激光熔覆技术在核电阀门中的研究进展
发布时间：2021-08-06
核电阀门市场前景非常广阔，但目前国内阀门制造技术落后，核阀等高参数阀门主要靠进口，随着中国核电建设渐渐驶入快车道，核电“国产化情结”变得越来越强烈。世界上核电站因阀门装置密封面出故障而造成的事故约占核电站事故的25%。因此对核阀材料和制造工艺提出了十分严格的要求。
核阀密封面一般采用堆焊工艺熔焊，阀门密封面堆焊质量和生产效率，不仅取决于堆焊材料，而且很大程度上还取决于先进的堆焊工艺方法和自动化设备。我国阀门密封面堆焊技术的研究工作始于20世纪60年代初，历经40多年的发展历程，阀门堆焊方法从以手工电弧焊和氧-乙烘火焰堆焊等非自动化、低效率的堆焊方法，发展到广泛采用高效、自动化的堆焊方法，如火焰堆焊、等离子弧堆焊以及激光熔覆等。先进的堆焊技术是当前各国竞相研究的热点，其中最具应用前景的当属激光熔覆技术。该技术兴起于20世纪80年代,它是利用具有高能密度的激光束使某种特殊性能的材料快速熔凝在基体材料表面并与基体形成冶金结合，构成与基体成分和性能完全不同的高性能合金熔覆层。
激光熔覆工艺因具有热输入准确控制，焊接速度高，冷却速度快,热畸变小,厚度、成分和稀释率可控性好的特点，可以获得组织致密、高性能(如耐磨性、耐腐蚀性能、抗氧化性能、热障性能、热气蚀和冲蚀磨损等)的合金堆焊层，具有传统堆焊方法所不具备的优势，因此，将激光熔覆技术应用于密封面的强化受到了国内外广泛的重视，并已在众多领域获得应用。
因核电的迅猛发展，国家政策的支持和市场经济的需求，掌握研制高参数核电阀门技术迫在眉睫,激光熔覆在表面强化技术中突出的优势和在实际应用中良好的效果,使得许多学者正致力于将其应用到核电阀门密封面强化的研究中。
有学者在核阀阀瓣密封面奥氏体基体上采用激光堆焊工艺熔覆Co基合金，并与等离子喷焊层和电弧堆焊层进行对比，试验结果表明激光熔覆获得的强化层表面光滑平整，一次激光熔覆层能达到3mm。熔层组织与其它传统堆焊工艺相比，废品率小于5%,晶粒显著细化，稀释率小，成品率高，在强酸、强碱介质中腐蚀率最低页。而且还测试了涂层的硬度和耐磨性,激光熔覆层的平均硬度达到HV740〜860,而等离子弧堆焊层平均硬度只有HV520〜560。两种强化工艺下的堆焊层经过3000次冲击，磨损量分别为1. 2mg和2. 53mg。
至目前为止，核阀密封面堆焊材料一般为含钻合金，如Stellite6或Stellite21等。但是钻基合金存在两个突出的问题: 一是我国是钻资源十分缺乏的国家，钻矿储量小于2%的世界储量，所需钻资源主要靠进口钻精矿和回收利用含钻废料；二是钻基合金磨损和腐蚀碎片中的Cow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延长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,国家第三代大型压水堆核电站，包括美国的AP1000和法国核级阀门的密封面都要求采用无钻合金。20世纪90年代以来国内使用的代钻合金有NDG-2 # 镰基合金.TDG-5铁基合金焊丝以及SF-6铁基锯猛堆焊焊条，但这些代钻材料还没有像钻基材料那样得到用户的认可。国外使用的代钻合金有410、440C、616和Norem02/02A 等。采用较多的是616和Norem02/02A类不锈钢合金，但它们的耐高温能力仍然受限。因此代钻材料的使用、研制及推广任重道远。
综上可见，激光熔覆技术是一种有前景的先进表面处理技术，是提高阀门密封面质量的有效途径,并已成功进入应用阶段。釆用激光熔覆技术、控制熔覆层的成分和选择合理的熔覆工艺可使基体获得其它表面强化技术难以得到的性能，充分发挥原材料的潜力。
来源：熔覆专家
