1. 引言
核电站阀门密封面作为反应堆冷却剂压力边界的关键屏障，其结构完整性直接关系到核安全功能的实现。核级阀门长期服役于含硼水化学环境，密封面持续承受腐蚀、冲蚀及微动疲劳的协同损伤，易发生点蚀、裂纹及材料剥落等失效形式，引发阀门内漏风险。现行维护策略中，轻度缺陷依赖现场研磨恢复型线，而深度缺损则需整体更换。然而，核岛内部空间局促，受早期布置设计限制，整体更换往往伴随大范围结构拆装，检修周期长、发电损失大。以某核电厂主给水调节阀为例，经多轮研磨后密封面已接近设计允许减薄极限，传统修复手段面临失效。这一工程困境凸显了发展原位再制造技术的迫切性，而激光熔覆技术凭借其局部加热、冶金结合、组织可控的特点，成为重建阀门密封面耐磨耐蚀合金层的优选方案[1]。
针对核级阀门密封面的严苛服役条件，激光熔覆Stellite 6钴基合金技术展现出显著的材料与工艺适配性[2]。Stellite 6合金是以钴为基体、含Cr (27%~32%)、W (3%~5%)及C (0.9%~1.4%)的钴基铸造合金，其显微组织为面心立方结构的γ-Co奥氏体固溶体与M7C3、M23C6型共晶碳化物的混合结构[3]，赋予其优异的高温耐磨性、耐汽蚀性及耐含硼水腐蚀性能，适用于高温高压蒸汽环境[4]。国内外学者通过激光熔覆Stellite 6合金显著提升了材料的耐摩擦磨损性能。Liu等[5]通过激光熔覆，使316L不锈钢表面Stellite 6涂层的磨损率降低59.83%。Karmakar等[6]在AISI H13钢表面激光熔覆Stellite 6涂层，发现涂层在高温下仍保持优异的耐磨性。Bartkowski等[7]采用激光合金化在S355钢表面制备Stellite-6涂层，涂层显微硬度和耐磨性均显著高于基体材料。
在工艺方法上，旁轴送丝激光熔覆相较传统等离子喷焊及同步送粉激光熔覆具有独特优势[8]。丝材经激光预熔后进入熔池，材料利用率接近100%，无粉末飘散造成的成分偏析与环境污染风险；单层熔覆厚度可达1~4 mm，可满足密封面深度缺损的一次性修复需求；热输入精确可控，热影响区窄，熔覆层组织细密[9]。然而，旁轴送丝激光熔覆的工艺参数(如扫描速度、送丝速率、激光功率等)对熔覆层的几何形貌、凝固组织及力学性能具有显著影响[7] [9]。研究表明，扫描速度通过调控热输入与冷却速率，显著改变熔池的流动行为、二次枝晶间距及碳化物分布形态，进而影响熔覆层的显微硬度与耐磨性能[7] [9]。在核级阀门密封面修复中，熔覆层硬度直接决定其抗摩擦磨损能力与密封可靠性[10]，是保障阀门启闭寿命与密封等级的关键指标。因此，优化扫描速度等关键工艺参数，建立成形质量与硬度的协同控制方法，对确保修复层服役性能具有重要意义。
本文针对核级阀门密封面修复需求，采用旁轴送丝激光熔覆工艺在阀体材料A42AP表面制备Stellite 6合金层，重点研究扫描速度对熔覆层成形质量、微观组织及硬度的影响规律，旨在建立适用于核级阀门密封面修复的激光熔覆工艺参数窗口，为缩短检修工期、保障修复层长期服役可靠性提供理论依据与技术支撑。
2. 实验方法与材料
2.1. 实验材料
本文选用直径1.2 mm的Stellite 6钴基合金丝材作为熔覆材料，以核电阀门密封圈常用材料A42AP合金为基体试板，构建旁轴送丝激光熔覆试验平台。A42AP钢与Stellite 6合金的化学成分如表1所示。
Table 1. Chemical composition of substrate and cladding material (mass fraction/%)
表1. 基材及熔覆层材料成分(质量分数/%)
牌号 |
C |
Si |
Mn |
Cr |
Ni |
Fe |
W |
Mo |
Cu |
Co |
Fe |
Stellite6 |
1.0 |
1.8 |
1.2 |
29.5 |
2.8 |
2.0 |
4.2 |
1.0 |
/ |
Bal. |
/ |
A42AP |
0.2 |
0.25 |
0.65 |
0.1 |
0.1 |
/ |
/ |
/ |
0.15 |
/ |
Bal. |
2.2. 旁轴送丝激光熔覆工艺方案
本文采用单层多道熔覆策略，以激光扫描速度为主要变量，具体试验参数如下：(1) 采用多道搭接策略在50 mm × 50 mm范围内制备熔覆层；(2) 激光源采用额定功率2.5 KW，搭接率选用50%，送丝速度选用1200 mm/min，送丝角度45˚；(3) 扫描速度分别设定为300 mm/min、400 mm/min和500 mm/min；(4) 焊前进行机械清理与除油处理，熔覆完成后空冷至室温。
2.3. 测试方法
采用着色渗透探伤方法对熔覆层表面进行缺陷检测：预处理清除工件表面油污，渗透时间控制在30 min，显像剂涂层厚度保持在0.1 mm范围内以保证显像清晰度。
利用中走丝线切割设备切取试样，磨抛后采用DMM-480C倒置金相显微镜对熔覆层截面进行成形质量观测。
使用HVST-1000A+CCD自动转塔显微硬度计进行室温维氏硬度测试。载荷0.5 Kg，保载时间10 s。从熔覆层顶部到基体每隔0.1 mm取点测量显微硬度，每组测量三次取平均值。
3. 试验结果与讨论
3.1. 外观成型与无损检测
采用旁轴送丝激光熔覆工艺在A42AP基体表面制备Stellite 6合金层，如图1(a)~(c)所示。在不同扫描速度(300 mm/min, 400 mm/min, 500 mm/min)条件下，熔覆层表面均呈现均匀连续的金属光泽，无明显氧化变色、飞溅粘附或宏观裂纹。
对熔覆层进行渗透无损检测，如图1(a1)~(c1)所示。三种扫描速度下制备的熔覆层表面及近表面均无可显示裂纹、未熔合或线状缺陷，熔覆层与基体结合界面连续完整，满足核级阀门密封面修复的无损检测验收要求。初步证实旁轴送丝激光熔覆工艺在所述参数窗口内具有良好的工艺稳定性与抗裂敏感性。
Figure 1. Surface morphologies and non-destructive testing results of Stellite 6 coatings at different scanning speeds: (a) 300 mm/min; (b) 400 mm/min; (c) 500 mm/min
图1. 不同扫描速度Stellite 6涂层形貌及探伤结果：(a) 300 mm/min；(b) 400 min/min；(c) 500 mm/min
3.2. 熔覆层成型质量与层厚
沿熔覆层横截面制备金相试样，经研磨抛光后观察，熔覆层截面宏观形貌如图2所示。三种扫描速度条件下的熔覆层与基体均实现了良好的冶金结合，界面处未见未熔合、夹杂或气孔等缺陷，熔合线清晰连续。熔覆层内部致密，未发现明显的凝固缩孔或气孔缺陷，证实旁轴送丝方式在稳态熔覆过程中具有良好的熔池稳定性与排气能力。
Figure 2. Cross-sectional morphologies of Stellite 6 cladding layers by side-feed laser cladding: (a) 300 mm/min; (b) 400 mm/min; (c) 500 mm/min
图2. 旁轴送丝激光熔覆Stellite 6熔覆层横截面形貌：(a) 300 mm/min；(b) 400 min/min；(c) 500 mm/min
对熔覆层几何尺寸进行定量分析，结果如图3所示。300 mm/min时，熔覆层厚度为3190 ± 57 μm；400 mm/min时，熔覆层厚度为2363 ± 63 μm；500 mm/min时，熔覆层厚度为1632 ± 85 μm。结果表明，随着扫描速度的提升，热输入降低，熔覆层厚度呈现显著递减趋势。这是由于线能量密度随扫描速度增加而降低，熔池存在时间缩短，单位长度内沉积的熔覆材料减少所致[11] [12]。
Figure 3. Cladding layer thickness under different process parameters
图3. 不同工艺下熔覆层厚度
3.3. 硬度结果
不同扫描速度下，沿熔覆层顶部垂直贯穿至基体内部硬度的变化趋势测试如图4所示。当扫描速度为300 mm/min时，熔覆层硬度为589.56 ± 8.06 HV0.5，截面硬度分布平缓且均匀；当扫描速度为400 mm/min时，熔覆层硬度为535.33 ± 31.09 HV0.5，呈明显阶梯式分布；当扫描速度为500 mm/min时，熔覆层硬度为522.43 ± 67.23 HV0.5，截面硬度分布极不均匀，呈剧烈波动状态，随着深度的增加，硬度先降低后增加。400 mm/min和500 mm/min条件下观察到的硬度阶梯式分布与剧烈波动，与多道搭接过程中的热循环机制密切相关[13]。后续搭接道次对已凝固层的热作用导致搭接区经历回火软化，形成周期性硬度低谷，而道中心区域则保留较高的原始硬度，从而呈现软硬交替的层状分布特征[14]。
Figure 4. Cross-sectional hardness distribution of cladding layers under different process parameters
图4. 不同工艺下熔覆层截面硬度
三种工艺均可获得的熔覆层硬度显著高于基体(200 HV0.5)。但随着扫描速度提升，熔覆层硬度整体呈下降趋势，且截面均匀性显著劣化。300 mm/min时，适中的热输入与冷却速率有利于形成均匀细密的枝晶组织和弥散分布的碳化物，故硬度高且波动小[15] [16]。400 mm/min时，热输入降低导致部分区域熔化不充分，形成硬度高低交替的层状分布[17] [18]。500 mm/min时，过高的扫描速度使熔池存在时间过短，冷却速率过快且不稳定，导致元素烧损或异常相析出[19]-[21]，造成硬度在391 HV0.5至614 HV0.5间剧烈震荡。这种不均匀的硬度分布将显著增加密封面研磨加工的难度，且易在软硬交界处萌生疲劳裂纹[22]，影响阀门启闭寿命。
4. 结论
本文针对核电阀门密封面修复需求，采用旁轴送丝激光熔覆技术在A42AP钢表面制备Stellite 6熔覆层，系统研究了扫描速度对熔覆层成形质量及硬度的影响规律，主要结论如下：
(1) 在激光功率2.5 KW、搭接率50%的工艺条件下，三种扫描速度(300, 400, 500 mm/min)均可获得表面成形良好、无裂纹气孔等缺陷的熔覆层，着色渗透检测均未发现可显示缺陷。
(2) 三种工艺下熔覆层与基板结合良好，界面处未观察到未熔合、夹杂等缺陷。随着扫描速度由300 mm/min提升至500 mm/min，熔覆层厚度由3190 ± 57 μm递减至1632 ± 85 μm，且厚度波动随速度增加而增大。
(3) 三种扫描速度下熔覆层硬度均显著高于基体(约200 HV0.5)，但随扫描速度提升，硬度整体呈下降趋势且截面均匀性显著劣化。300 mm/min时硬度分布平缓，400 mm/min时呈层状起伏，500 mm/min时波动剧烈，极不均匀的硬度分布将增加后续机加工难度及服役失效风险。高速扫描下热输入不足导致的层间重熔不充分及冷却速率过快，是硬度离散度增大的主要原因。
基金项目
中核检修福清项目(ZJXC-25-00341, ZJXC-25-00295)。
NOTES
*通讯作者。