激光熔覆技术在高端阀门产品的应用

激光熔覆技术在高端阀门产品的应用

高力，朱帮忠，孙士东

浙江昌隆石化设备有限公司，浙江温州，325000

摘要：阀门因恶劣的服役条件与频繁的使用操作，极易发生腐蚀、磨损等情况，导致使用寿命被缩短，使用性能逐渐变差。为了满足高端阀门产品制作需求，改善阀门部件的抗氧化、耐热、耐蚀、耐磨等综合性能，可借助激光熔覆技术给高端阀门产品提供可靠、耐用的保护方案。本文首先探讨了阀门产品存在的腐蚀失效与磨损失效情况的形成原因，而后从熔覆材料、激光熔覆工艺等角度探讨了激光熔覆技术在高端阀门产品制造以及修复中的应用情况，以期为阀门企业提高产品质量与竞争力提供技术创新思路。

关键词：激光熔覆技术；高端阀门产品；阀门失效

阀门是提供控制流向、开闭管路、控制与调节输送介质的流量、压力、温度功能的管路附件。随着冶金、电力、化工、石油等现代工业蓬勃发展，工业阀门产品的市场需求也持续增加。阀门行业积极参与转型升级变革，在资金雄厚、技术团队经验丰富、研发实力强大、技术先进的领先阀门企业的带动下，阀门制造中引入了新方法、新工艺与新材料，部分高端阀门产品也逐渐实现国产化。现探讨激光熔覆技术在高端阀门产品中的应用情况。

1阀门失效问题分析

1.1腐蚀失效

阀门服役期间，可能会因长期受到腐蚀介质的影响而产生失效的情况，包括缝隙腐蚀与电偶腐蚀两种情况。缝隙腐蚀是因阀门缝隙而产生的腐蚀失效现象，可将其视作出现于尺寸极小的缝隙中的特殊电偶腐蚀。电偶腐蚀是阀门所用零部件间的异种金属腐蚀现象。在腐蚀电位差的影响下，低电位金属的腐蚀速度较快，高电位金属则有着较为缓慢的腐蚀速度。

采用表面涂层处理工艺与运用抗腐蚀性良好的基材是应对腐蚀失效时的常用方法。但是抗蚀基材有较为昂贵的价格，导致其难以进行大规模应用。阀门企业大多结合阀门工件的具体服役状况，将耐蚀材料堆焊到局部，从而增强阀门产品的耐腐蚀性。

1.2磨损失效

阀门在服役过程中，因反复接触流体介质与固体颗粒而形成磨损的情况，所用部件表面状态随之出现变化，逐步丧失原有功能，具体涉及磨粒磨损与腐蚀磨损两种情况。如果流动介质中有大量的固体颗粒，反复撞击、冲刷阀门产品内表面，以此引发磨粒磨损问题，导致阀门失效。腐蚀磨损主要是由于腐蚀介质破坏了流道结构，进而造成阀门失效，密封副、管道内壁面、过流部件容易出现腐蚀磨损现象。为阀门解决磨损失效问题时，大多采用改进材料与优化产品结构的对策。

2激光熔覆技术在高端阀门产品中的应用

2.1熔覆材料

高端阀门产品表面熔覆层的性能与熔覆材料的配比、选用存在紧密关系，应结合阀门所处的服役环境来确定熔覆层应有的性能。当前阀门工况较为复杂，种类丰富，应重点考虑高压、高温服役环境下的熔覆层面对的耐蚀性、耐磨性以及硬度等性能要求。

强化熔覆材料的耐磨性与硬度时，可通过加入稀土氧化物与陶瓷颗粒来实现。使用陶瓷颗粒后，颗粒在相互摩擦过程中，能够有效抑制基体材料的塑性，使基体材料形成更强的支撑能力，进而改善耐磨性能。使用稀土氧化物后，可使晶粒得到细化，缩减稀释率，对熔池发挥净化作用，提升涂层硬度，强化其耐磨性。

针对核电阀门产品，基于预防钴辐射活化以及满足密封面特定运行需求的目标，可利用无钴元素的合金粉末来强化密封面，其具有良好的抗蚀性、耐磨性与耐高温性。借助涂层中的细小、高硬的碳化物来满足弥散强化需求。碳化物产生位错后，可实现第二相强化与固溶强化。铁基与镍基合金粉末可满足核电阀门性能强化需求，其中，镍基合金具有和钴基合金较为相似的性能，能够适应腐蚀高温的恶劣环境；铁基合金涂层不仅能够满足阀门的耐磨性与可焊性要求，在价格方面还有较强的优势。

2.2激光熔覆工艺

该工艺是将多层或者一层选定材料添加到基体材料表面，以此强化其抗氧化、耐蚀耐磨等性能。首先，需要结合阀门部件的待表面改性、外观尺寸、技术要求或者待修复部位情况，设计激光熔覆技术方案。其次，实施激光熔覆加工工艺。完成加工后，针对修复或者表面改性后的阀门零部件展开检修检验，借助机加工来达到熔覆成形的加工目标。

熔覆路径、扫描速度、送粉速率、激光功率等是该工艺的主要工艺参数，能够对基体、粉末以及激光之间的相互作用产生影响，从而改变熔覆层的微观组织与表面形态，以此实现对涂层的熔覆效率、力学性能以及熔覆质量的影响。有研究者围绕油田注水泵使用数量多，组合阀频繁出现密封面失效的情况，以铁基粉末为密封面的主要熔覆材料，经过熔覆处理工艺，阀门产品的寿命延长超过0.6倍，生产成本有所降低。

为球阀等结构较为复杂的高端阀门产品实施激光熔覆工艺时，可利用配备五轴四联动加工机构的激光熔覆系统与半导体激光器，并结合对球阀产品进行激光熔覆过程中形成的空间运动轨迹，设计可计算进给量、给定参数、定位零件的程序与算法，以此满足控制加工程序的目标。修复受损阀芯时，可以几何重构与路径位姿规划为基础，优化激光熔覆工艺的应用方法，通过对阀芯部件再制造边界曲线进行跟随来完成熔覆操作，最终可制备出没有裂纹与气孔等缺陷的优质涂层。

2.3统计与仿真

影响激光熔覆工艺应用过程的因素较多，期间产生的化学与物理变化也比较复杂，这就导致工艺研究效率相对偏低，投入成本较高。所以，可通过仿真模拟与统计算法来支持该工艺的优化与研究。比如，可借助遗传算法来计算最佳工艺参数，同时在神经网络技术的支持下，构建阀门性能与工艺参数之间的定量关系的分析模型，利用设置算法控制参数、初始组、参数编码等方法，优化激光熔覆配置方案。以有限元分析软件为基础，模拟闸板表面应用激光熔覆技术的相关数值，分析工艺实施过程中的温度场与应力场，以此掌握残余应力等影响因素的分布规律。

3结论

阀门企业面对高端阀门产品的国产化发展带来的挑战，应针对现有产品存在的短板，依托激光熔覆技术，加大对优质熔覆材料的研发与应用力度，同时引入激光熔覆工艺，满足结构较为复杂、质量要求较高的高端阀门产品的制造与性能改善需求。

参考文献

[1]张婷婷.浅析调节阀失效安全阀的泄放量确定[J].山东化工,2022,51(17):187-189.

[2]陈冠秀,安立周,王硕,等.激光熔覆技术的研究概况及其发展趋势[J].机电产品开发与创新,2022,35(05):15-18+41.

[3]刘福广,李勇,杨二娟,等.超（超）临界核阀用耐热钢激光熔覆钴基合金修复研究[J].激光与光电子学进展,2021,58(05):220-228.