一种核级阀门堆焊材料的制备及堆焊方法

摘要

一种核级阀门堆焊材料的制备及使用方法，属于金属材料领域。本发明采用气雾化工艺制备成分为Fe‑(3‑5)wt.％Ni‑(23‑27)wt.％Cr‑(1‑2)wt.％C的合金粉末，选取其中粒度为30到80μm的合金粉末再与粒度为1‑5μm BC粉、5‑10μm V粉、5‑10μm Ti粉、5‑10μm Mo粉混合得到最终的堆焊粉末。采用激光熔覆的堆焊方法，使得粉末在阀门基体上熔化，在随后冷却过程中可在Fe‑Ni‑Cr基体中先后形成(Fe,Cr)B

说明书

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种核级阀门堆焊材料的制备及堆焊方法。

背景技术

核电阀门是核电设备的重要关键部件，核阀强化的常用方法是密封面表面处理，即选用性能优于核阀的堆焊材料，在核阀表面形成堆焊密封面，可以显著延长了阀门的使用寿命。这不仅显著改善了核阀工作性能，更节约了大量贵重合金材料。密封面材料和堆焊质量的好坏，直接关系到阀门的使用寿命和生产的安全可靠性。目前核电阀门阀座密封面均采用钴基司太立合金和等离子堆焊工艺而成，选用司太立合金做密封面其耐磨性、耐蚀性及抗擦伤性能均较好。但是选用钴基合金存在两个突出的问题：一是钴基合金密封面在工作过程中所产生的磨损或腐蚀碎片中含有Co59元素，该元素受核激发会形成同位素Co60，Co60会延长核辐射的半衰期，增加了停堆检修的时间，加大核屏蔽的难度和成本；二是我国是钴资源稀缺的国家，且钴金属提取工艺复杂，回收率较低。因此，针对第四代核电站设计理念，使用无钴合金作为密封面堆焊材料已成为必然趋势，目前尚未有成熟的无钴合金用于核电阀门的堆焊。

发明内容

本发明设计了一种铁基合金粉末用于核电阀门的堆焊，其设计思路为以Fe-(3-5)wt.％Ni-(23-27)wt.％Cr-(1-2)wt.％C合金粉末为基础，通过与适量的BC粉、V粉末、Ti粉、Mo粉混合，采用激光熔覆的堆焊方法，在熔覆过程中混合粉末在激光的作用下形成Fe-(2.5-4.5)wt％Ni-(22-26)wt％Cr-(0.5-1.5)wt％C-(0.5-1)wt％B-(0.5-1)wt％V-(0.5-1)wt％Ti—(0.5-1)wt％Mo熔体，在随后合金的凝固过程中，可在Fe-Ni-Cr基体中先后形成(Fe,Cr)B₂、TiC、(Fe,Cr)₂₃C₆、(Mo,V)₂₃C₆复合强化相，这些强化相可以大幅度提高合金的硬度和耐磨性，尤其是在360℃时，其耐磨性能高于目前的钴基司太立合金，同时基体具有优异的耐蚀性能，因此采用该合金成分的堆焊层具有优异的耐磨、耐蚀、耐高温等特性，是一种理想的无钴堆焊材料。

一种核级阀门堆焊材料的制备方法，其特征在于：采用气雾化工艺制备成分为Fe-(3-5)wt.％Ni-(23-27)wt.％Cr-(1-2)wt.％C的合金粉末，选取其中粒度为30到80μm的合金粉末再与粒度为1-5μm BC粉、5-10μm V粉、5-10μm Ti粉、5-10μm Mo粉混合得到最终的堆焊粉末。

进一步地，所述BC粉、V粉、Ti粉、Mo粉四种粉末的含量均为合金粉末重量的0.7-1％，五种粉末混合时采用球磨混合。

进一步地，所述球磨混合时转速为200-250转/分，球磨时间1小时，球磨球料重量比为10：1。

一种如上所述阀门堆焊材料的使用方法。其特征在于球磨后的混合粉末采用激光熔覆的方法在阀门表面进行堆焊，堆焊激光功率控制在600-800W，扫描速度控制在650-700mm/min，激光光斑直径控制在1-1.5mm，送粉速率10-20g/min。

采用上述工艺获得的堆焊层室温硬度为700-750HV_0.3，是钴基司太立合金硬度的3倍，360℃时的硬度为钴基合金的2.5倍，摩擦系数仅为钴基合金的一半。同时在酸性或碱性腐蚀液中，堆焊层的耐蚀性也均匀优于常规的钴基合金。

本发明的优点在于，(1)堆焊合金的基体为Fe-Ni-Cr体系，无钴元素，通过优化Ni和Cr的含量，堆焊层的耐蚀性能优于钴基合金；(2)通过先制备Fe-Ni-Cr-C主元素粉末，然后将V、Ti、Mo及BC以粉末的形式与主要元素合金粉末进行混合，可以精确控制V、Ti、Mo及B的加入量，从而精确控制强化相的比例；(3)通过激光熔覆的方法，可以在Fe-Ni-Cr合金基体中形成弥散的(Fe,Cr)B₂、TiC、(Fe,Cr)₂₃C₆、(Mo,V)₂₃C₆复合强化相，从而保证了堆焊合金在室温及高温均具有高的硬度和耐磨性能。

具体实施方式:

实施例1:制备硬度为700-750HV0.3，成分为Fe-4.5wt％Ni-26wt％Cr-1wt％C-0.5wt％B-0.5wt％V-0.5wt％Ti-0.5wt％Mo的堆焊层

首先采用气雾化制粉工艺制备粒度为30-80μm的合金粉，其成分为Fe-4.6wt％Ni-26.5wt％Cr-1wt％C，合金粉的重量为980g，然后将合金粉与粒度为1-5μm BC粉、5-10μm V粉末、5-10μm Ti粉、5-10μm Mo粉进行球磨混合，四种粉末的重量均为5g，球磨转速250转/分，球磨时间1小时，球磨球料重量比为10：1。球磨后的混合粉末采用激光熔覆的方法在与核电阀门相同的材质(0Crl9Ni9奥氏体不锈钢)上进行堆焊，堆焊激光功率控制在800W，扫描速度控制在700mm/min，激光光斑直径控制在1.5mm，送粉速率20g/min。堆积完成后测试其硬度为730HV_0.3。

实施例2:制备硬度为700-750HV0.3，成分为Fe-3wt％Ni-23wt％Cr-1.5wt％C-1wt％B-1wt％V-1wt％Ti-1wt％Mo的堆焊层

首先采用气雾化制粉工艺制备粒度为30-80μm的合金粉，其成分为Fe-3.5wt％Ni-23.5wt％Cr-1.5wt％C，合金粉的重量为980g，然后将合金粉与粒度为1-5μm BC粉、5-10μmV粉末、5-10μm Ti粉、5-10μm Mo粉进行球磨混合，四种粉末的重量均为10g，球磨转速250转/分，球磨时间1小时，球磨球料重量比为10：1。球磨后的混合粉末采用激光熔覆的方法在与核电阀门相同的材质(0Crl9Ni9奥氏体不锈钢)上进行堆焊，堆焊激光功率控制在600W，扫描速度控制在650mm/min，激光光斑直径控制在1mm，送粉速率15g/min。堆积完成后测试其硬度为750HV_0.3。