提高高溫干摩擦條件下閥桿表面耐磨性的方法與流程

本發(fā)明涉及一種提高高溫干摩擦條件下閥桿表面耐磨性的方法。

背景技術(shù)：

核電汽輪機(jī)組中的再熱雙閥組能夠保障汽輪機(jī)安全運(yùn)行，其閥桿工作于400℃、16.7mpa的高溫高壓環(huán)境下，且處于干摩擦狀態(tài)。在運(yùn)行過(guò)程中，一方面閥桿在高溫、高壓流場(chǎng)中承受蒸汽沖擊和來(lái)自橫向或縱向的振動(dòng)；另一方面閥桿材料在高溫下硬度下降、塑性增加，致使閥桿極易發(fā)生磨損，嚴(yán)重影響其工作性能和服役壽命。因此，要求其具有的良好的耐高溫、抗磨損和高溫自潤(rùn)滑等性能，以滿足惡劣的生產(chǎn)使用條件。

目前對(duì)閥桿的表面處理方法主要有兩大類：(1)高溫自潤(rùn)滑耐磨涂層的制備；(2)表面織構(gòu)化，專利號(hào)為zl200810224310.6的發(fā)明專利公開(kāi)了一種高溫耐磨自潤(rùn)滑涂層用復(fù)合粉體的制備的方法，采用超音速火焰噴涂的方法制備nicr/ni-cr3c2-baf2/caf2包覆型復(fù)合粉體。專利號(hào)為zl201210242669.2的發(fā)明專利公開(kāi)了一種固體自潤(rùn)滑高溫耐磨粉末組合物及其復(fù)合涂層制備方法，采用激光熔覆的方法制備以nicr-cr3c2為金屬基體，鎳包覆ws2為固體潤(rùn)滑相的復(fù)合材料涂層。這些方法能夠獲得硬度高、自潤(rùn)滑的涂層，提高零件的高溫耐磨性能。然而工作一段時(shí)間后，隨著硬質(zhì)顆粒的脫落，磨屑會(huì)擠入磨損表面對(duì)其進(jìn)行二次微觀切削，致使磨損加劇，工作表面失效。近年來(lái)，激光微織構(gòu)技術(shù)在摩擦件上已經(jīng)得到應(yīng)用，如活塞環(huán)、密封圈、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸等。在工件表面刻蝕溝槽，一方面能夠提高微溝槽內(nèi)及溝槽壁的硬度，另一方面摩擦磨損過(guò)程中收集磨屑，從而減少了摩擦磨損。但激光刻蝕的硬化層淺，提高硬度有限，耐磨性提高的幅度受到限制。因此，在高溫高壓干摩擦的工作環(huán)境下，單一使用激光處理技術(shù)不能滿足要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種提高高溫干摩擦條件下閥桿表面耐磨性的方法。

本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

提高高溫干摩擦條件下閥桿表面耐磨性的方法，特點(diǎn)是：先采用激光熔覆技術(shù)在閥桿表面形成具有高溫自潤(rùn)滑的耐磨涂層，再對(duì)其進(jìn)行激光微織構(gòu)使涂層表面產(chǎn)生規(guī)則分布的微溝槽，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)屑減摩作用；包括以下步驟：

(1)閥桿表面預(yù)處理：采用機(jī)加工方式使閥桿直徑尺寸小于設(shè)計(jì)尺寸1～2mm；

(2)閥桿表面激光熔覆涂層的制備：采用激光熔覆的方法獲得厚度為2～3mm的涂層，工藝為：

a)對(duì)機(jī)加工后的表面進(jìn)行除油清污處理，并用酒精清洗干凈，然后對(duì)閥桿預(yù)熱，預(yù)熱溫度為300～500℃，預(yù)熱時(shí)間為2～3小時(shí)；

b)配置熔覆粉末，基體材料為ni60m合金粉末，潤(rùn)滑相為caf2粉末，復(fù)合粉末質(zhì)量百分比為：ni60m合金粉末85％～95％，caf2粉末5％～15％，放入球磨機(jī)中混合均勻，攪拌時(shí)間為2～3小時(shí)；

c)采用光纖激光器、以同軸送粉的方式對(duì)閥桿表面實(shí)施多道單層熔覆；并同步使用惰性氣體保護(hù)激光熔覆區(qū)域；激光熔覆工藝參數(shù)為：激光功率為2～3kw，閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)線速度為400～600mm/min，離焦量為+2～+4mm，送粉速率為0.4～0.8g/s，搭接率為20％～40％，保護(hù)氣體流量為3～4l/min；

(3)激光熔覆后表面的后處理：將經(jīng)激光多道熔覆后的涂層放入熱處理爐中進(jìn)行退火處理，消除殘余應(yīng)力，退火溫度為400～600℃，時(shí)間為6～10小時(shí)；出爐后對(duì)熔覆涂層進(jìn)行機(jī)加工、打磨、拋光，使閥桿直徑尺寸大于設(shè)計(jì)尺寸50～100μm；

(4)激光刻蝕微溝槽：采用超快激光器對(duì)處理后的熔覆涂層刻蝕微溝槽，其工藝參數(shù)為：平均輸出功率為2～4w，脈沖頻率為50～200khz，掃描速度為50～150mm/s，掃描次數(shù)為20000～50000次，離焦量為-0.5～-1.5mm；

(5)對(duì)激光刻蝕微溝槽的表面進(jìn)行精珩磨和清洗處理，去除微溝槽邊緣和內(nèi)部的殘留物。

進(jìn)一步地，上述的提高高溫干摩擦條件下閥桿表面耐磨性的方法，其中，所述步驟(2)中的ni60m合金粉末，其成分按重量百分比為：c0.8％、cr17％、si4％、fe15％、b3.2％，余量為ni，粒度為100～325目。

進(jìn)一步地，上述的提高高溫干摩擦條件下閥桿表面耐磨性的方法，其中，所述步驟(2)中的caf2粉末為鎳包覆材料，其成分質(zhì)量百分比為：caf285％，ni15％。

進(jìn)一步地，上述的提高高溫干摩擦條件下閥桿表面耐磨性的方法，其中，所述步驟(2)中的惰性保護(hù)氣體為氬氣或氮?dú)狻?/p>

進(jìn)一步地，上述的提高高溫干摩擦條件下閥桿表面耐磨性的方法，其中，所述步驟(4)中的激光刻蝕微溝槽為三角形或六邊形。

進(jìn)一步地，上述的提高高溫干摩擦條件下閥桿表面耐磨性的方法，其中，所述步驟(4)中的超快激光器為納秒激光器、飛秒激光器或皮秒激光器。

進(jìn)一步地，上述的提高高溫干摩擦條件下閥桿表面耐磨性的方法，其中，所述步驟(4)中的微溝槽為連續(xù)條狀。

進(jìn)一步地，上述的提高高溫干摩擦條件下閥桿表面耐磨性的方法，其中，所述微溝槽的寬度為50～90μm，深度為20～80μm。

進(jìn)一步地，上述的提高高溫干摩擦條件下閥桿表面耐磨性的方法，其中，所述微溝槽的面積率為20％～35％。

進(jìn)一步地，上述的提高高溫干摩擦條件下閥桿表面耐磨性的方法，其中，所述步驟(5)中的清洗處理是用酒精和丙酮清洗閥桿工作面。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有顯著的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，具體體現(xiàn)在以下方面：

本發(fā)明將激光熔覆技術(shù)和激光微織構(gòu)技術(shù)有效結(jié)合起來(lái)，解決了再熱雙閥組閥桿在高溫干摩擦的條件下極易磨損的問(wèn)題。該復(fù)合工藝可以使閥桿表面既具有高溫自潤(rùn)滑和高的硬度，又具有儲(chǔ)屑減摩的溝槽，從而增強(qiáng)高溫干摩擦條件下閥桿的耐磨性能，提高其服役壽命。

附圖說(shuō)明

圖1：本發(fā)明的工藝流程示意圖。

具體實(shí)施方式

為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)照附圖詳細(xì)說(shuō)明具體實(shí)施方案。

如圖1所示，提高高溫干摩擦條件下閥桿表面耐磨性的復(fù)合工藝，其工藝步驟為：(1)對(duì)閥桿表面進(jìn)行預(yù)處理；(2)對(duì)預(yù)處理的閥桿表面進(jìn)行激光熔覆；(3)對(duì)激光熔覆后的表面進(jìn)行后處理；(4)對(duì)機(jī)加工后的表面進(jìn)行激光刻蝕微溝槽；(5)對(duì)激光刻蝕微溝槽的表面進(jìn)行精珩磨和清洗處理，去除微溝槽邊緣和內(nèi)部的殘留物。

實(shí)施例1：

(1)閥桿表面預(yù)處理：采用常規(guī)的機(jī)加工，使閥桿直徑尺寸小于設(shè)計(jì)尺寸1mm；

(2)閥桿表面激光熔覆涂層的制備：采用激光熔覆的方法獲得厚度為2mm的涂層，具體為：

a)對(duì)機(jī)加工后的表面進(jìn)行除油清污處理，并用酒精清洗干凈，然后對(duì)閥桿預(yù)熱，預(yù)熱溫度為400℃，預(yù)熱時(shí)間為2小時(shí)；

b)配置熔覆粉末，基體材料為ni60m合金粉末，潤(rùn)滑相為caf2粉末，復(fù)合粉末質(zhì)量百分比為：ni60m合金粉末85％，caf2粉末15％，放入球磨機(jī)中混合均勻，攪拌時(shí)間為2小時(shí)；

c)采用光纖激光器、以同軸送粉的方式對(duì)閥桿表面實(shí)施多道單層熔覆；并同步使用惰性氣體保護(hù)激光熔覆區(qū)域；激光熔覆工藝參數(shù)為：激光功率為3kw，閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)線速度為450mm/min，離焦量為+3mm，送粉速率為0.5g/s，搭接率為30％，保護(hù)氣體流量為4l/min。

(3)激光熔覆后表面的后處理：將經(jīng)激光多道熔覆后的涂層放入熱處理爐中進(jìn)行退火處理，消除殘余應(yīng)力，退火溫度為500℃，時(shí)間為6小時(shí)；出爐后對(duì)熔覆涂層進(jìn)行機(jī)加工、打磨、拋光，使閥桿直徑尺寸離設(shè)計(jì)尺寸60μm；

(4)激光刻蝕微溝槽：采用超快激光器對(duì)處理后的熔覆涂層刻蝕微溝槽，其工藝參數(shù)為：平均輸出功率為2.5w，脈沖頻率為100khz，掃描速度為100mm/s，掃描次數(shù)為20000次，離焦量為-1mm。獲得了寬度為50μm，深度為25μm，面積率為28％的連續(xù)微溝槽；

(5)對(duì)激光刻蝕微溝槽的表面進(jìn)行精珩磨和清洗處理，去除微溝槽邊緣和內(nèi)部的殘留物。

采用本發(fā)明處理的閥桿面平均顯微硬度為560hv0.3，約為閥桿基體的2.8倍，經(jīng)摩擦磨損機(jī)檢測(cè)(溫度400℃、載荷15n、干摩擦工況)，摩擦系數(shù)為0.19，磨損量為0.0055g，相比于閥桿基體分別下降了73.29％和90.51％。

實(shí)施例2：

(1)閥桿表面預(yù)處理：采用常規(guī)的機(jī)加工，使閥桿直徑尺寸小于設(shè)計(jì)尺寸1mm；

(2)閥桿表面激光熔覆涂層的制備：采用激光熔覆的方法獲得厚度為2mm的涂層，具體為：

a)對(duì)機(jī)加工后的表面進(jìn)行除油清污處理，并用酒精清洗干凈，然后對(duì)閥桿預(yù)熱，預(yù)熱溫度為400℃，預(yù)熱時(shí)間為2小時(shí)；

b)配置熔覆粉末，基體材料為ni60m合金粉末，潤(rùn)滑相為caf2粉末，復(fù)合粉末質(zhì)量百分比為：ni60m合金粉末90％，caf2粉末10％，放入球磨機(jī)中混合均勻，攪拌時(shí)間為2小時(shí)；

c)采用光纖激光器、以同軸送粉的方式對(duì)閥桿表面實(shí)施多道單層熔覆；并同步使用惰性氣體保護(hù)激光熔覆區(qū)域；激光熔覆工藝參數(shù)為：激光功率為3kw，閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)線速度為450mm/min，離焦量為+3mm，送粉速率為0.5g/s，搭接率為30％，保護(hù)氣體流量為4l/min。

(3)激光熔覆后表面的后處理：將經(jīng)激光多道熔覆后的涂層放入熱處理爐中進(jìn)行退火處理，消除殘余應(yīng)力，退火溫度為500℃，時(shí)間為6小時(shí)；出爐后對(duì)熔覆涂層進(jìn)行機(jī)加工、打磨、拋光，使閥桿直徑尺寸離設(shè)計(jì)尺寸60μm；

(4)激光刻蝕微溝槽：采用超快激光器對(duì)處理后的熔覆涂層刻蝕微溝槽，其工藝參數(shù)為：平均輸出功率為2.9w，脈沖頻率為100khz，掃描速度為100mm/s，掃描次數(shù)為25000次，離焦量為-1mm。獲得了寬度為60μm，深度為35μm，面積率為28％的連續(xù)微溝槽；

(5)對(duì)激光刻蝕微溝槽的表面進(jìn)行精珩磨和清洗處理，去除微溝槽邊緣和內(nèi)部的殘留物。

采用本發(fā)明處理的閥桿面平均顯微硬度為610hv0.3，約為閥桿基體的3倍，經(jīng)摩擦磨損機(jī)檢測(cè)(溫度400℃、載荷15n、干摩擦工況)，摩擦系數(shù)為0.24，磨損量為0.0044g，相比于閥桿基體分別下降了70.18％和92.41％。

實(shí)施例3：

(1)閥桿表面預(yù)處理：采用常規(guī)的機(jī)加工，使閥桿直徑尺寸小于設(shè)計(jì)尺寸1mm；

(2)閥桿表面激光熔覆涂層的制備：采用激光熔覆的方法獲得厚度為2mm的涂層，具體為：

a)對(duì)機(jī)加工后的表面進(jìn)行除油清污處理，并用酒精清洗干凈，然后對(duì)閥桿預(yù)熱，預(yù)熱溫度為400℃，預(yù)熱時(shí)間為2小時(shí)；

b)配置熔覆粉末，基體材料為ni60m合金粉末，潤(rùn)滑相為caf2粉末，復(fù)合粉末質(zhì)量百分比為：ni60m合金粉末95％，caf2粉末5％，放入球磨機(jī)中混合均勻，攪拌時(shí)間為2小時(shí)；

c)采用光纖激光器、以同軸送粉的方式對(duì)閥桿表面實(shí)施多道單層熔覆；并同步使用惰性氣體保護(hù)激光熔覆區(qū)域；激光熔覆工藝參數(shù)為：激光功率為3kw，閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)線速度為450mm/min，離焦量為+3mm，送粉速率為0.5g/s，搭接率為30％，保護(hù)氣體流量為4l/min。

(3)激光熔覆后表面的后處理：將經(jīng)激光多道熔覆后的涂層放入熱處理爐中進(jìn)行退火處理，消除殘余應(yīng)力，退火溫度為500℃，時(shí)間為6小時(shí)；出爐后對(duì)熔覆涂層進(jìn)行機(jī)加工、打磨、拋光，使閥桿直徑尺寸離設(shè)計(jì)尺寸60μm；

(4)激光刻蝕微溝槽：采用超快激光器對(duì)處理后的熔覆涂層刻蝕微溝槽，其工藝參數(shù)為：平均輸出功率為3.4w，脈沖頻率為200khz，掃描速度為250mm/s，掃描次數(shù)為30000次，離焦量為-1mm。獲得了寬度為70μm，深度為40μm，面積率為28％的連續(xù)微溝槽；

(5)對(duì)激光刻蝕微溝槽的表面進(jìn)行精珩磨和清洗處理，去除微溝槽邊緣和內(nèi)部的殘留物。

采用本發(fā)明處理的閥桿面平均顯微硬度為690hv0.3，約為閥桿基體的3.5倍，經(jīng)摩擦磨損機(jī)檢測(cè)(溫度400℃、載荷15n、干摩擦工況)，摩擦系數(shù)為0.35，磨損量為0.0155g，相比于閥桿基體分別下降了56.52％和73.28％。

綜上所述，本發(fā)明將激光熔覆技術(shù)和激光微織構(gòu)技術(shù)有效結(jié)合起來(lái)，解決了再熱雙閥組閥桿在高溫干摩擦的條件下極易磨損的問(wèn)題。該復(fù)合工藝可以使閥桿表面既具有高溫自潤(rùn)滑和高的硬度，又具有儲(chǔ)屑減摩的溝槽，從而增強(qiáng)高溫干摩擦條件下閥桿的耐磨性能，提高其服役壽命。

需要說(shuō)明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并非用以限定本發(fā)明的權(quán)利范圍；同時(shí)以上的描述，對(duì)于相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的專門人士應(yīng)可明了及實(shí)施，因此其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包含在申請(qǐng)專利范圍中。