專利名稱：一種用于核電閥門密封面的鎳基合金涂層及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種密封面涂層，具體涉及一種用于核電閥門密封面的涂層，尤其是
一種鎳基合金涂層。
背景技術：
由于核工業(yè)的特殊性、苛刻的工作環(huán)境、以及自然災害所帶來的安全問題，對核電閥門的使用性能提出了更高的要求。目前核電閥門密封的堆焊材料一般均為含鈷合金，如 Stellite 6或Mellite 21等。Mellite合金具有良好的耐高溫摩擦磨損性能、耐熱腐蝕及耐熱疲勞性能等，因而鈷基合金常用于條件較惡劣，抗磨損、抗腐蝕要求較高的核電閥門密封面。然而，鈷基合金具有兩大不可避免的缺陷一方面，在核輻射環(huán)境下，由合金中的 Cora受激形成的Co6tl同位素，會延長核輻射的半衰期，給停堆檢修造成困難以及增加核屏蔽的難度和成本；另一方面，鈷基合金價格昂貴，且鈷資源在我國極為稀缺。因此，鈷基合金在下一代核電站的核電閥門密封面材料的使用中受到了限制。目前我國核電閥門堆焊仍采用等離子噴焊、火焰堆焊等傳統(tǒng)方法，覆層堆焊質量受到一定限制。而激光熔覆技術因其自身的特點，與堆焊、熱噴涂、電鍍等傳統(tǒng)表面處理技術相比，具有熔覆層組織更致密、晶粒更細小特征外、還具有稀釋率可控、孔隙率和缺陷率低，熔覆層與基體形成良好冶金結合、基體熱變形極小、工藝易于實現(xiàn)自動化等一系列優(yōu)點。因此，激光熔覆技術具有良好的應用前景。激光熔覆材料體系主要有鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金和金屬陶瓷等。激光熔覆鐵基合金適用于溫度要求不高(< 400°C )的耐磨零件，與鎳基合金相比，鐵基合金激光熔覆層韌性和高溫穩(wěn)定性稍差。鈷基、鎳基合金具有高硬度、耐磨、抗熱和抗氧化等性能。因此，采用鈷基、鎳基材料的激光熔覆層被廣泛應用于各種惡劣工況條件下服役的高參數(shù)閥門密封面，如美國的汽車排氣閥座也用激光熔覆^ellite合金，俄羅斯利哈喬夫汽車廠的排氣閥座采用激光熔覆耐熱合金等。然而，激光熔覆專用材料體系較少，缺乏系列化的專用粉末材料。目前激光熔覆所用的粉末體系多沿用熱噴涂粉末材料。

發(fā)明內容
本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種無鈷鎳基合金涂層，以及該涂層的制備方法。使涂層的耐高溫摩擦磨損等性能達到或超過常用Mellite家族鈷基合金，在節(jié)約貴重鈷金屬的同時，滿足核電閥門密封面的工作需要。為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案是一種用于核電閥門密封面的鎳基合金涂層，由鎳基合金粉末材料經激光熔覆處理方法制備而成，所述鎳基合金粉末材料的組成以重量百分比計為
鉻(Cr):20. O 24. 0%，硅(Si):4. O 4. 2%，硼(B):3. O 3. 5%，鉬(Mo):3. O 3. 2%, 鐵(Fe) 8. O 8. 5%，碳(C) :1. O 1. 2%，氧化釔( ) 0. 8 1. 0%，其余為鎳。上述技術方案中，所需碳元素的含量可以是完全由外加的碳化鉻(Cr3C2)中的碳元素提供；同時因碳元素所加的碳化鉻(Cr3C2)還提供部分的鉻元素，剩余的鉻元素由外加的微細純鉻金屬提供。此時，鎳基合金粉末材料的組成以重量百分比計為
鉻13. 5 16. 2%,硅4. 0 4. 2%,硼3. 0 3. 5%,鉬3. 0 3. 2%,鐵8. 0 8. 5%, 碳化鉻7. 5 9%，氧化釔0. 8 1. 0%，其余為鎳。最終獲得的鎳基合金粉末的粒度為200 300目。應用鎳基合金粉末材料制備核電閥門密封面涂層的方法優(yōu)選以下兩種種方法之
一種用于核電閥門密封面的鎳基合金涂層的制備方法，包括下列步驟
(1)用機械混合法獲得權利要求1或2所述的鎳基合金粉末材料，粉末粒度為200 300目，并烘烤干燥；
(2)用功率密度為136 181J/mm2的激光輻照核電閥門密封面基材表面形成局部溶池，用同步送粉法將鎳基合金粉末材料送入溶池，用惰性氣體作為輸送氣體；其中激光掃描速度為3 6mm/s ；在激光作用基材和鎳基合金粉末材料的同時，用惰性氣體保護溶池表面以避免氧化；
(3)根據(jù)核電閥門密封面涂層所需面積大小，采用單道激光掃描或多道搭接激光掃描即可得到核電閥門密封面的鎳基合金涂層。上述技術方案中，步驟U 中所述鎳基合金粉末材料送入溶池的質量流率為5 10 g/min。步驟丨3)中所述多道搭接激光掃描的搭接率為30%。一種用于核電閥門密封面的鎳基合金涂層的制備方法，包括下列步驟
(1)用機械混合法獲得權利要求1或2所述的鎳基合金粉末材料，粉末粒度為200 300 目；
(2)用乙醇溶解硅酸樹脂材料作為粘接劑，與所述鎳基合金粉末材料調和，在核電閥門密封面上涂敷成預鋪涂層，并烘烤干燥；
(3)用功率密度為136 181J/mm2的激光輻照所述預鋪涂層，同時向熔池吹送惰性氣體以避免溶池表面氧化；所述激光采用CO2激光，激光掃描速度為3 6mm/s ；
(4)根據(jù)核電閥門密封面涂層所需面積大小，采用單道激光掃描或多道搭接激光掃描即可得到鎳鉻合金核電閥門密封面涂層。上述技術方案中，步驟(4)中所述多道搭接的搭接率為30%。本發(fā)明的原理為以鎳鉻系列合金為基礎，考慮核電閥門密封面耐高溫、耐腐蝕、 耐磨損的要求添加各種功能元素；各主要元素在合金中的作用如下
鎳元素鎳基可以溶解較多合金元素，且能保持較好的組織穩(wěn)定性；鎳基合金易形成共格有序的金屬間化合物Y相作為強化相，使合金得到有效的強化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強度。鉻元素固溶強化和鈍化作用；提高耐蝕性能和抗高溫氧化性能；富余的鉻容易與碳、硼形成碳化鉻、硼化鉻硬質相從而提高合金硬度和耐磨性。硼、硅元素降低合金熔點，擴大固液相線溫度區(qū)，形成低熔共晶體；具有脫氧還原作用和造渣功能；對涂層有硬化、強化作用。注意到激光熔池壽命較短，過多的低熔點造渣物來不及浮到熔池表面而殘留在熔覆層內，在冷卻過程中形成液態(tài)薄膜，加劇涂層開裂， 或者使熔覆層中產生夾雜，故與一般熱噴涂材料相比本發(fā)明適當降低了硼、硅含量。鉬元素提高基體的高溫強度和紅硬性；原子半徑大，固溶后使晶格發(fā)生大的畸變，顯著強化合金基體。由于上述技術方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有下列優(yōu)點
1.本發(fā)明所述用于制備核電閥門密封面涂層的鎳基合金粉末混合物不含有貴金屬鈷， 特別符合閥門在核環(huán)境下工作的需要；同時，由于該混合物的配方設計，并且利用了激光熔覆技術制備涂層的優(yōu)勢，因此得到的鎳基合金核電閥門密封面涂層具有良好的高溫性能。2.本發(fā)明鎳基涂層采用激光熔覆方法制備，與傳統(tǒng)的等離子噴焊、火焰堆焊相比， 激光熔覆技術具有能量輸入密度高而集中、熱作用時間短、基體受熱影響小、結合面強度高等突出優(yōu)點，熔池的對流傳熱傳質作用，可使涂層組織更致密，晶粒度更細小，硬度和強韌性更高，各種缺陷更少。


圖1是實施例一中涂層測試高溫硬度分布曲線圖； 圖2是實施例一中摩擦系數(shù)測試結果圖3是實施例一中摩損量測試結果圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述
實施例一一種用于核電閥門密封面的鎳基合金涂層，由鎳基合金粉末材料經激光熔覆處理方法制備而成，所述鎳基合金粉末材料的組成以重量百分比計為
鉻(Cr):20. 0 24. 0%，硅(Si):4. 0 4. 2%，硼(B):3. 0 3. 5%，鉬(Mo):3. 0 3. 2%, 鐵(Fe) 8. 0 8. 5%，碳(C) :1. 0 1. 2%，氧化釔( ) 0. 8 1. 0%，其余為鎳。其中，所需碳元素的含量可以是完全由外加的碳化鉻(Cr3C2)中的碳元素提供；同時因碳元素所加的碳化鉻(Cr3C2)還提供部分的鉻元素，剩余的鉻元素由外加的微細純鉻金屬提供。最終獲得的鎳基合金粉末的粒度為200 300目。本實施例的制備方法，包括下列步驟
(1)用機械混合法獲得權利要求1或2所述的鎳基合金粉末材料，粉末粒度為200 300目，并烘烤干燥；
(2)用功率密度為136 181J/mm2的激光輻照核電閥門密封面基材表面形成局部溶池，用同步送粉法將鎳基合金粉末材料送入溶池，用惰性氣體作為輸送氣體；其中激光掃描速度為3 6mm/s ；在激光作用基材和鎳基合金粉末材料的同時，用惰性氣體保護溶池表面以避免氧化；
(3)根據(jù)核電閥門密封面涂層所需面積大小，采用單道激光掃描或多道搭接激光掃描即可得到核電閥門密封面的鎳基合金涂層。步驟丨21中所述鎳基合金粉末材料送入溶池的質量流率為5 10 g/min。步驟丨3j中所述多道搭接激光掃描的搭接率為30%。
為了驗證本發(fā)明鎳基激光熔覆層的良好性能，分別進行了與高溫硬度、高溫耐磨性、耐腐蝕性的研究，并與Stellite6鈷基合金性能進行比較。試驗結果如下
(一)高溫硬度性
為了驗證本發(fā)明鎳基激光熔覆層的高溫強度性能，分別在室溫、300°C、60(TC和900°C 條件下，測試自配合金和Mellite6鈷基合金的硬度，試驗結果如圖1所示。從圖1的高溫硬度分布曲線可以發(fā)現(xiàn)，兩種合金的顯微硬度值均隨溫度的升高而減小，但是本發(fā)明鎳基合金的硬度值明顯高于Mellite6鈷基合金。20 600°C之間，本發(fā)明合金具有較高的顯微硬度，分布在HV555 620之間，并且隨溫度下降的幅度也不大， 這是因為合金中的硬質相起到提高合金高溫硬度的作用，反之Stellite6合金的硬度則由 478HV降至^8HV，呈現(xiàn)較大的變化幅度；600 900°C之間，本發(fā)明合金的硬度降為312HV， 仍具有高溫使用性能。(二)高溫耐磨性
為了驗證自配鎳基激光熔覆層的高溫耐磨性能，分別在室溫、300°C和600°C條件下測試了材料的摩擦磨損行為，其中磨損試驗參數(shù)分別為 載荷500 g ； 磨損時間20 min ； 磨損半徑2 mm； 磨損線速度16. 88 mm/min ； 對磨件氮化硅陶瓷球，半徑3 mm，硬度16GPa。從圖2可以看出，Ste 11 ite6、本發(fā)明合金均具有較低的摩擦系數(shù)(與不銹鋼相比)。 尤其在360°C左右(核閥常見使用溫度)，本發(fā)明合金表現(xiàn)出良好的減磨性能。這是因為該溫度下，本發(fā)明合金中的硬質相與韌性相交替作用的結果。而常溫和600°C時，本發(fā)明合金的摩擦系數(shù)則稍高于Mellite6，這也說明，本發(fā)明合金優(yōu)異的高溫使用性能主要靠合金中的各種硬質相保證。圖3中，本發(fā)明合金明顯較小的磨損量，也正好說明了這一點。因此，上述本發(fā)明鎳基合金具有良好的減磨耐磨損性能。(三)耐腐蝕性
為了驗證自配鎳基合金的耐腐蝕性能，分別在30°C和80°C下，在5%HN03和20%Na0H溶液中，分別進行持續(xù)72小時的耐腐蝕性研究，并與Mellite6鈷基合金性能進行對比，試驗結果如下
權利要求
1.一種用于核電閥門密封面的鎳基合金涂層，其特征在于由鎳基合金粉末材料經激光熔覆處理方法制備而成，所述鎳基合金粉末材料的組成以重量百分比計為鉻13. 5 16. 2%,硅4. 0 4. 2%,硼3. 0 3. 5%,鉬3. 0 3. 2%,鐵8. 0 8. 5%, 碳化鉻7. 5 9%，氧化釔0. 8 1. 0%，其余為鎳。
2.一種用于核電閥門密封面的鎳基合金涂層，其特征在于由鎳基合金粉末材料經激光熔覆處理方法制備而成，所述鎳基合金粉末材料的組成以重量百分比計為鉻20. 0 24. 0%,硅4. 0 4. 2%,硼3. 0 3. 5%,鉬3. 0 3. 2%,鐵8. 0 8. 5%, 碳1. 0 1. 2%，氧化釔0. 8 1. 0%，其余為鎳。
3.一種用于核電閥門密封面的鎳基合金涂層的制備方法，其特征在于，包括下列步驟(1)用機械混合法獲得權利要求1或2所述的鎳基合金粉末材料，粉末粒度為200 300目，并烘烤干燥；(2)用功率密度為136 181J/mm2的激光輻照核電閥門密封面基材表面形成局部溶池，用同步送粉法將鎳基合金粉末材料送入溶池，用惰性氣體作為輸送氣體；其中激光掃描速度為3 6mm/s ；(3)根據(jù)核電閥門密封面涂層所需面積大小，采用單道激光掃描或多道搭接激光掃描即可得到核電閥門密封面的鎳基合金涂層。
4.根據(jù)權利要求3所述的用于核電閥門密封面的鎳基合金涂層的制備方法，其特征在于步驟O)中所述鎳基合金粉末材料送入溶池的質量流率為5 10 g/min。
5.根據(jù)權利要求3所述的用于核電閥門密封面的鎳基合金涂層的制備方法，其特征在于步驟(3)中所述多道搭接激光掃描的搭接率為30%。
6.一種用于核電閥門密封面的鎳基合金涂層的制備方法，其特征在于，包括下列步驟(1)用機械混合法獲得權利要求1或2所述的鎳基合金粉末材料，粉末粒度為200 300 目；(2)用乙醇溶解硅酸樹脂材料作為粘接劑，與所述鎳基合金粉末材料調和，在核電閥門密封面上涂敷成預鋪涂層，并烘烤干燥；(3)用功率密度為136 181J/mm2的激光輻照所述預鋪涂層，同時向熔池吹送惰性氣體以避免溶池表面氧化；所述激光采用CO2激光，激光掃描速度為3 6mm/s ；(4)根據(jù)核電閥門密封面涂層所需面積大小，采用單道激光掃描或多道搭接激光掃描即可得到鎳鉻合金核電閥門密封面涂層。
7.根據(jù)權利要求3所述的用于核電閥門密封面的鎳基合金涂層的制備方法，其特征在于步驟中所述多道搭接的搭接率為30%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于核電閥門密封面的鎳基合金涂層，其特征在于由鎳基合金粉末材料經激光熔覆處理方法制備而成，所述鎳基合金粉末材料的組成以重量百分比計為鉻20.0～24.0%，硅4.0～4.2%，硼3.0～3.5%，鉬3.0～3.2%，鐵8.0～8.5%，碳1.0～1.2%，氧化釔0.8～1.0%，其余為鎳。采用同步送粉法或預鋪涂層法進行激光熔覆處理。本發(fā)明所述用于制備核電閥門密封面涂層的鎳基合金粉末混合物不含有貴金屬鈷，特別符合閥門在核環(huán)境下工作的需要；同時，由于該混合物的配方設計，并且利用了激光熔覆技術制備涂層的優(yōu)勢，因此得到的鎳基合金核電閥門密封面涂層具有良好的高溫性能。
文檔編號C23C24/10GK102534606SQ20121005513
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月5日 優(yōu)先權日2012年3月5日
發(fā)明者傅戈雁, 張宗列, 張輝, 徐愛琴, 王晨, 石世宏 申請人:蘇州大學