石油管道关键阀门的激光复合强化技术应用分析

柳宇

（大庆油田装备制造集团销售公司国际销售分公司，黑龙江大庆163311）

1 引 言

作为流体输送组件，阀门是石油、化工、长输管线、造船、核工业、各种低温工程以及海洋采油等部门不可缺少的流体控制设备。经过多年的发展，目前中国的阀门企业数量已居全世界第一，已能设计、生产、检测十几大类、3000 多个型号、50000 多个规格的阀门产品。我国阀门制造业更多局限于中低端阀门。随着我国经济的不断发展，对高端阀门的要求越来越显著，阀门的高温耐磨性是影响其寿命的关键因素之一。为了提高阀门的使用寿命，传统的方法有两种：一种是直接采用优质的材料，另一种是采用优质金属材料的基础上，在零部件的关键部位采用堆焊等工艺涂覆一层高性能的合金。

2 激光复合强化工艺的发展

2.1 激光熔覆强化

激光熔覆是1980 年代发展起来的一种表面工程技术。与热喷涂和堆焊技术相比，激光熔覆技术的能量密度高，热影响区小，工件热变形小，组织均匀，晶粒细小，力学性能优良。特别是涂层与基体呈冶金结合，可以承受更大的载荷。迄今为止在国内没有得到大范围的应用。究其原因，主要在于单纯采用激光熔覆存在两个明显的缺点：一是由于熔池温度梯度大，冷却速度快，熔覆层存在较大残余应力，易产生裂纹；二是加工效率低，导致制造成本偏高。

2.2 激光-感应复合熔覆强化

为了克服激光熔覆技术的这些缺点，激光复合强化工艺应运而生。瑞士的Grilloud 于1990 年代率先提出了激光-感应复合熔覆技术。德国的Fraunhofer 研究所在激光-感应复合熔覆方面也做了大量工作，他们的主要研究工作集中在中小型尺寸零部件的激光-感应复合熔覆，并研制出结构紧凑的专用激光-感应复合熔覆加工头，相关工作也申请了1 项美国专利和欧洲专利。自2005 年起，国内清华大学、华中科技大学、浙江工业大学等高等院校也开始了激光-感应复合熔覆技术的研究，如华中科技大学周圣丰、曾晓雁等人对激光-感应复合熔覆工艺与装备做了较多的基础研究工作。与国外同类技术相比，他们采用的技术路线存在两个特点：一是将大尺寸和超大尺寸金属零部件作为研究对象，所采用的感应热源功率高于国外同类研究；二是在激光-感应复合熔覆装置与方法上进行了研究，提出将激光-感应复合熔覆技术直接应用在管状金属零部件的内壁强化与修复，取得了较好的应用效果。

2.3 激光-超音速热喷涂复合沉积强化

超音速热喷涂沉积是基于气体动力学理论的一种先进的表面改性技术，但由于其需要使用功率超过50kW的加热装置对高压氦气进行加热，消耗成本非常大，并且超音速沉积涂层存在孔隙率高、与基体结合力较弱的固有缺陷，目前超音速热喷涂沉积的应用还受到限制，大部分只能用于纯金属Al、Ni 等。然而，如果采用激光与超音速热喷涂沉积二者复合的加工技术，即结合激光快速加热与超音速沉积的“冷加工”相结合，可以有效降低超音速沉积的成本，提高沉积层质量。激光-超音速热喷涂复合沉积技术大大提高了涂层与基体的结合力，并且不改变涂层的组织结构和性能。

3 石油管道关键阀门应用激光复合强化技术的潜力与挑战

利用激光复合强化技术沉积效率高、温度梯度小、能够有效防止覆层开裂的特点，如果将金属间化合物基复合材料成功熔覆于石油管道阀门关键表面，可以获得性能极其优良的耐磨、耐高温、防腐蚀涂层。激光复合强化技术是通过工艺方法提升石油管道关键阀门强度、高温耐磨性和耐腐蚀性能的最佳选择。然而，为了将激光复合强化技术应用于石油管道关键阀门部位的强化与修复，现有研究工作还存在着如下关键挑战：

第一，复杂曲面形状工件的激光复合强化工艺方法开发。如何实现变截面形状条件下的激光复合强化，涉及到光、机、电、激光加工等多个技术领域的问题，是一个具有挑战性的关键技术难题；

第二，石油管道关键阀门激光复合强化专用熔覆粉末材料体系的开发。当前激光复合强化应用比较成熟的镍基合金、镍基合金-WC 材料体系，虽然硬度高，耐磨性好，但是后续机械加工性能差，曲面阀体和阀内壁位置的特点使得使用磨削工具又存在一定的困难。因此，研发兼有良好的热稳定性、耐高温或者特种介质腐蚀性能、耐磨性，适合阀门性能要求、且具有良好机械加工特点的专用熔覆材料，就成为激光复合强化技术能否在石油管道关键阀门领域获得成功工程应用的关键之一。

第三，石油管道关键阀门激光复合强化涂层中的冶金缺陷抑制机理研究。金属间化合物具有良好的耐高温、耐腐蚀、耐磨性能，但是单独作为结构材料又存在抗冲击性能不足等缺点。如何获得无裂纹等冶金缺陷的涂层，是金属间化合物基复合材料获得工业应用的关键挑战。

4 结 语

相比超音速热喷涂沉积强化、单独激光熔覆强化技术，激光复合强化技术（激光-感应复合熔覆、激光-超音速热喷涂复合沉积）的技术优势主要体现在：可以大大降低热输入，降低热应力，减少变形和后续加工；避免高温冶金带来的气孔、裂纹等缺陷；提高沉积效率，是单一激光熔覆的3 倍以上；大大降低设备制造和运行成本。我国目前在激光复合强化关键技术、装备方面已有一定的研究基础，尤其是激光熔覆专用材料体系、复合强化工艺控制技术方面处于国际先进水平。激光复合强化技术作为一种高效率、高质量金属表面强化的新工艺、新方法，对提高石油管道关键阀门的性能，如阀门密封面强度、阀门的高温耐磨性和耐腐蚀性等，有着巨大的应用潜力。

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