本發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：

核電汽輪機組中的再熱雙閥組能夠保障汽輪機安全運行，其閥桿工作于400℃、16.7mpa的高溫高壓環境下，且處于干摩擦狀態。在運行過程中，一方面閥桿在高溫、高壓流場中承受蒸汽沖擊和來自橫向或縱向的振動；另一方面閥桿材料在高溫下硬度下降、塑性增加，致使閥桿極易發生磨損，嚴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、抗磨損和高溫自潤滑等性能，以滿足惡劣的生產使用條件。

目前對閥桿的表面處理方法主要有兩大類：(1)高溫自潤滑耐磨涂層的制備；(2)表面織構化，專利號為zl200810224310.6的發明專利公開了一種高溫耐磨自潤滑涂層用復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包覆型復合粉體。專利號為zl201210242669.2的發明專利公開了一種固體自潤滑高溫耐磨粉末組合物及其復合涂層制備方法，采用激光熔覆的方法制備以nicr-cr3c2為金屬基體，鎳包覆ws2為固體潤滑相的復合材料涂層。這些方法能夠獲得硬度高、自潤滑的涂層，提高零件的高溫耐磨性能。然而工作一段時間后，隨著硬質顆粒的脫落，磨屑會擠入磨損表面對其進行二次微觀切削，致使磨損加劇，工作表面失效。近年來，激光微織構技術在摩擦件上已經得到應用，如活塞環、密封圈、發動機氣缸等。在工件表面刻蝕溝槽，一方面能夠提高微溝槽內及溝槽壁的硬度，另一方面摩擦磨損過程中收集磨屑，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境下，單一使用激光處理技術不能滿足要求。

技術實現要素：

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

本發明的目的通過以下技術方案來實現：

提高高溫干摩擦條件下閥桿表面耐磨性的方法，特點是：先采用激光熔覆技術在閥桿表面形成具有高溫自潤滑的耐磨涂層，再對其進行激光微織構使涂層表面產生規則分布的微溝槽，實現儲屑減摩作用；包括以下步驟：

(1)閥桿表面預處理：采用機加工方式使閥桿直徑尺寸小于設計尺寸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)對機加工后的表面進行除油清污處理，并用酒精清洗干凈，然后對閥桿預熱，預熱溫度為300～500℃，預熱時間為2～3小時；

b)配置熔覆粉末，基體材料為ni60m合金粉末，潤滑相為caf2粉末，復合粉末質量百分比為：ni60m合金粉末85％～95％，caf2粉末5％～15％，放入球磨機中混合均勻，攪拌時間為2～3小時；

c)采用光纖激光器、以同軸送粉的方式對閥桿表面實施多道單層熔覆；并同步使用惰性氣體保護激光熔覆區域；激光熔覆工藝參數為：激光功率為2～3kw，閥桿轉動線速度為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％，保護氣體流量為3～4l/min；

(3)激光熔覆后表面的后處理：將經激光多道熔覆后的涂層放入熱處理爐中進行退火處理，消除殘余應力，退火溫度為400～600℃，時間為6～10小時；出爐后對熔覆涂層進行機加工、打磨、拋光，使閥桿直徑尺寸大于設計尺寸50～100μm；

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

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

進一步地，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，其成分質量百分比為：caf285％，ni15％。

進一步地，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)中的惰性保護氣體為氬氣或氮氣。

進一步地，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)中的微溝槽為連續條狀。

進一步地，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。

本發明與現有技術相比具有顯著的優點和有益效果，具體體現在以下方面：

本發明將激光熔覆技術和激光微織構技術有效結合起來，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題。該復合工藝可以使閥桿表面既具有高溫自潤滑和高的硬度，又具有儲屑減摩的溝槽，從而增強高溫干摩擦條件下閥桿的耐磨性能，提高其服役壽命。

附圖說明

圖1：本發明的工藝流程示意圖。

具體實施方式

為了對本發明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明具體實施方案。

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

實施例1：

(1)閥桿表面預處理：采用常規的機加工，使閥桿直徑尺寸小于設計尺寸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)對機加工后的表面進行除油清污處理，并用酒精清洗干凈，然后對閥桿預熱，預熱溫度為400℃，預熱時間為2小時；

b)配置熔覆粉末，基體材料為ni60m合金粉末，潤滑相為caf2粉末，復合粉末質量百分比為：ni60m合金粉末85％，caf2粉末15％，放入球磨機中混合均勻，攪拌時間為2小時；

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

(3)激光熔覆后表面的后處理：將經激光多道熔覆后的涂層放入熱處理爐中進行退火處理，消除殘余應力，退火溫度為500℃，時間為6小時；出爐后對熔覆涂層進行機加工、打磨、拋光，使閥桿直徑尺寸離設計尺寸60μm；

(4)激光刻蝕微溝槽：采用超快激光器對處理后的熔覆涂層刻蝕微溝槽，其工藝參數為：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％的連續微溝槽；

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

采用本發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，經摩擦磨損機檢測(溫度400℃、載荷15n、干摩擦工況)，摩擦系數為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％。

實施例2：

(1)閥桿表面預處理：采用常規的機加工，使閥桿直徑尺寸小于設計尺寸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)對機加工后的表面進行除油清污處理，并用酒精清洗干凈，然后對閥桿預熱，預熱溫度為400℃，預熱時間為2小時；

b)配置熔覆粉末，基體材料為ni60m合金粉末，潤滑相為caf2粉末，復合粉末質量百分比為：ni60m合金粉末90％，caf2粉末10％，放入球磨機中混合均勻，攪拌時間為2小時；

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

(3)激光熔覆后表面的后處理：將經激光多道熔覆后的涂層放入熱處理爐中進行退火處理，消除殘余應力，退火溫度為500℃，時間為6小時；出爐后對熔覆涂層進行機加工、打磨、拋光，使閥桿直徑尺寸離設計尺寸60μm；

(4)激光刻蝕微溝槽：采用超快激光器對處理后的熔覆涂層刻蝕微溝槽，其工藝參數為：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％的連續微溝槽；

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

采用本發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，經摩擦磨損機檢測(溫度400℃、載荷15n、干摩擦工況)，摩擦系數為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％。

實施例3：

(1)閥桿表面預處理：采用常規的機加工，使閥桿直徑尺寸小于設計尺寸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)對機加工后的表面進行除油清污處理，并用酒精清洗干凈，然后對閥桿預熱，預熱溫度為400℃，預熱時間為2小時；

b)配置熔覆粉末，基體材料為ni60m合金粉末，潤滑相為caf2粉末，復合粉末質量百分比為：ni60m合金粉末95％，caf2粉末5％，放入球磨機中混合均勻，攪拌時間為2小時；

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

(3)激光熔覆后表面的后處理：將經激光多道熔覆后的涂層放入熱處理爐中進行退火處理，消除殘余應力，退火溫度為500℃，時間為6小時；出爐后對熔覆涂層進行機加工、打磨、拋光，使閥桿直徑尺寸離設計尺寸60μm；

(4)激光刻蝕微溝槽：采用超快激光器對處理后的熔覆涂層刻蝕微溝槽，其工藝參數為：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％的連續微溝槽；

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

采用本發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，經摩擦磨損機檢測(溫度400℃、載荷15n、干摩擦工況)，摩擦系數為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，本發明將激光熔覆技術和激光微織構技術有效結合起來，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題。該復合工藝可以使閥桿表面既具有高溫自潤滑和高的硬度，又具有儲屑減摩的溝槽，從而增強高溫干摩擦條件下閥桿的耐磨性能，提高其服役壽命。

需要說明的是：以上所述僅為本發明的優選實施方式，并非用以限定本發明的權利范圍；同時以上的描述，對于相關技術領域的專門人士應可明了及實施，因此其它未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在申請專利范圍中。