石油管道關鍵閥門的激光復合強化技術應用分析

柳宇

（大慶油田裝備制造集團銷售公司國際銷售分公司，黑龍江大慶163311）

1 引 言

作為流體輸送組件，閥門是石油、化工、長輸管線、造船、核工業、各種低溫工程以及海洋采油等部門不可缺少的流體控制設備。經過多年的發展，目前中國的閥門企業數量已居全世界第一，已能設計、生產、檢測十幾大類、3000 多個型號、50000 多個規格的閥門產品。我國閥門制造業更多局限于中低端閥門。隨著我國經濟的不斷發展，對高端閥門的要求越來越顯著，閥門的高溫耐磨性是影響其壽命的關鍵因素之一。為了提高閥門的使用壽命，傳統的方法有兩種：一種是直接采用優質的材料，另一種是采用優質金屬材料的基礎上，在零部件的關鍵部位采用堆焊等工藝涂覆一層高性能的合金。

2 激光復合強化工藝的發展

2.1 激光熔覆強化

激光熔覆是1980 年代發展起來的一種表面工程技術。與熱噴涂和堆焊技術相比，激光熔覆技術的能量密度高，熱影響區小，工件熱變形小，組織均勻，晶粒細小，力學性能優良。特別是涂層與基體呈冶金結合，可以承受更大的載荷。迄今為止在國內沒有得到大范圍的應用。究其原因，主要在于單純采用激光熔覆存在兩個明顯的缺點：一是由于熔池溫度梯度大，冷卻速度快，熔覆層存在較大殘余應力，易產生裂紋；二是加工效率低，導致制造成本偏高。

2.2 激光-感應復合熔覆強化

為了克服激光熔覆技術的這些缺點，激光復合強化工藝應運而生。瑞士的Grilloud 于1990 年代率先提出了激光-感應復合熔覆技術。德國的Fraunhofer 研究所在激光-感應復合熔覆方面也做了大量工作，他們的主要研究工作集中在中小型尺寸零部件的激光-感應復合熔覆，并研制出結構緊湊的專用激光-感應復合熔覆加工頭，相關工作也申請了1 項美國專利和歐洲專利。自2005 年起，國內清華大學、華中科技大學、浙江工業大學等高等院校也開始了激光-感應復合熔覆技術的研究，如華中科技大學周圣豐、曾曉雁等人對激光-感應復合熔覆工藝與裝備做了較多的基礎研究工作。與國外同類技術相比，他們采用的技術路線存在兩個特點：一是將大尺寸和超大尺寸金屬零部件作為研究對象，所采用的感應熱源功率高于國外同類研究；二是在激光-感應復合熔覆裝置與方法上進行了研究，提出將激光-感應復合熔覆技術直接應用在管狀金屬零部件的內壁強化與修復，取得了較好的應用效果。

2.3 激光-超音速熱噴涂復合沉積強化

超音速熱噴涂沉積是基于氣體動力學理論的一種先進的表面改性技術，但由于其需要使用功率超過50kW的加熱裝置對高壓氦氣進行加熱，消耗成本非常大，并且超音速沉積涂層存在孔隙率高、與基體結合力較弱的固有缺陷，目前超音速熱噴涂沉積的應用還受到限制，大部分只能用于純金屬Al、Ni 等。然而，如果采用激光與超音速熱噴涂沉積二者復合的加工技術，即結合激光快速加熱與超音速沉積的“冷加工”相結合，可以有效降低超音速沉積的成本，提高沉積層質量。激光-超音速熱噴涂復合沉積技術大大提高了涂層與基體的結合力，并且不改變涂層的組織結構和性能。

3 石油管道關鍵閥門應用激光復合強化技術的潛力與挑戰

利用激光復合強化技術沉積效率高、溫度梯度小、能夠有效防止覆層開裂的特點，如果將金屬間化合物基復合材料成功熔覆于石油管道閥門關鍵表面，可以獲得性能極其優良的耐磨、耐高溫、防腐蝕涂層。激光復合強化技術是通過工藝方法提升石油管道關鍵閥門強度、高溫耐磨性和耐腐蝕性能的最佳選擇。然而，為了將激光復合強化技術應用于石油管道關鍵閥門部位的強化與修復，現有研究工作還存在著如下關鍵挑戰：

第一，復雜曲面形狀工件的激光復合強化工藝方法開發。如何實現變截面形狀條件下的激光復合強化，涉及到光、機、電、激光加工等多個技術領域的問題，是一個具有挑戰性的關鍵技術難題；

第二，石油管道關鍵閥門激光復合強化專用熔覆粉末材料體系的開發。當前激光復合強化應用比較成熟的鎳基合金、鎳基合金-WC 材料體系，雖然硬度高，耐磨性好，但是后續機械加工性能差，曲面閥體和閥內壁位置的特點使得使用磨削工具又存在一定的困難。因此，研發兼有良好的熱穩定性、耐高溫或者特種介質腐蝕性能、耐磨性，適合閥門性能要求、且具有良好機械加工特點的專用熔覆材料，就成為激光復合強化技術能否在石油管道關鍵閥門領域獲得成功工程應用的關鍵之一。

第三，石油管道關鍵閥門激光復合強化涂層中的冶金缺陷抑制機理研究。金屬間化合物具有良好的耐高溫、耐腐蝕、耐磨性能，但是單獨作為結構材料又存在抗沖擊性能不足等缺點。如何獲得無裂紋等冶金缺陷的涂層，是金屬間化合物基復合材料獲得工業應用的關鍵挑戰。

4 結 語

相比超音速熱噴涂沉積強化、單獨激光熔覆強化技術，激光復合強化技術（激光-感應復合熔覆、激光-超音速熱噴涂復合沉積）的技術優勢主要體現在：可以大大降低熱輸入，降低熱應力，減少變形和后續加工；避免高溫冶金帶來的氣孔、裂紋等缺陷；提高沉積效率，是單一激光熔覆的3 倍以上；大大降低設備制造和運行成本。我國目前在激光復合強化關鍵技術、裝備方面已有一定的研究基礎，尤其是激光熔覆專用材料體系、復合強化工藝控制技術方面處于國際先進水平。激光復合強化技術作為一種高效率、高質量金屬表面強化的新工藝、新方法，對提高石油管道關鍵閥門的性能，如閥門密封面強度、閥門的高溫耐磨性和耐腐蝕性等，有著巨大的應用潛力。

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