阀芯端帽工作面激光合金化工艺研究

王斌修 田新国 李成彪

(青岛理工大学机械工程学院，山东青岛 266033)

自动流量平衡阀属于自力式流量控制阀，可以使通过阀门的流量保持动态恒定，从而有效地解决了管网的流量失调问题，自动保证管网的安全运行，广泛应用于建筑、暖通、钢铁、石油和化工等系统管网。其结构主要包括阀芯和阀体两大部分，阀芯端帽是自动流量平衡阀的核心部件，工作时主要通过端帽上下运动来保持流量的动态恒定［1－3］，结构如图1所示。阀芯端帽与阀体之间不断摩擦而极易被磨损或被流体腐蚀，严重时甚至会影响自动流量平衡阀的工作。而且，阀芯端帽属于薄壁回转体类零件，采用传统热处理方法对其工作面进行强化，不仅成本较高而且极易引起变形。激光表面合金化技术是一种新型的表面改性技术，具有热影响区小，工件变形量小;处理速度快，能有效利用能量;合金层组织致密，与基材的冶金结合程度好及能使难以接近和局部的区域合金化，工艺灵活性高等优点，几乎不需要校直、打磨等后续加工［4－7］，适合用来对阀芯端帽工作面进行强化。

1 实验准备

实验采用JHM－1GY－500型多功能激光加工机，激光器为YAG脉冲激光器，波长为1.06 μm，脉冲频率为1～200 Hz连续可调，脉冲宽度为0.1～20 ms连续可调，脉冲工作电流为100～450 A，激光器输出的最大单脉冲能量为90 J。阀芯端帽的材料为AISI304奥氏体不锈钢，成分见表1，合金化前用砂纸打磨试样表面，然后用无水酒精清洗干净。合金化粉末以TiC为主，粒径为1～3 μm，纯度为99.8%，另外添加少量的石墨粉和稀土元素，具体含量见表2，其中石墨用于防止基体材料被烧损，稀土元素则具有防止氧化，提高合金层显微组织均匀致密性及净化晶界。在试样表面预置合金化材料，厚度为0.1 mm。

2 实验及数据分析

2.1 实验因素分析

在激光表面合金化加工过程中，可以影响合金化质量的因素有很多，但在基体材料及材料表面对激光能量吸收率一定的条件下，影响最大的是材料表面的激光功率密度和光束作用时间［8］。从实际加工的角度出发，实验中主要调节的工艺参数为脉冲工作电流、扫描速度和光斑直径，其中脉冲工作电流和光斑直径影响工件表面的激光功率密度，扫描速度决定了合金化过程中的光束作用时间。此次实验主要研究脉冲工作电流、扫描速度和光斑直径对阀芯端帽工作面激光合金化质量的影响，得出这3个因素对合金层的表面硬度及合金层厚度的影响规律。

表1 AISI304奥氏体不锈钢的成分

表2 合金化粉末的成分

2.2 实验及数据分析

(1)脉冲工作电流对合金层质量的影响

为获得脉冲工作电流对合金层质量(合金层的表面硬度及合金层厚度)的影响规律，选取扫描速度v=80 mm/min，光斑直径d=1.5 mm，脉冲宽度ti=0.5 ms，脉冲频率f=60 Hz，用氩气作保护气，调整激光多功能加工机的脉冲工作电流值进行实验。实验中脉冲工作电流值及所得合金层的表面硬度及合金层厚度如图2所示。

由图2可知，随着脉冲工作电流的增大，合金层的表面硬度先增大后减小，合金层厚度逐渐增大。在扫描速度、光斑直径、脉冲宽度及频率等因素为定值时，材料表面激光合金化的时间也为定值，增大激光多功能加工机的脉冲工作电流，可以增加激光器的输出功率，光斑的平均能量密度增加，则在高能激光束的作用下，试样表面的TiC更多的进入基体中，同时试样表面吸收的能量增加，使得试样表面组织的晶粒得到细化，由奥氏体转变为马氏体进行得更加充分，此时，合金层的表面硬度及合金层厚度随脉冲工作电流的增加而增加。但脉冲工作电流过大会造成试样表面过热、烧伤，使所得合金层的表面硬度降低，所以适当选择脉冲工作电流对合金层表面硬度有很大的影响。

(2)扫描速度对合金层质量的影响

为获得激光束的扫描速度对合金层质量的影响规律，选取脉冲工作电流I=75 A，光斑直径d=1.5 mm，脉冲宽度ti=0.5 ms，脉冲频率f=60 Hz，用氩气作保护气，调整激光多功能加工机激光束的扫描速度值进行实验，实验中激光束的扫描速度值及所得合金层的表面硬度、合金层厚度如图3所示。

由图3可知，随着扫描速度的增大，合金层的表面硬度逐渐增大，达到最大值后又呈现下降趋势，合金层厚度逐渐减小。在脉冲工作电流、光斑直径、脉冲宽度及频率等因素为定值时，扫描速度的快慢将决定材料表面激光合金化处理的时间，扫描速度较小时，激光束在材料表面作用时间较长，材料吸收的能量多，容易使得材料表面烧伤，以致降低所得合金层的表面硬度，随着扫描速度的增加，激光束在材料表面的作用时间逐渐减少，工件的冷却速度逐渐加快，合金化区域的过冷度增加，经激光束处理后得到的马氏体晶粒越细小，可以有效提高合金层的表面硬度。但另一方面，随着扫描速度的增加，激光束在材料表面的作用时间减少，试样表面的TiC进入基体中数量和深度逐渐减少，同时试样表面吸收的能量也减少，试样表层组织由奥氏体向马氏体转变的时间变短，对合金层表面硬度的提高产生不利影响，且影响的力度逐渐增强，因此，随着扫描速度的增加，合金层的表面硬度逐渐增大，在达到最大值后又呈现下降的趋势，合金层厚度逐渐减小。

(3)光斑直径对合金层质量的影响

为获得光斑直径对合金层质量的影响规律，选取脉冲工作电流I=75 A，扫描速度v=80 mm/min，脉冲宽度ti=0.5 ms，脉冲频率f=60 Hz，用氩气作保护气，调整激光多功能加工机激光头的高度即改变光斑直径进行实验，实验中光斑直径的取值及所得合金层的表面硬度及合金层厚度如图4所示。

由图4可知，随着光斑直径的增大，合金层的表面硬度逐渐增大，达到最大值后又呈现下降趋势，合金层厚度则逐渐减小。调节光斑直径将直接影响激光束在材料表面作用功率密度的大小，在脉冲工作电流、扫描速度、脉冲宽度及频率等因素为定值时，光斑直径较小，则材料表面激光功率密度增大，甚至会造成材料表面烧伤或轻微的熔化，降低材料表面硬度。随着光斑直径的增大，材料表面激光功率密度逐渐减小，在高能激光束的作用下，试样表面的TiC进入基体中，合金化区域的组织由奥氏体向马氏体转变，试样表层合金化区域在激光束离开后快速冷却，合金化区域的晶粒在急冷急热的过程中得到细化，使得合金层表面硬度增大。当光斑直径继续增大时，工件表面激光功率密度较小，工件表面TiC进入基体中的数量和深度均减少，同时试样表面吸收的能量也减少，试样表层组织由奥氏体向马氏体转变不够充分，对合金层的表面硬度产生不利影响。因此，随着光斑直径的增大，合金层的表面硬度逐渐增大，在达到最大值后又呈现下降的趋势，合金层厚度则逐渐减小。

3 结语

本文主要研究脉冲工作电流、扫描速度和光斑直径对阀芯端帽工作面激光合金化质量的影响，发现合金层的表面硬度随脉冲工作电流、扫描速度和光斑直径的增大而逐渐增大，达到最大值后又呈现下降趋势;合金层厚度则随脉冲工作电流的增大而逐渐增大、随扫描速度和光斑直径的增大而逐渐减小。根据这些规律，可以优化合金化工艺参数，提高阀芯端帽的合金化质量，并对其他薄壁回转体类零件的激光表面合金化有一定的借鉴意义。

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