0 引言

激光熔覆技术是一种能有效改善材料性能的新型表面改性技术。与传统的堆焊和热喷涂等表面改性技术相比，激光熔覆涂层组织更致密，与基体结合力更强，已成为表面改性领域的研究热点之一^[1]。

压裂设备中，阀座主要采用耐蚀能力强的不锈钢作为基体材料。传统上阀座的的表面强化处理通常为堆焊、热喷涂WC颗粒和离子注入等技术，在一定程度上提高了阀座工件表面的耐磨性和耐蚀性，延长了工件的服役寿命^[2]。笔者利用激光熔覆技术在不锈钢阀座表面制备耐磨耐蚀的Co基涂层，与传统的堆焊和热喷涂相比，其工作效率和工件性能都有了质的提升。

课题组研究发现，与Ni基和Fe基相比，Co基合金粉末激光熔覆涂层耐磨耐蚀及抗高温能力更强。根据压裂设备服役环境，选择在压裂泵不锈钢阀座表面熔覆Co基合金粉末涂层。在激光熔覆工艺中，对已得到的熔覆层进行后续热处理操作对熔覆层组织性能有一定的改善作用^[3]。黄雪等^[4]对激光熔覆Co基合金加WC合金混合粉末熔覆层进行研究，当激光功率不变时，随着扫描速度增大，熔覆层组织变细，硬度先增大后减小；当扫描速度不变时，在一定范围内随着激光功率增加，涂层硬度有小幅提高。课题组在不锈钢表面进行激光熔覆过程中发现，在粉末中加入少量Al元素，能够在一定程度上抑制涂层中气孔的产生，从而降低其裂纹敏感性；激光熔覆处理后HAZ区域小，硬度大，韧性下降，需进行回火处理以改善其性能^[5-6]。课题组利用不同的Co基粉末和工艺参数进行熔覆处理，对得到的熔覆层进行热处理和组织性能检测，从而得到符合要求的激光熔覆材料和工艺参数。

1 试验材料及方法 1.1 试验材料

基体材料为410不锈钢，各元素的质量分数如下：w(C)≤0.15，w(Si)≤1.00，w(Mn)≤1.00，w(P)≤0.035，w(S)≤0.030，w(Cr)=11.50~13.50。熔覆材料选用自制Co基合金粉末SD-1、SD-2和SD-3作为主体配料粉末，与Al粉和WC粉末进行不同的组合配比，球磨、筛选后得到孔径尺寸200目粉末材料。粉末分别为1号(SD-1) 、2号(SD-3) 、3号(SD-2) 、4号(SD-2+10%WC)和5号(SD-2+10%WC+2%Al)。

1.2 激光熔覆

对410不锈钢试件表面打磨并用丙酮清洗，300 ℃预热1 h，采用预置粉末法，铺粉厚度1 mm，利用CO₂激光器进行激光熔覆操作。通过预试验确定激光熔覆功率为3.5kW，采用矩形光斑。激光熔覆试样检验合格后，在阀座工件表面进行实际工件熔覆操作。

1.3 热处理

利用SX-5-12型箱式电阻炉对熔覆试样进行高温回火，试样加热前用酒精擦拭，放入700 ℃炉内，保温2 h，空冷至室温。试样经回火处理测试性能合格后，再对熔覆阀座工件进行回火处理。

2 试验结果分析 2.1 熔覆层成型性研究

利用配置好的1~5号粉末进行激光熔覆，激光功率3.5kW，矩形光斑不变，研究不同熔覆材料在不同扫描速度条件下的成型性以及硬度。图 1为不同粉末在扫描速度为200 mm/min时的宏观成型性和硬度变化趋势。

激光熔覆时材料急速加热冷却，导致熔覆层内存在残余应力，残余应力是造成熔覆层裂纹的主要原因。不同材料的热膨胀系数不同，与基体材料的热膨胀系数差异越大，在熔覆过程越容易产生裂纹。因此当激光熔覆扫描速度相同时，熔覆材料不同，熔覆层裂纹敏感性不同^[7-9]。试验发现，随着扫描速度增大，裂纹条数增多。这主要是由于熔池的凝固速度加快，在凝固过程中熔池受到的拘束力增大，产生裂纹的倾向性变大。

由图 1可知，1号粉末硬度大但裂纹敏感性低，2号粉末裂纹敏感性强且硬度较低，3号粉末裂纹敏感性和硬度均较低，4号和5号粉末表面成型性较差。利用1号粉末和3号粉末为主体粉末进行组合配比，可充分利用一种粉末的优势改善配置粉末的成型性和熔覆层硬度。

2.2 热处理对熔覆层的影响

改变1号粉末和3号粉末的质量比例，配置6~10号粉末，采用100和150 mm/min的扫描速度进行激光熔覆，之后进行高温回火处理消除残余应力，以改善热影响区和熔覆层性能。测试热处理前、后熔覆层和热影响区的硬度变化趋势，如图 2所示。

利用上述粉末和工艺参数进行激光熔覆，得到的涂层凹坑和鱼鳞状花纹减少，表面裂纹敏感性低。扫描速度较小时，熔池单位时间内得到能量较多，保持液相时间较长，对流作用强，内部气体到表面释放的机会较大，得到成型质量好的熔覆涂层。

对熔覆层进行高温回火处理，得到显微组织形貌如图 3~图 5所示。图 3为熔覆层中下部热处理前、后显微组织图像，回火处理之前，熔覆层中下部主要呈现无方向性的细针和颗粒状组织，回火处理后，针状组织变短，尖角变钝，颗粒组织减少且分布更加均匀。 图 4是熔覆层顶部回火处理前、后显微组织形貌。回火处理之前，顶部是细针状和树枝晶的混合组织，回火后组织分布更均匀。回火过程中，晶粒出现一定程度的长大，使得熔覆层硬度有所降低，而强化相颗粒的均匀化又对熔覆层性能起到了一定的改善作用，晶粒长大和强化相颗粒均匀化共同作用，使得熔覆层硬度在回火处理前、后变化不明显^[10-11]。

图 5为熔覆层HAZ进行热处理前、后显微组织形貌。回火处理后，组织晶粒相对粗大，分布较之前更加均匀。而且回火处理有利于消除激光熔覆时的热应力^[12]，提高HAZ组织的韧性。通过对熔覆层成型性以及性能检测，在扫描速度100 mm/min时能获得符合要求的激光熔覆涂层。

2.3 耐磨性分析

图 6为回火处理后的激光熔覆涂层与不锈钢基体的摩擦因数随时间的变化曲线。

试验条件选择为50 N，采用球盘摩擦方式，磨损直径为15 mm，摩擦旋转速度400 r/min。由图可知，经过激光熔覆-回火处理的试件和未经过处理的试件表面摩擦因数变化趋势都是先增大，后减小，渡过“跑合期”后趋于稳定；激光熔覆-回火处理的熔覆层硬度高且均匀，组织致密，跑合过渡时间短，稳定摩擦的时间更长，其优异的组织性能使其摩擦因数更小，更有利于其在工业生产中的使用。

图 7为回火处理后的激光熔覆涂层与不锈钢基体及其对磨件在干摩擦1 h后的磨损失质量对比。

由图 7可知，处理试样在磨损过程中失质量较未处理试样降低了约70%，这说明回火处理后的激光熔覆涂层大大提高了零部件的耐磨能力。

3 阀座密封面激光熔覆实际应用

借助试验研究结果对不锈钢阀座和闸板进行激光熔覆，首先对待加工工件表面打磨、清洗之后放入保温炉中300 ℃预热1 h。采用熔覆效果更好的同轴自动送粉实现阀座表面的激光熔覆。经过调试熔覆程序→送粉速度换算确定→工件表面氧化膜清理→激光熔覆实际操作→工件保温缓冷→700 ℃高温回火处理等工序后，在410不锈钢阀座和闸板表面得到激光熔覆效果见图 8。由图可知，410不锈钢阀座工件表面激光熔覆Co基合金涂层光滑无裂纹；对工件进行初步测试，其表面硬度和HAZ硬度均达到诸多压裂开采设备的使用要求。在压裂钻采等服役环境恶劣条件下具有良好的应用前景。

4 结论

(1) 激光熔覆扫描速度增大，熔覆层裂纹敏感性增大。不同粉末材料得到的涂层裂纹敏感性差异较大。利用SD-1和SD-2粉末配置的Co基粉末在扫描速度为100~150 mm/min时，熔覆层硬度高，成型性好，脱渣性好。

(2) 回火处理后，熔覆层硬度几乎不变，热影响区硬度变化比较明显。回火处理后热影响区回火马氏体晶粒变粗大，硬度明显下降。

(3) 工件300 ℃预热1 h，利用SD-1、SD-2粉末配置的粉末在激光功率3.5kW，扫描速度100~150 mm/min条件下能够在不锈钢阀座工件表面得到成型性以及性能良好的熔覆层。