柳宇

（大慶油田裝備制造集團(tuán)銷售公司國際銷售分公司，黑龍江大慶163311）

1 引 言

作為流體輸送組件，閥門是石油、化工、長輸管線、造船、核工業(yè)、各種低溫工程以及海洋采油等部門不可缺少的流體控制設(shè)備。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前中國的閥門企業(yè)數(shù)量已居全世界第一，已能設(shè)計、生產(chǎn)、檢測十幾大類、3000 多個型號、50000 多個規(guī)格的閥門產(chǎn)品。我國閥門制造業(yè)更多局限于中低端閥門。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對高端閥門的要求越來越顯著，閥門的高溫耐磨性是影響其壽命的關(guān)鍵因素之一。為了提高閥門的使用壽命，傳統(tǒng)的方法有兩種：一種是直接采用優(yōu)質(zhì)的材料，另一種是采用優(yōu)質(zhì)金屬材料的基礎(chǔ)上，在零部件的關(guān)鍵部位采用堆焊等工藝涂覆一層高性能的合金。

2 激光復(fù)合強化工藝的發(fā)展

2.1 激光熔覆強化

激光熔覆是1980 年代發(fā)展起來的一種表面工程技術(shù)。與熱噴涂和堆焊技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)的能量密度高，熱影響區(qū)小，工件熱變形小，組織均勻，晶粒細(xì)小，力學(xué)性能優(yōu)良。特別是涂層與基體呈冶金結(jié)合，可以承受更大的載荷。迄今為止在國內(nèi)沒有得到大范圍的應(yīng)用。究其原因，主要在于單純采用激光熔覆存在兩個明顯的缺點：一是由于熔池溫度梯度大，冷卻速度快，熔覆層存在較大殘余應(yīng)力，易產(chǎn)生裂紋；二是加工效率低，導(dǎo)致制造成本偏高。

2.2 激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆強化

為了克服激光熔覆技術(shù)的這些缺點，激光復(fù)合強化工藝應(yīng)運而生。瑞士的Grilloud 于1990 年代率先提出了激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)。德國的Fraunhofer 研究所在激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆方面也做了大量工作，他們的主要研究工作集中在中小型尺寸零部件的激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆，并研制出結(jié)構(gòu)緊湊的專用激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆加工頭，相關(guān)工作也申請了1 項美國專利和歐洲專利。自2005 年起，國內(nèi)清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)等高等院校也開始了激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)的研究，如華中科技大學(xué)周圣豐、曾曉雁等人對激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆工藝與裝備做了較多的基礎(chǔ)研究工作。與國外同類技術(shù)相比，他們采用的技術(shù)路線存在兩個特點：一是將大尺寸和超大尺寸金屬零部件作為研究對象，所采用的感應(yīng)熱源功率高于國外同類研究；二是在激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆裝置與方法上進(jìn)行了研究，提出將激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)直接應(yīng)用在管狀金屬零部件的內(nèi)壁強化與修復(fù)，取得了較好的應(yīng)用效果。

2.3 激光-超音速熱噴涂復(fù)合沉積強化

超音速熱噴涂沉積是基于氣體動力學(xué)理論的一種先進(jìn)的表面改性技術(shù)，但由于其需要使用功率超過50kW的加熱裝置對高壓氦氣進(jìn)行加熱，消耗成本非常大，并且超音速沉積涂層存在孔隙率高、與基體結(jié)合力較弱的固有缺陷，目前超音速熱噴涂沉積的應(yīng)用還受到限制，大部分只能用于純金屬Al、Ni 等。然而，如果采用激光與超音速熱噴涂沉積二者復(fù)合的加工技術(shù)，即結(jié)合激光快速加熱與超音速沉積的“冷加工”相結(jié)合，可以有效降低超音速沉積的成本，提高沉積層質(zhì)量。激光-超音速熱噴涂復(fù)合沉積技術(shù)大大提高了涂層與基體的結(jié)合力，并且不改變涂層的組織結(jié)構(gòu)和性能。

3 石油管道關(guān)鍵閥門應(yīng)用激光復(fù)合強化技術(shù)的潛力與挑戰(zhàn)

利用激光復(fù)合強化技術(shù)沉積效率高、溫度梯度小、能夠有效防止覆層開裂的特點，如果將金屬間化合物基復(fù)合材料成功熔覆于石油管道閥門關(guān)鍵表面，可以獲得性能極其優(yōu)良的耐磨、耐高溫、防腐蝕涂層。激光復(fù)合強化技術(shù)是通過工藝方法提升石油管道關(guān)鍵閥門強度、高溫耐磨性和耐腐蝕性能的最佳選擇。然而，為了將激光復(fù)合強化技術(shù)應(yīng)用于石油管道關(guān)鍵閥門部位的強化與修復(fù)，現(xiàn)有研究工作還存在著如下關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

第一，復(fù)雜曲面形狀工件的激光復(fù)合強化工藝方法開發(fā)。如何實現(xiàn)變截面形狀條件下的激光復(fù)合強化，涉及到光、機、電、激光加工等多個技術(shù)領(lǐng)域的問題，是一個具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵技術(shù)難題；

第二，石油管道關(guān)鍵閥門激光復(fù)合強化專用熔覆粉末材料體系的開發(fā)。當(dāng)前激光復(fù)合強化應(yīng)用比較成熟的鎳基合金、鎳基合金-WC 材料體系，雖然硬度高，耐磨性好，但是后續(xù)機械加工性能差，曲面閥體和閥內(nèi)壁位置的特點使得使用磨削工具又存在一定的困難。因此，研發(fā)兼有良好的熱穩(wěn)定性、耐高溫或者特種介質(zhì)腐蝕性能、耐磨性，適合閥門性能要求、且具有良好機械加工特點的專用熔覆材料，就成為激光復(fù)合強化技術(shù)能否在石油管道關(guān)鍵閥門領(lǐng)域獲得成功工程應(yīng)用的關(guān)鍵之一。

第三，石油管道關(guān)鍵閥門激光復(fù)合強化涂層中的冶金缺陷抑制機理研究。金屬間化合物具有良好的耐高溫、耐腐蝕、耐磨性能，但是單獨作為結(jié)構(gòu)材料又存在抗沖擊性能不足等缺點。如何獲得無裂紋等冶金缺陷的涂層，是金屬間化合物基復(fù)合材料獲得工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

4 結(jié) 語

相比超音速熱噴涂沉積強化、單獨激光熔覆強化技術(shù)，激光復(fù)合強化技術(shù)（激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆、激光-超音速熱噴涂復(fù)合沉積）的技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：可以大大降低熱輸入，降低熱應(yīng)力，減少變形和后續(xù)加工；避免高溫冶金帶來的氣孔、裂紋等缺陷；提高沉積效率，是單一激光熔覆的3 倍以上；大大降低設(shè)備制造和運行成本。我國目前在激光復(fù)合強化關(guān)鍵技術(shù)、裝備方面已有一定的研究基礎(chǔ)，尤其是激光熔覆專用材料體系、復(fù)合強化工藝控制技術(shù)方面處于國際先進(jìn)水平。激光復(fù)合強化技術(shù)作為一種高效率、高質(zhì)量金屬表面強化的新工藝、新方法，對提高石油管道關(guān)鍵閥門的性能，如閥門密封面強度、閥門的高溫耐磨性和耐腐蝕性等，有著巨大的應(yīng)用潛力。

［1］ 鹿煥成.大力推進(jìn)電站閥門國產(chǎn)化加快閥門制造業(yè)發(fā)展［J］.通用機械，2005（9）：12-15.

［2］ 陳慶文，徐柳濱，等.離子堆焊技術(shù)在電站閥門中的應(yīng)用［J］.鍋爐制造，2007（1）：52-53.

［3］ MANN B S，Braham Prakash. High temperature friction and wear characteristics of various coating materials for steam valve spindle application［J］.Wear，2000（240）：223-230.

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