专利名称：镍基合金和具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种镍基合金和具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门及制备方法， 属于金属材料的表面改性领域。
背景技术：
不锈钢因具有优良的耐蚀性和力学性能，广泛用于石油化工、反应堆及核电站 中各种耐酸阀门及高温高压阀门的制造。由于运行过程中各种介质具有较强的腐蚀 性甚至放射性，同时阔门密封面在启闭过程中频繁经受摩擦、挤压和撞击作用，阀 门的密封面很容易遭到破坏，而大大縮短阀门的使用寿命，而且介质的渗漏可能造 成停工停产、环境污染甚至造成恶性事故的发生。因此，不锈钢阀门的密封面不仅 要求具有良好的抗腐蚀性，而且具有高的硬度、抗擦伤能力和抗热震性能及抗撞击 性能。
不锈钢阀门的密封面一般采用直接在阀体上进行电弧、火焰堆焊及等离子堆焊 高性能合金层的工艺进行强化，所用的合金原料主要为Fe基、Ni基及Co基自熔合金 粉末，这些自熔合金粉末在基体元素的基础上，添加Cr、 B、 Si、 C、 Mo、 W等元素， 合金粉末的熔点低，自熔性好，具有耐蚀、耐磨、耐热、抗氧化等性能。而有些应 用场合对密封面强化层的成分有严格的要求，如核工业用阀考虑阀门使用寿命的长 期可靠性，常采用钴基合金作密封面，但是钴可因中子辐照引起二次放射，而不利 于反应堆工作;B具有很强的中子吸收能力，容易产生辐照脆化和肿胀效应。Stellite 公司开发出不含B的Tribaloy T-700合金，其成分为(wt.%): Fe^3. 0， Mo:32. 5， Cr:15.5， Si:3.4， Co:L5， C幼.08， Ni:余量。
与现有电弧、火焰堆焊及等离子堆焊工艺相类似，激光熔覆技术通过高功率激 光熔化同步输送的熔覆材料，同时基体表面一薄层发生熔化，利用基体自身的冷却 作用在基体表面获得与基体结合良好的合金层。激光熔覆与上述工艺技术相比具有 如下特点和优势l.可以实现高精度的熔覆沉积，材料利用率高；2.熔覆层的厚度 和宽度可通过多层多道搭接熔覆进行可靠控制；3.能量集中，对基体的热输入小， 熔覆层的稀释率低，对基体的热影响和变形小；4.激光熔覆合金强化层与基体为完
全的冶金结合，结合强度高；5.激光熔覆过程是一快速凝固过程，熔覆层的组织完 全致密、无气孔，具有更高的硬度和耐磨耐蚀性能。
目前针对不锈钢阀门密封面激光熔覆强化主要采用预置钴基及镍基合金粉末 的粉末供给方法。粉末预置方法一般只适合在材料表面熔覆一层材料，熔覆层的厚 度受到限制，粉末如铺置太厚，熔覆时很难保证涂层与基体的冶金结合和良好的涂 层性能；粉末预置方法在进行多层熔覆制备较厚合金层时，不能保证熔覆过程的连 续性，工艺较为繁琐；通过实验发现，在激光熔覆Tribaloy T-700合金时，由于合 金层的韧性较差，熔覆层极易开裂；另外，Tribaloy T-700合金及上述的钴基及镍 基合金中含有Co或者B，不能满足某些核工业用阀门密封面强化层不能含有B和Co的 严格要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于不锈钢阀门密封面合金层的镍基合金。 本发明的另一个目的是提供一种具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门，该镍基 合金层密封面不含B和Co、具有高硬度、良好抗热震和抗撞击性能。
本发明的再一个目的是提供一种制备具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案达到的-
一种用于不锈钢阀门密封面合金层的镍基合金，该镍基合金的成分和含量为 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。所述镍基合金粉末成分中不含B和Co。
上述的镍基合金为粉末状，粉末粒度范围为-100目~+325目。
一种具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门，将上述的镍基合金的粉末通过激光 熔覆方法在不锈钢阀门上形成密封面镍基合金层。
在本发明的具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门中，所述的镍基合金层与不锈 钢基体为冶金结合，无裂纹、气孔；所述的镍基合金层包含有镍基固溶体枝晶、枝 晶间金属碳化物和金属硅化物，该镍基合金层的硬度为冊C43-49。
在本发明的具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门中，所述的不锈钢基体为 lCrl8Ni9Ti或OCrl8NilOTi奥氏体不锈钢材料。
一种制备具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门的方法，其特征在于采用激光 熔覆同步输送上述的镍基合金的粉末，在不锈钢阀门上制备出所需长度、厚度和宽
度的镍基合金层密封面。
在本发明的制备具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门的方法中，激光熔覆同步 输送镍基合金粉末时，与激光方向同轴输送镍基合金粉末或与激光方向的侧向(即 输送镍基合金粉末方向与激光方向成一定的角度，该角度为0。 30。)输送镍基合金 粉末，输送镍基合金粉末的载气为氩气。
在本发明的制备具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门的方法中，所述的激光熔 覆方法为多层多道搭接激光熔覆或多层单道激光熔覆。
单道激光熔覆指激光熔覆时激光束相对基体运动后，在基板上得到与运动轨迹 一致的一条熔覆道；多层单道激光熔覆指扫描完一道后，熔覆材料的厚度不够时， 在同一运动轨迹往复扫描多次，而使熔覆材料的厚度不断增加的过程(指熔覆层高 度方向的累积)。多道搭接激光熔覆指为实现待熔覆表面的覆盖，在形成一道熔覆道 后，平行于己形成熔覆道的轨迹进行熔覆，相邻熔覆道中心线之间的距离为熔覆道 间距(指熔覆道宽度方向的累积)；多层多道搭接激光熔覆指先通过多道搭接实现待 熔覆表面的覆盖，再通过多层熔覆来实现熔覆层厚度的增加。
在本发明的制备具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门的方法中，所述镍基合金 粉末通过气雾化工艺制备，所述的镍基合金为粉末状，粉末粒度范围为-100目~+325 目。
在本发明的制备具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门的方法中，激光熔覆所使 用的激光功率为1.0kW 4.0kW;激光光斑直径为2. 0mm 4. Omm;激光扫描运动速度 为2mm/s 10mm/s。输送镍基合金粉末速率为3. 0g/min 8. Og/min，输送镍基合金粉 末方向与激光方向所成的角度为0° 30°，输送镍基合金粉末的载气(氩气)流量为 1. 5L/min 2. 5 L/min。在激光熔覆方法中，熔覆道间距为1. 8mm 3. Omni;熔覆层的 厚度为1.0mm 4.0mm，可通过熔覆层数及激光熔覆工艺参数加以控制；熔覆道长度 及宽度是根据所需熔覆层的尺寸来决定并通过多道搭接来实现。
本发明的有益效果-
本发明针对核工业用不锈钢阔门，提出一种在不锈钢阀门密封面制备高性能镍 基合金层的方法及合金的成分，即本发明针对某些核工业用阀门密封面强化层的成 分限制及目前粉末堆焊技术存在的对基体热影响大、涂层稀释率高、涂层性能低， 以及激光瑢覆预置粉末存在的熔覆层厚度受限制和熔覆层开裂等问题，提出采用激 光熔覆同步输送的镍基合金粉末的方法在不锈钢阀门密封面制备不含B和Co及具有
较高硬度、良好的抗热震性能的合金强化层，镍基合金强化层与不锈钢基体为完全 的冶金结合，无裂纹、气孔等缺陷，合金层由镍基固溶体枝晶、枝晶间金属碳化物 和金属硅化物等组成，可用于某些核工业用不锈钢阀门密封面强化层的制备。
本发明适用的材料包括lCrl8Ni9Ti、 0Crl8Nil0Ti等奥氏体不锈钢，熔覆的材料 为气雾化制备的镍基合金粉末，镍基合金粉末的成分为(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 光熔覆镍基合金强化层的硬度在HRC43-49，熔覆处理样品(0Crl8Ni9Ti不锈钢基体 厚度15咖，熔覆层尺寸为105咖长x20丽宽x3. 5画高，激光熔覆4层，每层10道)经 加热到400'C保温10min后淬入水中，如此经过10次循环后，强化层未出现开裂、脱 落现象，表明该合金强化层具有良好的抗热震性能。
此方法利用激光熔覆过程的快速凝固作用，所获得强化层组织比等离子堆焊涂 层组织细小且均匀，涂层具有更高的硬度；同时激光瑢覆时基体表面一薄层发生熔 化，保证了合金强化层与基体的高可靠结合；合金层的成分通过在镍中加入Cr、 Mo、 W、 Nb、 C、 Si等元素，实现了镍的固溶强化，同时在合金层中生成具有高硬度的金 属硅化物和金属碳化物，使合金层硬度得到进一步提高；使用该方法制备的涂层成 分中不含B和Co，具有较高的硬度(HRC43-49)、良好的抗热震性能，可用于某些核 工业用不锈钢阀门密封面的制备。
下面通过附图和实施例对本发明进行详细说明。应该理解的是，所述的实施例 仅仅涉及本发明的优选实施方案，在不脱离本发明的精神和范围情况下，合理的工 艺调整和改进都是可能的。
图l为本发明实施例l在lCrl8Ni9Ti不锈钢基体上多层单道激光熔覆镍基合金 层的截面形貌及组织；
图2为本发明实施例2在lCrl8Ni9Ti不锈钢基体上多层多道激光熔覆镍基合金 层的截面形貌、熔覆层X射线衍射结果及SEM组织形貌；
图3为本发明实施例3在0Crl8Nil0Ti不锈钢基体上多层多道激光熔覆镍基合金 层的表面外观及截面组织。
具体实施例方式
实施例l:用本发明的镍基合金在lCrl8Ni9Ti不锈钢基体上多层单道激光熔覆 制备镍基合金层。
实施例l中所采用镍基合金粉末的成分和含量为(wt.%): C:1.38， Cr:18.5， Mo:8. 2， W:3. 9， Nb:2. 0， Si:2. 6， Ni:余量。该镍基合金粉末通过气雾化工艺制备， 粉末粒度范围为-100目 +325目。
利用激光熔覆气雾化镍基合金粉末，通过多层单道往复扫描在lCrl8Ni9Ti不锈
钢基体上制备镍基合金层。激光熔覆的工艺参数为激光功率3. 0kW，光斑直径3. Omm，
送粉速率为5. 7g/min，送粉载气(氩气)流量为2L/min，熔覆道长50mm。图la (即
图l中的四张图中标示a的图，图lb、图lc、图ld均分别为标示b、 c、 d的图)为5mm/s
扫描运动速度条件下6层单道熔覆层沿熔覆道中心线剖面的低倍形貌，图lb为相应的
金相组织，熔覆层的高度约2. lmm，硬度为HRC49;图lc为3mm/s扫描运动速度条件下
IO层单道熔覆层截面的金相组织，熔覆层硬度为HRC48. 2;图ld为7mm/s扫描运动速
度条件下10层单道熔覆层截面的金相组织，熔覆层硬度为HRC43.5;可见，熔覆层组
织致密，没有裂纹、气孔等缺陷，熔覆层与基体为完全的冶金结合。
其中，在图la中，所述的6层单道是指熔覆时基体沿某一方向往复直线扫描各3 次(扫描长度50毫米)，意味指熔覆轨迹上每1点激光扫描了6次；在图lc中、图ld， 所述的10层单道是指熔覆时基体沿某一方向往复直线扫描各5次(扫描长度50毫米)， 意味指熔覆轨迹上每1点激光扫描了10次。
实施例2:用本发明的镍基合金在lCrl8Ni9Ti不锈钢基体上多层多道搭接激光 熔覆制备镍基合金层。
实施例2中所采用镍基合金粉末与实施例1所用镍基合金粉末相同。
采用多道搭接方式，在lCrl8M9Ti不锈钢基体上制备多层多道搭接激光熔覆镍 基合金层。该实施例2的激光熔覆工艺参数为激光功率3.0kW，光斑直径3.0mm，扫 描运动速度6咖/s，送粉速率5. 7g/min，送粉载气(氩气)流量为2L/min，熔覆道长 度50mm，熔覆道间距2.8mm，共熔覆3层，每层内6道搭接，所得熔覆层的尺寸为50mm (长)xl8mm (宽)x2. 3mm (厚)，熔覆层硬度为服C48。图2a (即图2中的三张图中 标示a的图，图2b、图2c均分别为标示b、 c的图)为该实施例2中的3层6道搭接激光 熔覆层截面的宏观形貌；图2b为上述激光熔覆镍基合金层表面磨光后的X射线衍射分 析结果，经分析得知，本发明在lCrl8Ni9Ti不锈钢基体上多层多道激光熔覆镍基合 金层由镍基固溶体及一定量的金属碳化物和金属硅化物组成；图2c为该实施例2中的 激光熔覆层的SEM组织形貌，其中灰色组织为镍基固溶体枝晶，白色细小颗粒状组织 为枝晶间金属碳化物和金属硅化物。
本实施例2中所述的3层6道搭接是指先在基体表面平行搭接扫描6道(扫描道长 50mm)，每道间距2. 8mm，扫描完一层再在已熔覆材料上继续扫描两层,最后得到熔覆 面积为50mm (长)xl8mm (宽)x2. 3mm (厚)的熔覆层。
实施例3:用本发明的镍基合金在0Crl8Nil0Ti不锈钢基体上多层多道搭接激 光熔覆制备镍基合金层。
实施例3中所采用镍基合金粉末与实施例1所用镍基合金粉末相同。
采用多道搭接方式，在15mm厚0Crl8Nil0Ti不锈钢基体上制备多层多道搭接激光 熔覆层。该实施例3的所用激光熔覆工艺参数为激光功率1.8kW，光斑直径3.0min， 扫描运动速度4mm/s，送粉速率4. 8g/min，送粉载气(氩气)流量为2L/min，熔覆道 长度105mm，熔覆道间距2.0mm，共熔覆4层，每层内10道搭接，所得熔覆层的尺寸为 105mm (长)x20mm (宽)x3. 5mm (厚)。图3a (即图3中的三张图中标示a的图，图 3b为标示b的图)为该实施例3中的4层10道搭接激光熔覆层的宏观形貌，熔覆层表面 平整，没有出现裂纹。图3b为该实施例3中的熔覆层的截面金相组织；经测试，熔覆 层的硬度为HRC46. 3;采用相同的工艺参数可稳定制备出具有良好质量的熔覆层，说 明本发明具有很好的工艺稳定性和重复性；将图3a所示样品加热到40(TC保温10min 后淬入水中，如此经过10次循环后，强化层未出现开裂、脱落现象，表明该合金强 化层具有良好的抗热震性能。
本实施例3中所述的4层10道搭接是指先在基体表面平行搭接扫描10道(扫描道 长105mm)，每道间距2.0mm，扫描完一层再在己熔覆材料上继续扫描三层，最后得到 熔覆面积为105mm (长)x20mm (宽)x3. 5mm (厚)的熔覆层。
权利要求
1.一种用于不锈钢阀门密封面合金层的镍基合金，其特征在于该镍基合金的成分和含量为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、 根据权利要求l所述的用于不锈钢阀门密封面合金层的镍基合金，其特征在 于所述的镍基合金为粉末状，粉末粒度范围为-100目 +325目。
3、 一种具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门，其特征在于将权利要求l所述 的镍基合金的粉末通过激光熔覆方法在不锈钢阀门上形成密封面镍基合金层。
4、 根据权利要求3所述的具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门，其特征在于 所述的镍基合金层与不锈钢基体为冶金结合，无裂纹、气孔；所述的镍基合金层包 含有镍基固溶体枝晶、枝晶间金属碳化物和金属硅化物，该镍基合金层的硬度为 服C43-49。
5、 根据权利要求3或4所述的具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门，其特征在 于所述的不锈钢基体为lCrl8Ni9Ti或0Crl8Nil0Ti奥氏体不锈钢材料。
6、 一种制备具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门的方法，其特征在于采用 激光熔覆同步输送权利要求l所述的镍基合金的粉末，在不锈钢阀门上制备出所需长 度、宽度和厚度的镍基合金层密封面。
7、 根据权利要求6所述的制备具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门的方法，其 特征在于激光熔覆同步输送镍基合金粉末时，与激光方向同轴输送镍基合金粉末或与激光方向的侧向输送镍基合金粉末，输送镍基合金粉末的载气为氩气。
8、 根据权利要求7所述的制备具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门的方法，其特征在于所述的激光熔覆方法为多层多道搭接激光熔覆或多层单道激光熔覆。
9、 根据权利要求8所述的制备具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门的方法，其 特征在于所述镍基合金粉末通过气雾化工艺制备，所述的镍基合金为粉末状，粉末粒度范围为-100目~+325目。
全文摘要
一种镍基合金和具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门及制备方法。用于不锈钢阀门密封面合金层的镍基合金的成分和含量为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。具有镍基合金层密封面的不锈钢阀门是将镍基合金的粉末通过激光熔覆方法，在不锈钢阀门上形成密封面镍基合金层。该镍基合金层与不锈钢基体为完全的冶金结合，无裂纹、气孔等缺陷，合金层由镍基固溶体枝晶、枝晶间金属碳化物和金属硅化物等组成；该镍基合金强化层具有较高硬度(HRC43-49)和良好的抗热震性能，可用于对合金成分有严格要求(不能含有B、Co)的不锈钢阀门密封面合金强化层的制备。
文档编号C22C19/05GK101368239SQ200710120430
公开日2009年2月18日 申请日期2007年8月17日 优先权日2007年8月17日
发明者席明哲, 张永忠, 义 涂, 王力军, 石力开 申请人:北京有色金属研究总院