CN101629256B

CN101629256B - 一种用于核电阀门密封面的镍铬合金粉末组合物

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Publication number: CN101629256B
Application number: CN2009101820613A
Authority: CN
Inventors: 傅戈雁; 石世宏; 刘秀波; 张宗列; 陆建东; 魏宏璞; 刘双
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2009-07-20
Filing date: 2009-07-20
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2029-07-20
Also published as: CN101629256A

Abstract

本发明公开了一种用于核电阀门密封面的镍铬合金，所述镍铬合金中各成分的重量百分数为：铬：26.0～28.0％，硅：2.0～2.5％，硼：1.1～1.3％，钼：4.5～5.5％，钨：3.0～4.0％，碳：0.9～1.1％，其余为镍；同时本发明利用激光熔覆技术制备涂层，得到的镍基合金核电阀门密封面涂层相关参数如下：硬度为HRC42～46，略高于Stellite-6钴基合金涂层的HRC39～43；涂层组织晶粒度为11～12级，优于一般等离子喷焊层的9～10级和火焰堆焊层的8～9级；涂层与基体结合带宽为10～30μm，优于等离子喷焊结合带宽的80～120μm和火焰堆焊结合带宽的200～300μm。

Description

一种用于核电阀门密封面的镍铬合金粉末组合物

技术领域

本发明涉及一种镍铬合金，尤其涉及一种应用于核电阀门密封面的强化材料的无钴镍铬合金。

背景技术

核电阀门密封面的使用条件相当苛刻，要求满足高的耐磨性、耐蚀性、耐高温要求。目前核阀密封面堆焊材料一般均为钴基合金，如Stellite 6或Stellite21等。钴基合金具有良好的高温性能、极好的低摩擦和抗磨损特性、优异的耐热腐蚀性及耐热疲劳性能，特别是在热态下具有优越的耐擦伤性能，因而常用来堆焊使用条件比较恶劣，抗磨损、抗腐蚀性能要求较高的阀门密封面。然而，由于钴基合金价格昂贵，以及我国钴资源缺乏，钴基合金替代品的寻找一直是我国科学工作者关心的问题。特别对于在核环境下工作的阀门，钴基合金凸现出一个很大的缺陷：由钴基合金磨损和腐蚀碎片中的Co59受激发将形成Co60同位素。这会延长核辐射的半衰期，在停堆检修时造成检修时间的增加和对维修人员的威胁，也会大大增加核燃料屏蔽的难度和成本。因此，今后在该技术领域的发展趋势，包括美国的AP1000和法国的EPR核电站，以及我国第三代大型压水堆核电站等，其核级阀门的密封面都要求采用无钴合金材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种无钴的镍铬合金涂层材料，替代目前在核阀密封面上普遍使用的堆焊含钴合金涂层；保证所述镍铬合金的基本性能，如低摩擦、高耐磨性、高温性能等指标能够达到或接近Stellite家族钴基合金，同时节约贵重钴金属，满足核环境特殊需要。

本发明的另一目的是提供所述镍铬合金涂层材料的制备方法。

为达到上述目的，本发明具体技术方案是采用一种用于制备核电阀门密封面涂层的镍铬合金粉末混合物，所述镍铬合金粉末混合物成分的重量百分数为：

铬(Cr)：26.0～28.0％，硅(Si)：2.0～2.5％，硼(B)：1.1～1.3％，钼(Mo)：4.5～5.5％，钨(W)：3.0～4.0％，碳(C)：0.9～1.1％，其余为镍。

上述技术方案中，所述镍铬合金粉末的粒度为200～300目。

应用上述镍铬合金粉末混合物物制备核电阀门密封面涂层。制备核电阀门密封面涂层的方法有以下几种，例如：

方法一：

(1)按下述重量百分数混合粉末：铬：26.0～28.0％，硅：2.0～2.5％，硼：1.1～1.3％，铝：4.5～5.5％，钨：3.0～4.0％，碳：0.9～1.1％，其余为镍；用机械混合法获得镍铬合金粉末混合物，粉末粒度达到200～300目，并烘烤干燥；

(2)用功率为10⁴～10⁵W/cm²的激光辐照基材表面形成局部溶池，用同步送粉法将混合粉末送入溶池，用惰性气体作为输送气体，在激光作用基材和混合粉末的同时，用惰性气体保护溶池表面以避免氧化；所述激光采用CO₂激光，激光束扫描速度为3～8mm/s；

(3)根据核电阀门密封面涂层所需面积大小，采用单道激光扫描或多道搭接激光扫描即可得到镍铬合金核电阀门密封面涂层。

上述技术方案中，步骤(2)中所述混合粉末送入溶池的质量流率为：20～30g/min。

上述技术方案中，步骤(3)中所述多道搭接的搭接率为30％。

方法二：

(1)按下述重量百分数混合粉末：铬：26.0～28.0％，硅：2.0～2.5％，硼：1.1～1.3％，钼：4.5～5.5％，钨：3.0～4.0％，碳：0.9～1.1％，其余为镍；用机械混合法获得镍铬合金粉末混合物，粉末粒度达到200～300目；

(2)用乙醇溶解2123酚醛树脂材料作为粘接剂，与所述粉末混合物调和，在核电阀门密封面上涂敷成预铺涂层，并烘烤干燥；

(3)用功率为10⁴～10⁵W/cm²的激光辐照所述预铺涂层，同时向熔池吹送惰性气体以避免溶池表面氧化；所述激光采用CO₂激光，激光扫描速度为3～8mm/s；

(4)根据核电阀门密封面涂层所需面积大小，采用单道激光扫描或多道搭接激光扫描即可得到镍铬合金核电阀门密封面涂层。

上述技术方案中，步骤(2)中所述2123酚醛树脂是苯酚、甲醛在酸性催化剂作用下缩聚而成的固体酚醛树脂。

上述技术方案中，步骤(4)中所述多道搭接的搭接率为30％。

在方法一和方法二中，也可以用粉末冶金法获得镍铬合金粉末混合物。

通过上述方法制得的镍基合金核电阀门密封面涂层，合金中成分的重量百分数为：

铬：26.0～28.0％，硅：2.0～2.5％，硼：1.1～1.3％，钼：4.5～5.5％，钨：3.0～4.0％，碳：0.9～1.1％，其余为镍。

本发明的原理为：以镍铬系列合金为基础，考虑核电阀门密封面耐高温、耐腐蚀、耐磨损的要求添加各种元素；各元素在合金中的作用如下：

镍元素：镍基可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；镍基合金易形成共格有序的金属间化合物γ相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度。

铬元素：固溶强化和钝化作用；提高耐蚀性能和抗高温氧化性能；富余的铬容易与碳、硼形成碳化铬、硼化铬硬质相从而提高合金硬度和耐磨性。

硼、硅元素：降低合金熔点，扩大固液相线温度区，形成低熔共晶体；具有脱氧还原作用和造渣功能；对涂层有硬化、强化作用。注意到激光熔池寿命较短，过多的低熔点造渣物来不及浮到熔池表面而残留在熔覆层内，在冷却过程中形成液态薄膜，加剧涂层开裂，或者使熔覆层中产生夹杂，故与一般热喷涂材料相比本发明适当降低了硼、硅含量。

钨元素：固溶强化；碳化钨弥散强化。

钼元素：提高基体的高温强度和红硬性；原子半径大，固溶后使晶格发生大的畸变，显著强化合金基体。

本发明镍基涂层采用激光熔覆方法制备，与传统的等离子喷焊、火焰堆焊相比，激光熔覆技术具有能量输入密度高而集中、热作用时间短、基体受热影响小、结合面强度高等突出优点，熔池的对流传热传质作用，可使涂层组织更致密，晶粒度更细小，硬度和强韧性更高，各种缺陷更少。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明所述用于制备核电阀门密封面涂层的镍基合金粉末混合物不含有贵金属钴，特别符合阀门在核环境下工作的需要；同时，由于该混合物的配方设计，并且利用了激光熔覆技术制备涂层，因此得到的镍基合金核电阀门密封面涂层具有良好的高温性能。硬度为HRC42～46，略高于Stellite-6钴基合金涂层的HRC39～43；涂层组织晶粒度为11～12级，优于一般等离子喷焊层的9～10级和火焰堆焊层的8～9级；涂层与基体结合带宽为10～30μm，优于等离子喷焊结合带宽的80～120μm和火焰堆焊结合带宽的200～300μm。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例一

(1)制备核电阀门密封面涂层的镍铬合金粉末混合物成分的重量百分数为：铬：28.0％，硅：2.5％，硼：1.3％，钼：5.5％，钨：4.0％，碳：1.1％，其余为镍；用机械混合法对上述粉末进行混合，粉末粒度为200～300目，并烘烤干燥；

(2)在不锈钢基材的核电阀门密封面上，用功率为10⁴W/cm²的激光辐照基材表面形成局部溶池，用同步送粉法将混合粉末送入溶池，用惰性气体氮气作为输送气体，在激光作用基材和混合粉末的同时，用惰性气体氮气保护溶池表面以避免氧化；所述激光为CO₂激光，激光束扫描速度为3mm/s，光斑尺寸3mm，混合粉末送入溶池的质量流率为20g/min；激光单道扫描在基材上获得一条平均直径50mm、宽度约4mm、厚度约2mm的环形密封面涂层。

对密封面涂层进行显微组织分析及相关性能测试，硬度为HRC45，晶粒度为11级，晶粒以枝晶为主，涂层与基体结合带宽平均为27μm。

实施例二：

(1)制备核电阀门密封面涂层的镍铬合金粉末混合物成分的重量百分数为：铬：28.0％，硅：2.5％，硼：1.3％，钼：5.5％，钨：4.0％，碳：1.1％，其余为镍；用机械混合法对上述粉末进行混合，粉末粒度为200～300目；

(2)用乙醇溶解2123酚醛树脂材料作为粘接剂，与上述粉末混合物调和，在不锈钢基材的核电阀门密封面上涂敷一条平均直径50mm、宽度5mm、厚度2.5mm的环形预铺涂层，并烘烤干燥；

(3)用功率为10⁴W/cm²的激光辐照涂敷好的环形预铺涂层，同时向熔池吹送惰性气体以避免溶池表面氧化；所述激光采用CO₂激光，激光束扫描速度为3mm/s，光斑尺寸3mm，采用激光多道扫描，搭接率30％，获得一条平均直径50mm，宽度约6mm，厚度约2mm的环形密封面涂层。

对密封面涂层进行显微组织分析及相关性能测试，硬度为HRC44，晶粒度为11级，晶粒以枝晶为主，涂层与基体结合带宽平均为29μm。

实施例三：

具体步骤与实施例一相同，区别在于，将步骤(1)所述粉末混合物成分的重量百分比调整为铬：26.0％，硅：2.0％，硼：1.1％，铝：4.5％，钨：3.0％，碳：0.9％，其余为镍。获得一硬度为HRC42的涂层。

实施例四：

具体步骤与实施例一相同，区别在于，将步骤(2)激光功率调整为10⁵W/cm²，激光扫描速度调整为8mm/s，获得一硬度为HRC46的涂层。

Claims

1.一种用于制备核电阀门密封面涂层的镍铬合金粉末混合物，其特征在于，所述镍铬合金粉末混合物成分的重量百分数为：

2.根据权利要求1所述的镍铬合金粉末混合物，其特征在于：所述镍铬合金粉末的粒度为200～300目。

3.利用权利要求1所述的镍铬合金粉末混合物制备镍铬合金核电阀门密封面涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按下述重量百分数混合粉末：铬：26.0～28.0％，硅：2.0～2.5％，硼：1.1～1.3％，钼：4.5～5.5％，钨：3.0～4.0％，碳：0.9～1.1％，其余为镍；用机械混合法获得镍铬合金粉末混合物，粉末粒度为200～300目，并烘烤干燥；

(2)用功率为10⁴～10⁵W/cm²的激光辐照基材表面形成局部熔池，用同步送粉法将混合粉末送入熔池，用惰性气体作为输送气体，在激光作用基材和混合粉末的同时，用惰性气体保护熔池表面以避免氧化；所述激光采用CO₂激光，激光束扫描速度为3～8mm/s；

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述混合粉末送入熔池的质量流率为：20～30g/min。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述多道搭接的搭接率为30％。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中用粉末冶金法获得镍铬合金粉末混合物。

7.利用权利要求1所述的镍铬合金粉末混合物制备镍铬合金核电阀门密封面涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(3)用功率为10⁴～10⁵W/cm²的激光辐照所述预铺涂层，同时向熔池吹送惰性气体以避免熔池表面氧化；所述激光采用CO₂激光，激光扫描速度为3～8mm/s；

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，上述技术方案中，步骤(4)中所述多道搭接的搭接率为30％。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(1)中用粉末冶金法获得镍铬合金粉末混合物。