激光熔覆技术及其在核电阀门中的研究进展

0 前言

核电阀门市场前景非常广阔，但目前国内阀门制造技术落后，核阀等高参数阀门主要靠进口，随着中国核电建设渐渐驶入快车道，核电“国产化情结”变得越来越强烈。因此，掌握核阀等高参数阀门制造的关键技术，保有国内市场、开拓国际市场，已是当务之急。据统计，世界上核电站因阀门装置密封面出故障而造成的事故占核电站事故的1/4。因此对核阀材料和制造工艺提出了十分严格的要求，特别是核阀密封面。这是由于密封面不仅因阀门周期性地开启和关闭而受到擦伤、挤压和冲击作用，而且还因所处的工作环境和介质而受到高温、腐蚀、氧化等作用，所以应具有良好的综合服役性能。

1 核电阀门密封面强化工艺概况

一般采用堆焊工艺熔焊核阀密封面，而保证阀门密封面堆焊质量和提高堆焊生产效率，不仅取决于堆焊材料，而且很大程度上还取决于先进的堆焊工艺方法和高效率的自动化堆焊设备。我国阀门密封面堆焊技术的研究工作始于20世纪60年代初，历经40多年的发展历程，阀门堆焊方法从以手工电弧焊和氧-乙炔火焰堆焊等非自动化、低效率的堆焊方法为主，发展到广泛采用高效、自动化的堆焊方法，如火焰堆焊、等离子弧堆焊以及激光熔覆等。先进的堆焊技术是当前各国竞相研究的热点，其中最具应用前景的当属激光熔覆技术。该技术兴起于20世纪80年代，它是利用具有高能密度的激光束使某种特殊性能的材料快速熔凝在基体材料表面并与基体形成冶金结合，构成与基体成分和性能完全不同的高性能合金熔覆层。表1列出了几种粉末的热喷涂、电弧、等离子喷涂、激光熔覆的技术特性。可见激光熔覆层与基体间是完全冶金结合，稀释度低，成品率高。

表1 热喷涂、喷焊、堆焊、激光溶覆的技术特性

2 激光熔覆技术的特点及其在核电阀门中的应用

2.1 激光熔筱技术的特点

激光熔覆工艺因具有热输入准确控制，焊接速度高，冷却速度快，热畸变小，厚度、成分和稀释率可控性好的特点，可以获得组织致密、高性能（如耐磨性、耐腐蚀性能、抗氧化性能、热障性能、热气蚀和冲蚀磨损等）的合金堆焊层，具有传统堆焊方法所不具备的优势，因此，将激光熔覆技术应用于密封面的强化受到了国内外广泛的重视，并已在众多领域获得应用。

石世宏等比较了激光熔覆、等离子堆焊、火焰堆焊3种方式下钴基合金堆焊层的稀释率和微观形貌。激光熔覆的稀释率比等离子喷焊层和火焰堆焊层都要低。激光熔覆层固熔结合层最薄，热影响区宽度最窄，是等离子喷焊层热影响区的1/8～1/12，是火焰堆焊层热影响区宽度的1/15～1/20，而且激光熔覆的晶粒更为细小。孙宜华等比较和分析了铁基高铬合金激光熔覆层和堆焊层的品质和性能，同样发现激光熔覆层组织细小、硬度高、抗磨损性能好。激光熔覆层较小的稀释度和细密的组织，使设计的熔层元素充分发挥了应有的作用。经测定，激光熔层的显微硬度、抗腐蚀、抗摩擦磨损等性能均优于或大大高于等离子和火焰堆焊层。

2.2 激光熔覆技术在核电阀门中的应用

因核电的迅猛发展，国家政策的支持和市场经济的需求，掌握研制高参数核电阀门技术迫在眉睫，激光熔覆在表面强化技术中突出的优势和在实际应用中良好的效果，使得许多学者正致力于将其应用到核电阀门密封面强化的研究中。

黄国栋等尝试在核阀阀瓣密封面奥氏体基体上采用激光堆焊工艺熔覆Co基合金，并与等离子喷焊层和电弧堆焊层进行对比，试验结果表明激光熔覆获得的强化层表面光滑平整，一次激光熔覆层能达到3mm。熔层组织与其它传统堆焊工艺相比，废品率小于5%，晶粒显著细化，稀释率小，成品率高，在强酸、强碱介质中腐蚀率最低。石世宏等还测试了涂层的硬度和耐磨性，激光熔覆层的平均硬度达到HV740～860，而等离子弧堆焊层平均硬度只有HV520～560。2种强化工艺下的堆焊层经过3000次冲击，磨损量分别为1.2mg和

2.53mg。

EPRI在总结各种阀门密封面强化工艺试验中指出，激光熔覆的突出优点是可以有效降低热残余应力从而减少裂纹的产生，其次是减轻涂层和基体的稀释，由此可以减少堆积的层数而不降低涂层的耐磨性。文献采用固体激光器熔覆Norem 02和Setliet 21焊丝，获得了耐磨性良好的熔覆层。

综上可见，激光熔覆技术是一种有前景的先进表面处理技术，是提高阀门密封面质量的有效途径，并已成功进人应用阶段。采用激光熔覆技术、控制熔覆层的成分和选择合理的熔覆工艺，可使基体获得其它表面强化技术难以得到的性能，充分发挥原材料的潜力。

2.3 激光熔筱材料在核电阀门中的应用

激光熔覆材料体系主要有铁基合金、镍基合金、钴基合金等。激光熔覆铁基合金适用于温度要求不高（低于400℃）的耐磨零件，所用粉末主要有不锈钢类和高铬铸铁类，分别适用于低碳钢和铸铁基体。由于铁基合金成本低廉，经常用作镍基合金的代用品，与镍基合金相比，铁基合金激光熔覆层韧性稍差。我国在引进国外成分的基础上发展了含铁高的镍基合金粉末，已在阀门上应用的有F102、NDG-2#等。钴基、镍基合金具有高硬度、耐磨、抗热和抗氧化等性能，且钴基合金性能比镍基合金更好。从工艺上讲，激光熔彼层又因为激光快速凝固过程产生的晶粒细化、非稳态多相和过饱和固溶体而起到极好的强化作用，一般

都具有更高的硬度、强韧性、耐高温、耐磨和耐蚀性。因此，钴基合金激光熔覆层被广泛应用于各种恶劣工况条件下服役的高参数阀门密封面，已被列为国家标准的阀门堆焊材料。

3 存在的问题及解决方法

3.1 核电阀门密封面熔覆层的质量问题及解决办法

在高参数核阀、石化阀门等零件的主要密封面上进行大功率激光熔覆时发现，覆层裂纹是影响其质量的主要原因，特别对于厚层熔覆，裂纹经常难以避免。这种状况成为激光熔覆技术向产业化推进的一大障碍。应针对核电行业的特点，对原有的激光熔覆工艺进行改进，开发激光熔覆裂纹控制新工艺。根据核阀基体材料和热处理状态及使用要求的不同，选择不同的熔覆材料和熔覆工艺以保证熔覆层的性能，特别是减少熔覆层的裂纹率。

任爱国等利用7种基体材质，选用不同的自配镍基和钴基熔覆材料，观察熔覆层的裂纹情况，结果发现，熔覆材料的特性对激光熔覆层的裂纹状况影响最大。石世宏等还发现熔覆工艺对激光熔覆层开裂行为也有影响，应根据不同熔层厚度选择不同功率密度和扫描速度，同时还应考虑材料的熔点、吸收系数等因素来优化工艺参数。覆层材料使用热喷涂或热喷焊用合金粉末是不尽合理的，其中一些成分加大了覆层的开裂性，所以要优化粉末成分，减少杂质，并设法降低热应力的作用。李晓薇等通过选择熔覆粉末材料配方和优化熔覆工艺参数，获得了质量良好的激光熔覆层，提高了零件的使用性能，延长了其使用寿命。

3.2 核电阀门密封面熔覆材料存在的问题及解决办法

至目前为止，核阀密封面堆焊材料一般为含钴合金，如Stellite 6或Stellite 21等。但是钴基合金存在2个突出的问题：一是我国是钴资源十分缺乏的国家，钴矿储量小于2%的世界储量，所需钴资源主要靠进口钴精矿和回收利用含钴废料；二是钴基合金磨损和腐蚀碎片中的Co59受激发将形成Co60同位素，这会延长核辐射的半衰期，在停堆检修时造成检修时间的延长和对维修人员的威胁，也会大大增加核燃料屏蔽的难度和成本。因此，今后国家第三代大型压水堆核电站，包括美国的AP1000和法国核级阀门的密封面都要求采用无钴合金。20世纪90年代以来国内使用的代钴合金有NDG-2#镍基合金、TDG-5铁基合金焊丝以及SF-6铁基铬锰堆焊焊条，但这些代钴材料还没有像钴基材料那样得到用户的认可。