fā)展，國家政策的支持和市場經(jīng)濟(jì)的需求，掌握研制高參數(shù)核電閥門技術(shù)迫在眉睫，激光熔覆在表面強(qiáng)化技術(shù)中突出的優(yōu)勢和在實(shí)際應(yīng)用中良好的效果，使得許多學(xué)者正致力于將其應(yīng)用到核電閥門密封面強(qiáng)化的研究中。 黃國棟等嘗試在核閥閥瓣密封面奧氏體基體上采用激光堆焊工藝熔覆Co基合金，并與等離子噴焊層和電弧堆焊層進(jìn)行對比，試驗(yàn)結(jié)果表明激光熔覆獲得的強(qiáng)化層表面光滑平整，一次激光熔覆層能達(dá)到3mm。熔層組織與其它傳統(tǒng)堆焊工藝相比，廢品率小于5%，晶粒顯著細(xì)化，稀釋率小，成品率高，在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿介質(zhì)中腐蝕率最低。石世宏等還測試了涂層的硬度和耐磨性，激光熔覆層的平均硬度達(dá)到HV740860，而等離子弧堆焊層平均硬度只有HV520560。2種強(qiáng)化工藝下的堆焊層經(jīng)過3000次沖擊，磨損量分別為1.2mg和2.53mg。 EPRI在總結(jié)各種閥門密封面強(qiáng)化工藝試驗(yàn)中指出，激光熔覆的突出優(yōu)點(diǎn)是可以有效降低熱殘余應(yīng)力從而減少裂紋的產(chǎn)生，其次是減輕涂層和基體的稀釋，由此可以減少堆積的層數(shù)而不降低涂層的耐磨性。文獻(xiàn)采用固體激光器熔覆Norem 02和Setliet 21焊絲，獲得了耐磨性良好的熔覆層。 綜上可見，激光熔覆技術(shù)是一種有前景的先進(jìn)表面處理技術(shù)，是提高閥門密封面質(zhì)量的有效途徑，并已成功進(jìn)人應(yīng)用階段。采用激光熔覆技術(shù)、控制熔覆層的成分和選擇合理的熔覆工藝，可使基體獲得其它表面強(qiáng)化技術(shù)難以得到的性能，充分發(fā)揮原材料的潛力。 2.3 激光熔筱材料在核電閥門中的應(yīng)用 激光熔覆材料體系主要有鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金等。激光熔覆鐵基合金適用于溫度要求不高（低于400）的耐磨零件，所用粉末主要有不銹鋼類和高鉻鑄鐵類，分別適用于低碳鋼和鑄鐵基體。由于鐵基合金成本低廉，經(jīng)常用作鎳基合金的代用品，與鎳基合金相比，鐵基合金激光熔覆層韌性稍差。我國在引進(jìn)國外成分的基礎(chǔ)上發(fā)展了含鐵高的鎳基合金粉末，已在閥門上應(yīng)用的有F102、NDG-2#等。鈷基、鎳基合金具有高硬度、耐磨、抗熱和抗氧化等性能，且鈷基合金性能比鎳基合金更好。從工藝上講，激光熔彼層又因?yàn)榧す饪焖倌踢^程產(chǎn)生的晶粒細(xì)化、非穩(wěn)態(tài)多相和過飽和固溶體而起到極好的強(qiáng)化作用，一般都具有更高的硬度、強(qiáng)韌性、耐高溫、耐磨和耐蝕性。因此，鈷基合金激光熔覆層被廣泛應(yīng)用于各種惡劣工況條件下服役的高參數(shù)閥門密封面，已被列為國家標(biāo)準(zhǔn)的閥門堆焊材料。 3 存在的問題及解決方法 3.1 核電閥門密封面熔覆層的質(zhì)量問題及解決辦法 在高參數(shù)核閥、石化閥門等零件的主要密封面上進(jìn)行大功率激光熔覆時發(fā)現(xiàn)，覆層裂紋是影響其質(zhì)量的主要原因，特別對于厚層熔覆，裂紋經(jīng)常難以避免。這種狀況成為激光熔覆技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的一大障礙。應(yīng)針對核電行業(yè)的特點(diǎn)，對原有的激光熔覆工藝進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)激光熔覆裂紋控制新工藝。根據(jù)核閥基體材料和熱處理狀態(tài)及使用要求的不同，選擇不同的熔覆材料和熔覆工藝以保證熔覆層的性能，特別是減少熔覆層的裂紋率。 任愛國等利用7種基體材質(zhì)，選用不同的自配鎳基和鈷基熔覆材料，觀察熔覆層的裂紋情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熔覆材料的特性對激光熔覆層的裂紋狀況影響最大。石世宏等還發(fā)現(xiàn)熔覆工藝對激光熔覆層開裂行為也有影響，應(yīng)根據(jù)不同熔層厚度選擇不同功率密度和掃描速度，同時還應(yīng)考慮材料的熔點(diǎn)、吸收系數(shù)等因素來優(yōu)化工藝參數(shù)。覆層材料使用熱噴涂或熱噴焊用合金粉末是不盡合理的，其中一些成分加大了覆層的開裂性，所以要優(yōu)化粉末成分，減少雜質(zhì)，并設(shè)法降低熱應(yīng)力的作用。李曉薇等通過選擇熔覆粉末材料配方和優(yōu)化熔覆工藝參數(shù)，獲得了質(zhì)量良好的激光熔覆層，提高了零件的使用性能，延長了其使用壽命。 3.2 核電閥門密封面熔覆材料存在的問題及解決辦法 至目前為止，核閥密封面堆焊材料一般為含鈷合金，如Stellite 6或Stellite 21等。但是鈷基合金存在2個突出的問題：一是我國是鈷資源十分缺乏的國家，鈷礦儲量小于2%的世界儲量，所需鈷資源主要靠進(jìn)口鈷精礦和回收利用含鈷廢料；二是鈷基合金磨損和腐蝕碎片中的Co59受激發(fā)將形成Co60同位素，這會延長核輻射的半衰期，在停堆檢修時造成檢修時間的延長和對維修人員的威脅，也會大大增加核燃料屏蔽的難度和成本。因此，今后國家第三代大型壓水堆核電站，包括美國的AP1000和法國核級閥門的密封面都要求采用無鈷合金。20世紀(jì)90年代以來國內(nèi)使用的代鈷合金有NDG-2#鎳基合金、TDG-5鐵基合金焊絲以及SF-6鐵基鉻錳堆焊焊條，但這些代鈷材料還沒有像鈷基材料那樣得到用戶的認(rèn)可。國外使用的代鈷合金有410、440C、616和Norem 02/02A等。采用較多的是616和Norem 02/02A類不銹鋼合金，但它們的耐高溫能力仍然受限。因此代鈷材料的使用、研制及推廣任