上海閥門了解到某氮肥廠氨基甲酸銨組合閥閥體及進、排液閥板均采用 0Cr18Ni12Mo3Ti 耐酸不鏽鋼製造，閥麵研磨後離子氮化處理，臥式運行。該設備在生產運行中閥體、閥板間產生強烈的低頻撞擊實現閥門的開合，甲銨液屬強腐蝕性介質，加上 200℃ 左右的溫度，故密封麵會因衝擊、腐蝕等綜合作用而造成疲勞和開裂，從而導致泄漏。泄漏不僅浪費了資源、能源和汙染環境，而且影響設備的生產能力，甚至造成停產。
上shang海hai閥fa門men認ren為wei由you於yu該gai組zu合he閥fa零ling件jian密mi封feng麵mian凸tu台tai太tai窄zhai小xiao，如ru采cai用yong傳chuan統tong的de等deng離li子zi噴pen焊han和he火huo焰yan堆dui焊han工gong藝yi，一yi則ze變bian形xing大da，二er則ze不bu好hao操cao作zuo。采cai用yong激ji光guang熔rong覆fu工gong藝yi，由you於yu高gao能neng激ji光guang束shu熱re源yuan集ji中zhong，能neng量liang密mi度du大da，作zuo用yong時shi間jian短duan，對dui基ji體ti熱re影ying響xiang極ji小xiao．故能很好地滿足加工要求。我們在這種閥門狹窄的密封麵上用激光熔覆一層鈷基自熔性合金，大大地提高了密封麵的耐高溫、耐震、抗蠕變、抗磨損、抗腐蝕性能，提高了密封麵的可靠性、安(an)全(quan)性(xing)，減(jian)少(shao)停(ting)機(ji)時(shi)間(jian)，使(shi)其(qi)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)比(bi)原(yuan)氮(dan)化(hua)處(chu)理(li)延(yan)長(chang)一(yi)倍(bei)以(yi)上(shang)。在(zai)激(ji)光(guang)熔(rong)覆(fu)時(shi)發(fa)現(xian)，激(ji)光(guang)作(zuo)用(yong)層(ceng)內(nei)存(cun)在(zai)大(da)的(de)熱(re)應(ying)力(li)和(he)開(kai)裂(lie)傾(qing)向(xiang)是(shi)影(ying)響(xiang)其(qi)質(zhi)量(liang)的(de)最(zui)主(zhu)要(yao)原(yuan)因(yin)，特(te)別(bie)是(shi)對(dui)於(yu)厚(hou)層(ceng)熔(rong)覆(fu)，裂(lie)紋(wen)常(chang)常(chang)難(nan)以(yi)避(bi)免(mian)。本(ben)文(wen)將(jiang)介(jie)紹(shao)組(zu)合(he)閥(fa)零(ling)件(jian)密(mi)封(feng)麵(mian)的(de)激(ji)光(guang)熔(rong)覆(fu)工(gong)藝(yi)及(ji)試(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)，並(bing)對(dui)熔(rong)覆(fu)質(zhi)量(liang)和(he)後(hou)續(xu)加(jia)工(gong)作(zuo)了(le)討(tao)論(lun)分(fen)析(xi)。
1 試驗條件與方法
0Cr18Ni12Mo3Ti 奧氏體耐酸不鏽鋼製閥體零件如圖 1 所示，閥體上分布有十幾個通孔和盲孔。激光熔覆用鈷基自熔性合金粉末為 FCo-05，化學成分 w（%）為：0.25C，19Cr，29Ni，5~6Mo，4Si，3B，2~5Fe，餘為 Co；粘結劑為 2123 酚醛樹脂，用乙醉稀釋調和。
奧氏體耐酸不鏽鋼製閥體零件圖（圖 1）
試驗裝置為 HGL-90 型 5kW 橫流連續波 CO2 激光器：試件由數控回轉工作台驅動。試件上預塗敷合金粉末層厚度 0.8~2.5mm，塗後緩升至 400℃ 後保溫 1~2h 進行預熱。激光熔覆時其功率為 2~3kW，掃描速度 3~4mm/s，用焦距 600mm 反射鏡聚焦，聚焦光斑直徑 5~8mm；若第二次重熔時激光功率 1.7~2.1kW，掃描速度不變。采用氧乙炔火焰跟蹤熔池以補償熱能；熔覆後及時於 500℃ 去應力退火，隨爐緩冷降溫。
用金相顯微鏡、顯微硬度計、X 射線衍射儀觀察分析熔覆層組織和性能。
2 試驗結果
FCo-05 合金在 0Cr18Ni12Mo3Ti 基ji體ti上shang激ji光guang熔rong覆fu後hou在zai結jie合he區qu的de形xing貌mao，激ji光guang熔rong層ceng與yu基ji體ti之zhi間jian存cun在zai一yi較jiao窄zhai的de白bai亮liang帶dai，這zhe是shi敷fu層ceng與yu基ji體ti金jin屬shu在zai熱re源yuan作zuo用yong下xia合he金jin交jiao互hu擴kuo散san而er形xing成cheng的de固gu溶rong結jie合he層ceng，表biao示shi己ji形xing成cheng了le良liang好hao的de冶ye金jin結jie合he。熔rong覆fu層ceng由you於yu冷leng卻que速su度du很hen快kuai，結jie晶jing後hou會hui獲huo得de非fei常chang細xi小xiao的de枝zhi晶jing組zu織zhi，晶jing粒li度du達da 11 級（YB27-77 標準）。
3 分析討論
3.1 熱應力及開裂
試驗中，在 0.8~2.5mm 塗敷厚度均未發現有氣孔現象。熔覆層厚度較大時容易開裂，激光掃描時即可聽到斷續的清脆崩裂聲，且多發生於距熔池後 80~100mm 處chu。即ji使shi采cai用yong二er次ci掃sao描miao重zhong熔rong，也ye隻zhi能neng消xiao除chu部bu分fen裂lie紋wen。由you於yu熔rong覆fu層ceng合he金jin的de膨peng脹zhang係xi數shu與yu基ji體ti金jin屬shu不bu一yi致zhi，膨peng脹zhang係xi數shu過guo大da，在zai凝ning固gu收shou縮suo時shi產chan生sheng拉la應ying力li，拉la應ying力li超chao過guo了le當dang時shi溫wen度du下xia材cai料liao的de抗kang拉la極ji限xian強qiang度du，因yin而er產chan生sheng了le裂lie紋wen。激ji光guang熔rong覆fu由you於yu快kuai速su加jia熱re和he速su冷leng（104~106℃/s），熔池壽命很短，常使熔層中可能存在的氧化物、硫化物和其它雜質來不及釋放出來，它們存於覆層中，很容易成為裂紋源。另外，熔覆層在瞬間凝固結晶，晶界位錯、空位增多，同時熱脆性增大，塑韌度下降，開裂敏感性也就增大。覆層越厚，以上情況就越明顯。加大功率密度、減慢掃描速度以延長熔池壽命、增大能量輸入，能起到一些好的效果，但需適當控製。因激光能量密度 P/vL 和激光熱線性輸入 P/v（P 為激光功率；v 為激光掃描速度；L 為光束寬度）與稀釋度有一定的對應關係，P 增大，v 減小，稀釋度必然增大。而激光熔覆時要求其稀釋度盡可能低（＜10%）。在不鏽鋼和 FCo-05 合金粉末中．鉬含量較高，Cieslack 等人已證明鉬會在不鏽鋼中形成低熔點 X 相xiang，這zhe些xie多duo餘yu的de低di熔rong點dian液ye體ti可ke能neng是shi不bu鏽xiu鋼gang產chan生sheng裂lie紋wen的de原yuan因yin。稀xi釋shi度du的de增zeng大da，基ji體ti熱re影ying響xiang區qu增zeng大da，必bi然ran會hui增zeng大da熱re影ying響xiang區qu的de開kai裂lie傾qing向xiang，這zhe在zai薄bo層ceng熔rong覆fu己ji得de到dao了le證zheng明ming。故gu不bu同tong厚hou度du的de覆fu層ceng，需xu選xuan用yong不bu同tong的de功gong率lv密mi度du和he掃sao描miao速su度du。通tong過guo試shi驗yan，同tong時shi考kao慮lv材cai料liao的de熔rong點dian、吸收係數等因素，來選擇最佳功率密度和掃描速度。在預敷粉末層厚度 1.2~2mm 時，在熔池後麵 50~70mm 處采用氧乙炔火焰對熔覆道跟蹤後熱，以增大熱能，減小熱應力，證明是減少裂紋的行之有效的方法。
3.2 閥體激光熔覆麵平整度的控製
基ji於yu熔rong覆fu道dao截jie麵mian常chang呈cheng半ban月yue形xing覆fu於yu基ji體ti及ji熔rong覆fu層ceng深shen度du方fang向xiang存cun在zai硬ying度du落luo差cha這zhe一yi事shi實shi，為wei保bao證zheng後hou續xu加jia工gong得de到dao足zu夠gou寬kuan的de密mi封feng環huan麵mian及ji理li想xiang的de表biao麵mian硬ying度du，應ying根gen據ju試shi驗yan結jie果guo設she計ji合he理li的de工gong藝yi尺chi寸cun，即ji控kong製zhi表biao麵mian加jia工gong餘yu量liang並bing將jiang熔rong覆fu環huan麵mian寬kuan度du適shi當dang放fang寬kuan。對dui於yu同tong一yi平ping麵mian多duo圈quan熔rong覆fu，熔rong覆fu麵mian的de平ping整zheng性xing就jiu顯xian得de至zhi關guan重zhong要yao了le。平ping整zheng性xing不bu好hao，將jiang造zao成cheng各ge密mi封feng環huan麵mian寬kuan度du不bu等deng及ji環huan麵mian表biao麵mian硬ying度du落luo差cha過guo大da，影ying響xiang密mi封feng副fu配pei對dui以yi及ji使shi用yong壽shou命ming。由you於yu尚shang未wei提ti出chu預yu敷fu粉fen末mo法fa激ji光guang熔rong覆fu截jie麵mian半ban徑jing關guan係xi式shi，所suo以yi對dui於yu多duo圈quan熔rong覆fu，一yi要yao注zhu意yi環huan帶dai凸tu台tai寬kuan度du一yi致zhi，二er要yao避bi免mian基ji體ti加jia工gong出chu現xian凹ao、凸平麵，三要控製預敷粉末厚度的一致性，四要采用相同的激光工藝參數，以控製熔覆麵平整度小於 0.2mm。
3.3 預熱及後熱的溫度控製
預熱：400~420℃ 保溫 1~2h，以增大熱容量，可降低熔覆層冷卻速度，減小殘餘應力，亦是防止冷裂紋的有效措施。
後熱：500℃ 保溫 2h 後隨爐緩冷。此舉是利用熔覆層在高溫時屈服強度下降和蠕變現象達到鬆馳殘餘應力的目的。
預熱及後熱溫度均避開了 500~850℃ 溫度範圍，因 0Cr18Ni12Mo3Ti 如在該範圍被二次加熱或在該溫度範圍內緩慢冷卻，奧氏體中的碳就以碳化鉻（Cr3C6）的形式從固溶體中析出，使靠近晶界的一薄層固溶體的鉻降低到鈍化所必需的最低含鉻量 12% 以下成為陽極，碳化物本身和稍遠不缺鉻的固溶體為陰極，與具有很強晶間腐蝕破壞力的脲液（NH2COONH4＋H2O → NH2COOH+＋NH3·H2O）接觸，形成小陽極大陰極的微電池，陽極（晶界臨界區域）受到強烈的電化學腐蝕。腐蝕沿晶間產生和發展，可能在表麵上形成裂紋。
4 上海閥門研究結論
（1）對耐酸不鏽鋼閥門零件密封麵進行激光熔覆加工，可加工性好，在質量上可以得到無裂紋、無氣孔和無夾渣等缺陷並與基體形成可靠冶金結合的熔層，其熔層組織細密，強度、韌性、硬度高。該工藝還可加工複雜表麵，熔層厚度達 2mm。根據資料對比顯示，熔層晶粒度分別比等離子噴焊、火焰堆焊晶粒度高 2~3 個等級，硬度分布均勻性也得到相應提高。
（2）激光熔覆化工閥門時應充分考慮材科、結構形狀、熱處理性質等因素，設計合理的激光工藝參數、工藝尺寸和預、後熱溫度，以取得理想的表麵改性效果。
上海閥門了解到某氮肥廠氨基甲酸銨組合閥閥體及進、排液閥板均采用 0Cr18Ni12Mo3Ti 耐酸不鏽鋼製造，閥麵研磨後離子氮化處理，臥式運行。該設備在生產運行中閥體、閥板間產生強烈的低頻撞擊實現閥門的開合，甲銨液屬強腐蝕性介質，加上 200℃ 左右的溫度，故密封麵會因衝擊、腐蝕等綜合作用而造成疲勞和開裂，從而導致泄漏。泄漏不僅浪費了資源、能源和汙染環境，而且影響設備的生產能力，甚至造成停產。
上shang海hai閥fa門men認ren為wei由you於yu該gai組zu合he閥fa零ling件jian密mi封feng麵mian凸tu台tai太tai窄zhai小xiao，如ru采cai用yong傳chuan統tong的de等deng離li子zi噴pen焊han和he火huo焰yan堆dui焊han工gong藝yi，一yi則ze變bian形xing大da，二er則ze不bu好hao操cao作zuo。采cai用yong激ji光guang熔rong覆fu工gong藝yi，由you於yu高gao能neng激ji光guang束shu熱re源yuan集ji中zhong，能neng量liang密mi度du大da，作zuo用yong時shi間jian短duan，對dui基ji體ti熱re影ying響xiang極ji小xiao．故能很好地滿足加工要求。我們在這種閥門狹窄的密封麵上用激光熔覆一層鈷基自熔性合金，大大地提高了密封麵的耐高溫、耐震、抗蠕變、抗磨損、抗腐蝕性能，提高了密封麵的可靠性、安(an)全(quan)性(xing)，減(jian)少(shao)停(ting)機(ji)時(shi)間(jian)，使(shi)其(qi)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)比(bi)原(yuan)氮(dan)化(hua)處(chu)理(li)延(yan)長(chang)一(yi)倍(bei)以(yi)上(shang)。在(zai)激(ji)光(guang)熔(rong)覆(fu)時(shi)發(fa)現(xian)，激(ji)光(guang)作(zuo)用(yong)層(ceng)內(nei)存(cun)在(zai)大(da)的(de)熱(re)應(ying)力(li)和(he)開(kai)裂(lie)傾(qing)向(xiang)是(shi)影(ying)響(xiang)其(qi)質(zhi)量(liang)的(de)最(zui)主(zhu)要(yao)原(yuan)因(yin)，特(te)別(bie)是(shi)對(dui)於(yu)厚(hou)層(ceng)熔(rong)覆(fu)，裂(lie)紋(wen)常(chang)常(chang)難(nan)以(yi)避(bi)免(mian)。本(ben)文(wen)將(jiang)介(jie)紹(shao)組(zu)合(he)閥(fa)零(ling)件(jian)密(mi)封(feng)麵(mian)的(de)激(ji)光(guang)熔(rong)覆(fu)工(gong)藝(yi)及(ji)試(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)，並(bing)對(dui)熔(rong)覆(fu)質(zhi)量(liang)和(he)後(hou)續(xu)加(jia)工(gong)作(zuo)了(le)討(tao)論(lun)分(fen)析(xi)。
1 試驗條件與方法
0Cr18Ni12Mo3Ti 奧氏體耐酸不鏽鋼製閥體零件如圖 1 所示，閥體上分布有十幾個通孔和盲孔。激光熔覆用鈷基自熔性合金粉末為 FCo-05，化學成分 w（%）為：0.25C，19Cr，29Ni，5~6Mo，4Si，3B，2~5Fe，餘為 Co；粘結劑為 2123 酚醛樹脂，用乙醉稀釋調和。
奧氏體耐酸不鏽鋼製閥體零件圖（圖 1）
試驗裝置為 HGL-90 型 5kW 橫流連續波 CO2 激光器：試件由數控回轉工作台驅動。試件上預塗敷合金粉末層厚度 0.8~2.5mm，塗後緩升至 400℃ 後保溫 1~2h 進行預熱。激光熔覆時其功率為 2~3kW，掃描速度 3~4mm/s，用焦距 600mm 反射鏡聚焦，聚焦光斑直徑 5~8mm；若第二次重熔時激光功率 1.7~2.1kW，掃描速度不變。采用氧乙炔火焰跟蹤熔池以補償熱能；熔覆後及時於 500℃ 去應力退火，隨爐緩冷降溫。
用金相顯微鏡、顯微硬度計、X 射線衍射儀觀察分析熔覆層組織和性能。
2 試驗結果
FCo-05 合金在 0Cr18Ni12Mo3Ti 基ji體ti上shang激ji光guang熔rong覆fu後hou在zai結jie合he區qu的de形xing貌mao，激ji光guang熔rong層ceng與yu基ji體ti之zhi間jian存cun在zai一yi較jiao窄zhai的de白bai亮liang帶dai，這zhe是shi敷fu層ceng與yu基ji體ti金jin屬shu在zai熱re源yuan作zuo用yong下xia合he金jin交jiao互hu擴kuo散san而er形xing成cheng的de固gu溶rong結jie合he層ceng，表biao示shi己ji形xing成cheng了le良liang好hao的de冶ye金jin結jie合he。熔rong覆fu層ceng由you於yu冷leng卻que速su度du很hen快kuai，結jie晶jing後hou會hui獲huo得de非fei常chang細xi小xiao的de枝zhi晶jing組zu織zhi，晶jing粒li度du達da 11 級（YB27-77 標準）。
3 分析討論
3.1 熱應力及開裂
試驗中，在 0.8~2.5mm 塗敷厚度均未發現有氣孔現象。熔覆層厚度較大時容易開裂，激光掃描時即可聽到斷續的清脆崩裂聲，且多發生於距熔池後 80~100mm 處chu。即ji使shi采cai用yong二er次ci掃sao描miao重zhong熔rong，也ye隻zhi能neng消xiao除chu部bu分fen裂lie紋wen。由you於yu熔rong覆fu層ceng合he金jin的de膨peng脹zhang係xi數shu與yu基ji體ti金jin屬shu不bu一yi致zhi，膨peng脹zhang係xi數shu過guo大da，在zai凝ning固gu收shou縮suo時shi產chan生sheng拉la應ying力li，拉la應ying力li超chao過guo了le當dang時shi溫wen度du下xia材cai料liao的de抗kang拉la極ji限xian強qiang度du，因yin而er產chan生sheng了le裂lie紋wen。激ji光guang熔rong覆fu由you於yu快kuai速su加jia熱re和he速su冷leng（104~106℃/s），熔池壽命很短，常使熔層中可能存在的氧化物、硫化物和其它雜質來不及釋放出來，它們存於覆層中，很容易成為裂紋源。另外，熔覆層在瞬間凝固結晶，晶界位錯、空位增多，同時熱脆性增大，塑韌度下降，開裂敏感性也就增大。覆層越厚，以上情況就越明顯。加大功率密度、減慢掃描速度以延長熔池壽命、增大能量輸入，能起到一些好的效果，但需適當控製。因激光能量密度 P/vL 和激光熱線性輸入 P/v（P 為激光功率；v 為激光掃描速度；L 為光束寬度）與稀釋度有一定的對應關係，P 增大，v 減小，稀釋度必然增大。而激光熔覆時要求其稀釋度盡可能低（＜10%）。在不鏽鋼和 FCo-05 合金粉末中．鉬含量較高，Cieslack 等人已證明鉬會在不鏽鋼中形成低熔點 X 相xiang，這zhe些xie多duo餘yu的de低di熔rong點dian液ye體ti可ke能neng是shi不bu鏽xiu鋼gang產chan生sheng裂lie紋wen的de原yuan因yin。稀xi釋shi度du的de增zeng大da，基ji體ti熱re影ying響xiang區qu增zeng大da，必bi然ran會hui增zeng大da熱re影ying響xiang區qu的de開kai裂lie傾qing向xiang，這zhe在zai薄bo層ceng熔rong覆fu己ji得de到dao了le證zheng明ming。故gu不bu同tong厚hou度du的de覆fu層ceng，需xu選xuan用yong不bu同tong的de功gong率lv密mi度du和he掃sao描miao速su度du。通tong過guo試shi驗yan，同tong時shi考kao慮lv材cai料liao的de熔rong點dian、吸收係數等因素，來選擇最佳功率密度和掃描速度。在預敷粉末層厚度 1.2~2mm 時，在熔池後麵 50~70mm 處采用氧乙炔火焰對熔覆道跟蹤後熱，以增大熱能，減小熱應力，證明是減少裂紋的行之有效的方法。
3.2 閥體激光熔覆麵平整度的控製
基ji於yu熔rong覆fu道dao截jie麵mian常chang呈cheng半ban月yue形xing覆fu於yu基ji體ti及ji熔rong覆fu層ceng深shen度du方fang向xiang存cun在zai硬ying度du落luo差cha這zhe一yi事shi實shi，為wei保bao證zheng後hou續xu加jia工gong得de到dao足zu夠gou寬kuan的de密mi封feng環huan麵mian及ji理li想xiang的de表biao麵mian硬ying度du，應ying根gen據ju試shi驗yan結jie果guo設she計ji合he理li的de工gong藝yi尺chi寸cun，即ji控kong製zhi表biao麵mian加jia工gong餘yu量liang並bing將jiang熔rong覆fu環huan麵mian寬kuan度du適shi當dang放fang寬kuan。對dui於yu同tong一yi平ping麵mian多duo圈quan熔rong覆fu，熔rong覆fu麵mian的de平ping整zheng性xing就jiu顯xian得de至zhi關guan重zhong要yao了le。平ping整zheng性xing不bu好hao，將jiang造zao成cheng各ge密mi封feng環huan麵mian寬kuan度du不bu等deng及ji環huan麵mian表biao麵mian硬ying度du落luo差cha過guo大da，影ying響xiang密mi封feng副fu配pei對dui以yi及ji使shi用yong壽shou命ming。由you於yu尚shang未wei提ti出chu預yu敷fu粉fen末mo法fa激ji光guang熔rong覆fu截jie麵mian半ban徑jing關guan係xi式shi，所suo以yi對dui於yu多duo圈quan熔rong覆fu，一yi要yao注zhu意yi環huan帶dai凸tu台tai寬kuan度du一yi致zhi，二er要yao避bi免mian基ji體ti加jia工gong出chu現xian凹ao、凸平麵，三要控製預敷粉末厚度的一致性，四要采用相同的激光工藝參數，以控製熔覆麵平整度小於 0.2mm。
3.3 預熱及後熱的溫度控製
預熱：400~420℃ 保溫 1~2h，以增大熱容量，可降低熔覆層冷卻速度，減小殘餘應力，亦是防止冷裂紋的有效措施。
後熱：500℃ 保溫 2h 後隨爐緩冷。此舉是利用熔覆層在高溫時屈服強度下降和蠕變現象達到鬆馳殘餘應力的目的。
預熱及後熱溫度均避開了 500~850℃ 溫度範圍，因 0Cr18Ni12Mo3Ti 如在該範圍被二次加熱或在該溫度範圍內緩慢冷卻，奧氏體中的碳就以碳化鉻（Cr3C6）的形式從固溶體中析出，使靠近晶界的一薄層固溶體的鉻降低到鈍化所必需的最低含鉻量 12% 以下成為陽極，碳化物本身和稍遠不缺鉻的固溶體為陰極，與具有很強晶間腐蝕破壞力的脲液（NH2COONH4＋H2O → NH2COOH+＋NH3·H2O）接觸，形成小陽極大陰極的微電池，陽極（晶界臨界區域）受到強烈的電化學腐蝕。腐蝕沿晶間產生和發展，可能在表麵上形成裂紋。
4 上海閥門研究結論
（1）對耐酸不鏽鋼閥門零件密封麵進行激光熔覆加工，可加工性好，在質量上可以得到無裂紋、無氣孔和無夾渣等缺陷並與基體形成可靠冶金結合的熔層，其熔層組織細密，強度、韌性、硬度高。該工藝還可加工複雜表麵，熔層厚度達 2mm。根據資料對比顯示，熔層晶粒度分別比等離子噴焊、火焰堆焊晶粒度高 2~3 個等級，硬度分布均勻性也得到相應提高。
（2）激光熔覆化工閥門時應充分考慮材科、結構形狀、熱處理性質等因素，設計合理的激光工藝參數、工藝尺寸和預、後熱溫度，以取得理想的表麵改性效果。
