核阀密封面钴基合金激光堆焊与覆层离子注入研究

摘要

核阀工作者需要研制更为先进的密封面堆焊材料、不断优化完善密封面堆焊工艺方案、寻求有效的堆焊层表面改性方法，达到提升核阀功能性、工艺性和经济性的目的，以适应核电建设发展和核动力装置工作参数提高的需要。
　　以Stellite6为代表的CoCr-A类钴基合金材料极大地满足了阀门密封面对耐腐蚀、耐冲蚀、耐气蚀、抗擦伤、抗垫伤、抗划伤、高温红硬性和高温抗氧化性等使用性能的需要，提升了金属密封型核阀的密封性和可靠性。但由于含Co量在50％以上，在长期核辐照条件下能吸收中子而造成长期的放射性污染，与核系统的要求不适应。研制大幅度降低Co含量的堆焊新材料，研究利用激光熔覆工艺特有的覆层组织极细、成分及稀释率可控、热变形小、硬度高的比较优势，制备出满足核阀技术要求、测试要求及验收合格标准的堆焊层，突破使用代钴材料的禁区，无疑具有重要的科学意义和应用价值。
　　通过深入研究核阀的使用工况、密封面的损坏机理及失效形式，考察钴基合金各元素在激光熔覆层中的强化作用，并基于堆焊工艺性和稀释率的角度，确定出成形熔覆层的主要成分控制范围，以及合金粉末中的元素含量，配制出具有无钨低碳中钴特征的FCo-5合金粉末。采用预涂敷法，在0Cr18Ni12Mo3Ti核阀试样表面制备出厚度2.04 mm、横截面单圆弧拟合半径为2.69 mm的高质量激光熔覆层。SEM、XRD分析及硬度测试结果表明：熔覆层从界面到表层的结晶形态依次由平面晶向胞状树枝晶、多方向生长树枝晶、细小树枝晶过渡；中、上部组织主要由γ-Co奥氏体枝晶、枝晶间层片状共晶组织以及弥散分布的Cr23C6硬质颗粒组成；结合层以上区域的常温显微硬度阈值为390～470HV；熔覆层应保留最小厚度处具有优异的抗蠕变性能和高温硬度特性，在高温回火后有较强的二次硬化效应。FCo-5作为核阀密封面堆焊材料具有较好的适用性。
　　通过厘清FCo-5熔覆道横截面几何参数、显微硬度曲线与激光加工参数之间的关系，并充分考虑能量损失的各种因素，得到与拟合模型很好吻合的熔覆道截形曲率半径的计算模型；构建了等厚度熔覆条件下以熔覆道截面积为目标函数、以激光输出功率及扫描速度为设计变量的优化设计模型，为降低核阀钴基合金用量提供了科学依据和设计方法。
　　基于同步送粉法，在316L奥氏体不锈钢上进行了Stellite6钴基合金粉末的大面积、大厚度激光熔覆，获得了不出现开裂和气孔缺陷的加工工艺参数范围。结合凝固理论、枝晶生长理论和熔焊原理，分析了覆层物相分布、显微硬度规律及其二者的对应关系；分析出焊道搭接处氧化膜增厚是产生气孔的根本原因，氧化物夹杂、疏松组织集中、表面拉应力等是界面结合处出现裂纹以及裂纹扩展的根本原因，高硬度 WC脆性相的迁移和聚集是扫描重熔过程中导致覆层开裂的根本原因。
　　Stellite6激光熔覆层的高温和大剂量C+注入实验、摩擦磨损实验、电化学腐蚀实验的结果与分析表明，C+浓度在覆层表层呈高斯分布，距受注表面18μm以内的区域其浓度在8%以上；在表面及近表面区获得一系列M23C6型、Mn7C3及SiC等高硬度碳化物；C+的轰击和溅射作用改善了覆层表面粗糙度；离子注入产生的晶格畸变、大量间隙原子对位错网络和裂纹的钉扎作用、高硬度碳化物的形成、表面质量的提高等是改善覆层表面摩擦磨损状态的根本原因；高温、高能、大剂量 C+注入在熔覆层表面形成的高密度缺陷、无序态、弥散分布的碳化物硬化相和合金相、Rsm大幅度减小等，有效地提高了熔覆层的耐蚀性。

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第1章 引 言

1.1 核阀的工作条件与技术要求

1.2 核阀密封面的强化工艺及其研究现状

1.3 激光熔覆核阀密封面技术及研究现状

1.4 研发无钨低碳中钴类核阀密封面堆焊材料的意义

1.5 开展熔覆核阀密封面离子注入改性研究的意义

1.6 论文的研究目标、研究内容以及拟解决的关键科学问题

第2章 核阀密封面激光熔覆FCo-5合金粉末涂层的研究

2.1 原材料与样品制备

2.2 熔覆层测试与分析

2.3 高温硬度测试

2.4 本章小结

第3章 FCo-5激光熔覆层截形与显微硬度关系的调控研究

3.1 调控覆层截形与显微硬度关系的意义

3.2 FCo-5熔覆道截形曲率半径拟合模型与计算模型的建立

3.3 调控FCo-5覆层截形与显微硬度关系的优化模型

3.4 本章小结

第4章 核阀密封面激光多道熔覆Stellite 6合金粉末涂层的研究

4.1 实验材料及激光熔覆实验

4.2 实验检测结果及分析

4.3 本章小结

第5章 碳离子注入对Stellite 6激光熔覆层表面性能影响的研究

5.1 样品材料及预处理

5.2 碳离子注入设备及工艺参数

5.3 高温、大剂量碳离子注入对覆层表面化学成分和微观组织结构的影响

5.4 大剂量碳离子注入对覆层表面粗糙度的影响

5.5 高温、大剂量碳离子注入对覆层显微硬度的影响

5.6 高温、大剂量碳离子注入对覆层摩擦磨损性能的影响

5.7 碳离子注入对覆层耐腐蚀性能的影响

5.8 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

作者攻读学位期间的科研成果

致谢