1）在高溫及熱沖擊條件下，具備高度的尺寸穩(wěn)定性；
    2）在輻照作用下，具有高度的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并保持其必要的物理和機(jī)械性能；
    3）與所接觸的材料、介質(zhì)具有較好的相容性；
    4）具有良好的可測(cè)試性能和可靠的使用經(jīng)驗(yàn)。

   據(jù)統(tǒng)計(jì)，一座中型核電站需安裝350多種不同類型、結(jié)構(gòu)尺寸和用途的閥門(mén)1.4~2萬(wàn)臺(tái)，約占整個(gè)核電站設(shè)備投資的10%。核電站由于閥門(mén)裝置出現(xiàn)故障而造成的事故占1/4^[1]。因核閥的運(yùn)行循環(huán)次數(shù)多、熱沖擊頻繁，使得熱磨損成為影響核閥壽命的關(guān)鍵因素。為提高核閥的使用性能，必須對(duì)其進(jìn)行表面改性處理。目前，一般采用電弧、火焰堆焊和等離子熔涂等工藝熔焊核閥零件關(guān)鍵的密封面。因存在裂紋傾向大、廢品率高、組織性能不均勻、生產(chǎn)工序繁多、熔層極不平整、加工量大等難以克服的缺點(diǎn)，無(wú)法保證核閥的質(zhì)量要求。

   激光熔覆技術(shù)是在基體材料表面涂敷一層預(yù)設(shè)計(jì)好的合金層，利用高能激光束作熱源，對(duì)涂層作熔覆掃描，激冷后形成高性能冶金結(jié)合熔層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨損、耐腐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性^[2~4]。本工作對(duì)采用激光熔覆和等離子熔涂?jī)煞N工藝形成的涂層進(jìn)行顯微組織和抗高溫沖擊滑動(dòng)磨損性能對(duì)比試驗(yàn)研究。

    1 激光熔覆涂層試驗(yàn)

    1.1 試樣

   核閥閥瓣和試樣的基體材料為1Cr18Ni9Ti，化學(xué)成分為：ω（C）≤0.12%，ω（Si）≤1.00%，ω（Mn）≤2.00%，ω（S）≤0.3%，ω（P）≤0.035%，ω（Cr）≤17.00%，ω（Ni）≤8.00%，ω（Ti）=5（ω（C）~0.02%）~0.8%。核閥為20HJ63Y-20P型截止閥，閥瓣密封圓錐面尺寸為Φ40mm×Φ14mm×18mm；試驗(yàn)采用25mm×20mm×10mm矩塊和Φ38mm×3mm圓形試樣。

    1.2 涂層合金

   根據(jù)核閥運(yùn)行工況要求，采用Co基合金粉末，粒度為0.048~0.074mm，化學(xué)成分為：ω（C）≤0.70%，ω（Cr）≤26.00%，ω（Si）≤2.00%，ω（Ω）≤5.00%，ω（B）≤0.70%，ω（Fe）≤5.00%，余量為ω（Co）。

    1.3 熔覆涂層工藝

   采用預(yù)置粉末法工藝。以自行研制的105粘結(jié)劑將粉末涂敷于試樣表面，預(yù)敷層厚度為3mm，并烘干。

   熔覆試驗(yàn)采用HGL-90型5kW連續(xù)可調(diào)橫流式CO₂激光器。熔覆時(shí)，核閥閥瓣和試樣固定于工作臺(tái)（或三爪卡盤(pán)）上，由MNC801微機(jī)系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)上的工件沿x-y方向做二維運(yùn)動(dòng)，由微機(jī)按工藝要求自動(dòng)控制工件以一定速度和相對(duì)光束的掃描運(yùn)行，搭接率為50%。工作時(shí)，導(dǎo)光系統(tǒng)的反射鏡和透鏡通水冷卻。為防止熔覆過(guò)程中熔池氧化，熔覆時(shí)用氬氣保護(hù)。熔覆工藝參數(shù)為：激光功率3~4kW，掃描速度10~20mm/s，光斑直徑5mm。此外，采用等離子熔涂在相同條件下處理了相應(yīng)的對(duì)比試樣。

    2 激光熔覆層組織和硬度

   試驗(yàn)中的激光熔覆層厚度達(dá)3mm，熔層表面光滑平整，粗糙度達(dá)到Ra6.3μm，密封面的平整度在0.4mm以下。采用MeF₃光學(xué)金相顯微鏡及所附顯微硬度計(jì)觀察熔層顯微組織，進(jìn)行晶粒度評(píng)價(jià)，測(cè)定顯微硬度和熱影響區(qū)寬度，分析熔層缺陷。用JSM35C和S650型掃描電鏡對(duì)試樣的熔區(qū)、熱影響區(qū)和基體進(jìn)行高倍金相組織形貌分析；用EDAX-9100型能譜儀測(cè)定各微區(qū)成分，評(píng)價(jià)熔覆層的稀釋率。

    2.1 顯微組織

   激光熔覆后，垂直于掃描方向的橫截面的組織可明顯分為熔化區(qū)、熱影響區(qū)和基體3個(gè)區(qū)域（圖1、2）。

    1）熔化區(qū)的組織形貌

   在Co基合金熔覆層內(nèi)靠近基體部位有一層等軸晶激冷層。這是由于在熔化的合金粉末涂層和基體之間存在著很大的溫度梯度而使熔體產(chǎn)生較大的過(guò)冷度形成的。

    2）激光熔覆Co基熔覆層的相結(jié)構(gòu)

   X射線結(jié)構(gòu)分析結(jié)果示于圖3。由圖3可以看出：Co基合金激光熔覆層的相結(jié)構(gòu)為FCC.Co基固熔體+Cr₇C₃+Cr₂B。

    3）熱影響區(qū)

   基體為奧氏體鋼（1Cr18Ni9Ti），受高能激光加熱后出現(xiàn)了奧氏體晶粒的長(zhǎng)大。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于奧氏體受熱影響后發(fā)生了晶界移動(dòng)，移動(dòng)的結(jié)果是大晶粒吞并小晶粒。大晶粒長(zhǎng)大、小晶粒消失過(guò)程在較短的時(shí)間內(nèi)完成。

   在激光熔覆中，固熔結(jié)合層極?。?~8μm），激光沉積深度淺，輸入基體的能量少，激光熔覆的熱影響區(qū)寬度窄。用MeF₃金相顯微鏡的附件測(cè)微尺測(cè)量激光熔覆熱影響區(qū)寬度為20~30μm，是等離子熔涂層熱影響區(qū)寬度的1/8~1/12。激光熔覆時(shí)，若工藝參數(shù)匹配不當(dāng)，則因熱應(yīng)力和組織應(yīng)力作用易產(chǎn)生裂紋，影響零件質(zhì)量。本研究通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)匹配，加之激光熔覆熱影響區(qū)甚窄，熱應(yīng)力小，故激光熔覆的裂紋傾向遠(yuǎn)比等離子熔涂低。

    2.2 晶粒度

   激光熔覆過(guò)程中預(yù)置涂層粉末全熔，基體發(fā)生微熔，熔化粉末和基體間不存在間隙，處于冷態(tài)的基體對(duì)于熔池金屬如同模壁，在熔化的粉末和基體間存在著很大的溫度梯度，使熔體產(chǎn)生較大的過(guò)冷度。因此，熔體在近基體界面部位形成一層細(xì)密的等軸晶激冷層^[2]。

   激光熔池中上部的冷卻速度很高，結(jié)晶后可獲細(xì)小的枝晶組織，晶粒度達(dá)12級(jí)（YB27-77標(biāo)準(zhǔn)）（圖4）。激光熔覆閥瓣的晶粒度比等離子熔涂層的晶粒度高3個(gè)等級(jí)。

    2.3 稀釋率

   稀釋率是評(píng)價(jià)一種工藝優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)。熔覆稀釋率低，表明熔層受基體中Fe、Ni、Ti等元素的影響小，因此，可有效發(fā)揮預(yù)設(shè)計(jì)的合金熔覆材料的固有特性。使用JSM35C掃描電鏡測(cè)定閥瓣激光熔覆層、等離子熔涂層的成分，得到稀釋率列于表1。結(jié)果表明：激光熔覆層的稀釋率明顯低于等離子熔涂層的。激光熔覆層受Fe、Ti、Ni的稀釋率分別約為等離子熔涂層的1/3、1/10和1/7。

表1 激光熔覆與等離子熔涂層的稀釋率比較

    2.4 顯微硬度

    激光熔覆層硬度值是保證熔層性能的重要指標(biāo)。

   實(shí)驗(yàn)中觀察到：掃描速度提高，激光熔層的硬度顯著上升；在同一熔層內(nèi)，從表面到熱影響區(qū)，硬度值的變化不大，呈緩慢下降趨勢(shì)；熱影響區(qū)的硬度值陡降。

   用MeF₃光學(xué)顯微鏡及其附件顯微硬度計(jì)測(cè)定的激光熔覆、等離子熔涂層顯微硬度（Hm200g）列于表2。結(jié)果表明：激光熔覆層顯微硬度比等離子熔涂層高44.1%，硬度橫向均勻性比等離子熔涂層高40%。

表2 激光熔覆層與等離子熔涂層顯微硬度對(duì)比

    3 高溫磨損試驗(yàn)

    3.1 試驗(yàn)裝置

   高溫沖擊滑動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)由主機(jī)、加熱裝置、氣動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)和潤(rùn)滑冷卻裝置等5部分組成（圖5）。主機(jī)由普通車床改裝而成，轉(zhuǎn)速為48~1000r/min，分8擋。高頻感應(yīng)加熱裝置為GP15-B型，功率15kW，工件往復(fù)運(yùn)動(dòng)及停頓時(shí)間均由定時(shí)器控制氣動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。沖擊力的大小由減壓閥調(diào)節(jié)。

    3.2 試樣和試驗(yàn)條件

    3.2.1 試樣 

   試樣制成環(huán)形，外圓直徑為38mm，內(nèi)圓直徑30mm，高10mm。分別經(jīng)激光熔覆Co基合金粉末和等離子熔涂Co基合金粉末處理，激光熔覆層、等離子熔涂層厚度均約為3mm。磨削至Ra0.25后，用500^#水磨砂紙拋光（劃痕沿圓弧方向）。預(yù)熱溫度為室溫（25℃）。

    3.2.2 對(duì)磨試樣

    材料為45鋼，外徑為38mm，內(nèi)徑為28mm，采用高頻加熱至（450~800）℃。

    3.2.3 試驗(yàn)條件

    1）用內(nèi)燃機(jī)汽缸潤(rùn)滑油冷卻，每磨損一循環(huán)涂油一次；
    2）磨損循環(huán)時(shí)間4s，接觸時(shí)間0.3s；
   3）磨損軸向載荷180kgf（汽缸壓力3kgf/cm²），沖壓行程20mm；
    4）磨損滑動(dòng)速度1.33m/s（機(jī)床轉(zhuǎn)速670r/min）；
   5）在試驗(yàn)前后，試樣經(jīng)洗潔精、酒精、丙酮清洗吹干后，置干燥器內(nèi)靜置2h以上，然后，用萬(wàn)分之**平稱量，測(cè)定磨損失質(zhì)量，并用體視顯微鏡觀察其磨損表面形貌。

    3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

   為提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別對(duì)激光熔覆和等離子熔涂的數(shù)組試樣進(jìn)行了抗高溫沖擊滑動(dòng)磨損試驗(yàn)。同一組內(nèi)各試樣的磨損失重雖略有變化，但各組的平均磨損失重基本一致，證明所采用的抗高溫沖擊滑動(dòng)試驗(yàn)方法可行，試驗(yàn)結(jié)果可靠。表3列出其中一組激光熔覆和等離子熔涂試樣的抗高溫沖擊滑動(dòng)磨損性能考核試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明：經(jīng)500、1000、1500、2000、2500、3000次高溫磨損后，激光熔覆試樣的磨損失重量約為等離子熔涂試樣的1/2，說(shuō)明激光熔覆層的抗高溫沖擊滑動(dòng)磨損性能明顯優(yōu)于等離子熔涂層。

表3 高溫沖擊滑動(dòng)磨損試驗(yàn)結(jié)果

   注：磨損試驗(yàn)溫度為（450~800）℃

    4 結(jié)果分析和結(jié)論

   1）由于激光功率密度高，加熱速度快，使熔層和基體表層加熱后迅速熔化，急速冷卻時(shí)過(guò)冷度大，熔池中的合金元素快速形成多種化合物而增加非自發(fā)晶核的數(shù)量，使形核率大大提高，因而形成了細(xì)小均勻的顯微組織。組織細(xì)密不僅提高了晶界結(jié)合力，還能減少單位晶界上的雜質(zhì)含量，從而使熔層的硬度、強(qiáng)韌性、耐磨性等表層綜合性能明顯提高。

   2）激光熔覆層的稀釋率明顯低于等離子熔涂層。激光熔覆時(shí)，與基體的互熔結(jié)合區(qū)薄，沉積深度淺，基體參與熔解甚微，熔層與基體間元素相互擴(kuò)散小。故基體成分對(duì)合金熔層成分稀釋影響極小，可有效保留表面熔層材料的合金成分，保持其高硬度、高耐磨性等優(yōu)良性能。

   3）熔層材料為以Co、Cr、W元素為主的Co基合金，大部分Cr與所有Co組成固溶體，部分Cr形成Cr₇C₃和Cr₂B，因而，具有很高的硬度和耐磨性。一部分W將與C形成碳化鎢，主要為WC，在高于1800℃方可形成W₂C，從而使得熔層具有很好的紅硬性。

   4）激光束作用在熔池中產(chǎn)生的對(duì)流傳質(zhì)作用能充分?jǐn)嚢枞鄢?，使熔池中氣體和夾雜物上浮析出，從而形成致密的涂層，保證了熔層的質(zhì)量。等離子熔涂過(guò)程則是利用等離子體使合金粉末熔化、加速、通過(guò)大氣空間再噴射到基體材料表層，同時(shí)有空氣混入焊層。等離子熔涂過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)熔池對(duì)流攪拌現(xiàn)象，熔體中氣體夾雜物難以上浮析出，在噴涂層的上部及界面部位往往存在較多的氣孔和夾雜物分布在粗大的枝晶之間，降低了噴涂層的耐磨性、耐腐蝕性以及閥瓣的密封性能。

   與等離子熔涂層相比，激光熔覆層的組織細(xì)密，顯微硬度高而均勻，氣孔、夾雜物大為減少，晶粒度高3個(gè)等級(jí)，熱影響區(qū)寬度小許多，稀釋率大大降低。這些皆有利于提高核閥零件的抗高溫沖擊滑動(dòng)磨損性能、強(qiáng)韌性、耐磨性、耐腐蝕性等表層性能。磨損試驗(yàn)結(jié)果表明：激光熔覆層的抗高溫沖擊滑動(dòng)磨損性能明顯優(yōu)于等離子熔涂層，激光熔覆層的磨損失重量?jī)H為等離子熔涂層的磨損失重量的1/2。