提高高温干摩擦条件下阀杆表面耐磨性的方法与流程

本发明涉及一种提高高温干摩擦条件下阀杆表面耐磨性的方法。

背景技术：

核电汽轮机组中的再热双阀组能够保障汽轮机安全运行，其阀杆工作于400℃、16.7mpa的高温高压环境下，且处于干摩擦状态。在运行过程中，一方面阀杆在高温、高压流场中承受蒸汽冲击和来自横向或纵向的振动；另一方面阀杆材料在高温下硬度下降、塑性增加，致使阀杆极易发生磨损，严重影响其工作性能和服役寿命。因此，要求其具有的良好的耐高温、抗磨损和高温自润滑等性能，以满足恶劣的生产使用条件。

目前对阀杆的表面处理方法主要有两大类：(1)高温自润滑耐磨涂层的制备；(2)表面织构化，专利号为zl200810224310.6的发明专利公开了一种高温耐磨自润滑涂层用复合粉体的制备的方法，采用超音速火焰喷涂的方法制备nicr/ni-cr3c2-baf2/caf2包覆型复合粉体。专利号为zl201210242669.2的发明专利公开了一种固体自润滑高温耐磨粉末组合物及其复合涂层制备方法，采用激光熔覆的方法制备以nicr-cr3c2为金属基体，镍包覆ws2为固体润滑相的复合材料涂层。这些方法能够获得硬度高、自润滑的涂层，提高零件的高温耐磨性能。然而工作一段时间后，随着硬质颗粒的脱落，磨屑会挤入磨损表面对其进行二次微观切削，致使磨损加剧，工作表面失效。近年来，激光微织构技术在摩擦件上已经得到应用，如活塞环、密封圈、发动机气缸等。在工件表面刻蚀沟槽，一方面能够提高微沟槽内及沟槽壁的硬度，另一方面摩擦磨损过程中收集磨屑，从而减少了摩擦磨损。但激光刻蚀的硬化层浅，提高硬度有限，耐磨性提高的幅度受到限制。因此，在高温高压干摩擦的工作环境下，单一使用激光处理技术不能满足要求。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种提高高温干摩擦条件下阀杆表面耐磨性的方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

提高高温干摩擦条件下阀杆表面耐磨性的方法，特点是：先采用激光熔覆技术在阀杆表面形成具有高温自润滑的耐磨涂层，再对其进行激光微织构使涂层表面产生规则分布的微沟槽，实现储屑减摩作用；包括以下步骤：

(1)阀杆表面预处理：采用机加工方式使阀杆直径尺寸小于设计尺寸1～2mm；

(2)阀杆表面激光熔覆涂层的制备：采用激光熔覆的方法获得厚度为2～3mm的涂层，工艺为：

a)对机加工后的表面进行除油清污处理，并用酒精清洗干净，然后对阀杆预热，预热温度为300～500℃，预热时间为2～3小时；

b)配置熔覆粉末，基体材料为ni60m合金粉末，润滑相为caf2粉末，复合粉末质量百分比为：ni60m合金粉末85％～95％，caf2粉末5％～15％，放入球磨机中混合均匀，搅拌时间为2～3小时；

c)采用光纤激光器、以同轴送粉的方式对阀杆表面实施多道单层熔覆；并同步使用惰性气体保护激光熔覆区域；激光熔覆工艺参数为：激光功率为2～3kw，阀杆转动线速度为400～600mm/min，离焦量为+2～+4mm，送粉速率为0.4～0.8g/s，搭接率为20％～40％，保护气体流量为3～4l/min；

(3)激光熔覆后表面的后处理：将经激光多道熔覆后的涂层放入热处理炉中进行退火处理，消除残余应力，退火温度为400～600℃，时间为6～10小时；出炉后对熔覆涂层进行机加工、打磨、抛光，使阀杆直径尺寸大于设计尺寸50～100μm；

(4)激光刻蚀微沟槽：采用超快激光器对处理后的熔覆涂层刻蚀微沟槽，其工艺参数为：平均输出功率为2～4w，脉冲频率为50～200khz，扫描速度为50～150mm/s，扫描次数为20000～50000次，离焦量为-0.5～-1.5mm；

(5)对激光刻蚀微沟槽的表面进行精珩磨和清洗处理，去除微沟槽边缘和内部的残留物。

进一步地，上述的提高高温干摩擦条件下阀杆表面耐磨性的方法，其中，所述步骤(2)中的ni60m合金粉末，其成分按重量百分比为：c0.8％、cr17％、si4％、fe15％、b3.2％，余量为ni，粒度为100～325目。

进一步地，上述的提高高温干摩擦条件下阀杆表面耐磨性的方法，其中，所述步骤(2)中的caf2粉末为镍包覆材料，其成分质量百分比为：caf285％，ni15％。

进一步地，上述的提高高温干摩擦条件下阀杆表面耐磨性的方法，其中，所述步骤(2)中的惰性保护气体为氩气或氮气。

进一步地，上述的提高高温干摩擦条件下阀杆表面耐磨性的方法，其中，所述步骤(4)中的激光刻蚀微沟槽为三角形或六边形。

进一步地，上述的提高高温干摩擦条件下阀杆表面耐磨性的方法，其中，所述步骤(4)中的超快激光器为纳秒激光器、飞秒激光器或皮秒激光器。

进一步地，上述的提高高温干摩擦条件下阀杆表面耐磨性的方法，其中，所述步骤(4)中的微沟槽为连续条状。

进一步地，上述的提高高温干摩擦条件下阀杆表面耐磨性的方法，其中，所述微沟槽的宽度为50～90μm，深度为20～80μm。

进一步地，上述的提高高温干摩擦条件下阀杆表面耐磨性的方法，其中，所述微沟槽的面积率为20％～35％。

进一步地，上述的提高高温干摩擦条件下阀杆表面耐磨性的方法，其中，所述步骤(5)中的清洗处理是用酒精和丙酮清洗阀杆工作面。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

本发明将激光熔覆技术和激光微织构技术有效结合起来，解决了再热双阀组阀杆在高温干摩擦的条件下极易磨损的问题。该复合工艺可以使阀杆表面既具有高温自润滑和高的硬度，又具有储屑减摩的沟槽，从而增强高温干摩擦条件下阀杆的耐磨性能，提高其服役寿命。

附图说明

图1：本发明的工艺流程示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明具体实施方案。

如图1所示，提高高温干摩擦条件下阀杆表面耐磨性的复合工艺，其工艺步骤为：(1)对阀杆表面进行预处理；(2)对预处理的阀杆表面进行激光熔覆；(3)对激光熔覆后的表面进行后处理；(4)对机加工后的表面进行激光刻蚀微沟槽；(5)对激光刻蚀微沟槽的表面进行精珩磨和清洗处理，去除微沟槽边缘和内部的残留物。

实施例1：

(1)阀杆表面预处理：采用常规的机加工，使阀杆直径尺寸小于设计尺寸1mm；

(2)阀杆表面激光熔覆涂层的制备：采用激光熔覆的方法获得厚度为2mm的涂层，具体为：

a)对机加工后的表面进行除油清污处理，并用酒精清洗干净，然后对阀杆预热，预热温度为400℃，预热时间为2小时；

b)配置熔覆粉末，基体材料为ni60m合金粉末，润滑相为caf2粉末，复合粉末质量百分比为：ni60m合金粉末85％，caf2粉末15％，放入球磨机中混合均匀，搅拌时间为2小时；

c)采用光纤激光器、以同轴送粉的方式对阀杆表面实施多道单层熔覆；并同步使用惰性气体保护激光熔覆区域；激光熔覆工艺参数为：激光功率为3kw，阀杆转动线速度为450mm/min，离焦量为+3mm，送粉速率为0.5g/s，搭接率为30％，保护气体流量为4l/min。

(3)激光熔覆后表面的后处理：将经激光多道熔覆后的涂层放入热处理炉中进行退火处理，消除残余应力，退火温度为500℃，时间为6小时；出炉后对熔覆涂层进行机加工、打磨、抛光，使阀杆直径尺寸离设计尺寸60μm；

(4)激光刻蚀微沟槽：采用超快激光器对处理后的熔覆涂层刻蚀微沟槽，其工艺参数为：平均输出功率为2.5w，脉冲频率为100khz，扫描速度为100mm/s，扫描次数为20000次，离焦量为-1mm。获得了宽度为50μm，深度为25μm，面积率为28％的连续微沟槽；

(5)对激光刻蚀微沟槽的表面进行精珩磨和清洗处理，去除微沟槽边缘和内部的残留物。

采用本发明处理的阀杆面平均显微硬度为560hv0.3，约为阀杆基体的2.8倍，经摩擦磨损机检测(温度400℃、载荷15n、干摩擦工况)，摩擦系数为0.19，磨损量为0.0055g，相比于阀杆基体分别下降了73.29％和90.51％。

实施例2：

(1)阀杆表面预处理：采用常规的机加工，使阀杆直径尺寸小于设计尺寸1mm；

(2)阀杆表面激光熔覆涂层的制备：采用激光熔覆的方法获得厚度为2mm的涂层，具体为：

a)对机加工后的表面进行除油清污处理，并用酒精清洗干净，然后对阀杆预热，预热温度为400℃，预热时间为2小时；

b)配置熔覆粉末，基体材料为ni60m合金粉末，润滑相为caf2粉末，复合粉末质量百分比为：ni60m合金粉末90％，caf2粉末10％，放入球磨机中混合均匀，搅拌时间为2小时；

c)采用光纤激光器、以同轴送粉的方式对阀杆表面实施多道单层熔覆；并同步使用惰性气体保护激光熔覆区域；激光熔覆工艺参数为：激光功率为3kw，阀杆转动线速度为450mm/min，离焦量为+3mm，送粉速率为0.5g/s，搭接率为30％，保护气体流量为4l/min。

(3)激光熔覆后表面的后处理：将经激光多道熔覆后的涂层放入热处理炉中进行退火处理，消除残余应力，退火温度为500℃，时间为6小时；出炉后对熔覆涂层进行机加工、打磨、抛光，使阀杆直径尺寸离设计尺寸60μm；

(4)激光刻蚀微沟槽：采用超快激光器对处理后的熔覆涂层刻蚀微沟槽，其工艺参数为：平均输出功率为2.9w，脉冲频率为100khz，扫描速度为100mm/s，扫描次数为25000次，离焦量为-1mm。获得了宽度为60μm，深度为35μm，面积率为28％的连续微沟槽；

(5)对激光刻蚀微沟槽的表面进行精珩磨和清洗处理，去除微沟槽边缘和内部的残留物。

采用本发明处理的阀杆面平均显微硬度为610hv0.3，约为阀杆基体的3倍，经摩擦磨损机检测(温度400℃、载荷15n、干摩擦工况)，摩擦系数为0.24，磨损量为0.0044g，相比于阀杆基体分别下降了70.18％和92.41％。

实施例3：

(1)阀杆表面预处理：采用常规的机加工，使阀杆直径尺寸小于设计尺寸1mm；

(2)阀杆表面激光熔覆涂层的制备：采用激光熔覆的方法获得厚度为2mm的涂层，具体为：

a)对机加工后的表面进行除油清污处理，并用酒精清洗干净，然后对阀杆预热，预热温度为400℃，预热时间为2小时；

b)配置熔覆粉末，基体材料为ni60m合金粉末，润滑相为caf2粉末，复合粉末质量百分比为：ni60m合金粉末95％，caf2粉末5％，放入球磨机中混合均匀，搅拌时间为2小时；

c)采用光纤激光器、以同轴送粉的方式对阀杆表面实施多道单层熔覆；并同步使用惰性气体保护激光熔覆区域；激光熔覆工艺参数为：激光功率为3kw，阀杆转动线速度为450mm/min，离焦量为+3mm，送粉速率为0.5g/s，搭接率为30％，保护气体流量为4l/min。

(3)激光熔覆后表面的后处理：将经激光多道熔覆后的涂层放入热处理炉中进行退火处理，消除残余应力，退火温度为500℃，时间为6小时；出炉后对熔覆涂层进行机加工、打磨、抛光，使阀杆直径尺寸离设计尺寸60μm；

(4)激光刻蚀微沟槽：采用超快激光器对处理后的熔覆涂层刻蚀微沟槽，其工艺参数为：平均输出功率为3.4w，脉冲频率为200khz，扫描速度为250mm/s，扫描次数为30000次，离焦量为-1mm。获得了宽度为70μm，深度为40μm，面积率为28％的连续微沟槽；

(5)对激光刻蚀微沟槽的表面进行精珩磨和清洗处理，去除微沟槽边缘和内部的残留物。

采用本发明处理的阀杆面平均显微硬度为690hv0.3，约为阀杆基体的3.5倍，经摩擦磨损机检测(温度400℃、载荷15n、干摩擦工况)，摩擦系数为0.35，磨损量为0.0155g，相比于阀杆基体分别下降了56.52％和73.28％。

综上所述，本发明将激光熔覆技术和激光微织构技术有效结合起来，解决了再热双阀组阀杆在高温干摩擦的条件下极易磨损的问题。该复合工艺可以使阀杆表面既具有高温自润滑和高的硬度，又具有储屑减摩的沟槽，从而增强高温干摩擦条件下阀杆的耐磨性能，提高其服役寿命。

需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非用以限定本发明的权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。