煤氣化是煤化工及煤制油流程中的第一步, 煤氣化裝置中排渣系統的閥門具有耐磨損、耐沖刷、防結垢、防結疤、快速切斷等特性。煤氣化爐鎖渣閥是煤化工裝置中關鍵的主力控制閥門，其啟閉頻繁、口徑大，且在高壓條件下具有嚴格的密封性，因此在設計和制造該類閥門的過程中存在諸多技術挑戰。
煤化工專用鎖渣、鎖斗閥及沖洗閥中的高溫渣水對閥體的流道具有較大的沖蝕作用，對閥門球體及閥座等部件及密封面的沖蝕和磨蝕程度更大，因此要求對閥內件進行特殊的硬化處理，使閥門具有較高的耐磨性能。集渣和排渣的周期短，正常生產中閥門頻繁開關，導致閥門的壓力和溫度變化很大，因此要求閥門具有較長的使用壽命和較高的密封等級。此外，閥門具有較高的密封比壓、球體表面硬度、噴焊層結合強度，導致其設計和制造困難，通常采用不銹鋼為基體材料，然后用等離子堆焊在基體表面制備一層高硬度的耐磨硬質涂層，從而延長其使用壽命。
為了滿足苛刻的工況要求，鎖渣閥基體為雙相不銹鋼，雙相不銹鋼中Cr元素的質量分數為17%~30%，Ni元素的質量分數為3%~13%，還含有少量的Cu、N、Mo、Nb等其他元素。雙相不銹鋼含有較多的Cr元素以及其他對耐腐蝕性有利的合金元素，所以其耐腐蝕性能較好,尤其是在抗點腐蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕開裂方面。F51雙相不銹鋼即0Cr22Ni5Mo3N鋼，是中合金雙相不銹鋼的一種，鋼中的N 元素提高了奧氏體的穩定性，使其在較高溫度下仍能保持一定量的奧氏體。
為了進一步提高密封表面的耐磨性，需要在雙相鋼表面堆焊高硬度合金層，Ni55粉末價格適中，具有良好的韌性、潤濕性、耐磨性、耐腐蝕性、耐沖擊性和耐熱性，并且在高溫下具有自潤滑作用，是激光熔覆材料中研究和使用最廣泛的材料之一，主要用于制作有局部耐磨、耐腐蝕要求的部件。Co112F、Co106F粉末具有良好的高溫硬度、高溫耐磨性、耐熱性與耐腐蝕性能，但價格較高。研究人員用等離子堆焊方法把Co106F、Co112F、Ni55粉末熔覆在F51鋼表面，并對堆焊試樣進行了堆焊層組織結構以及化學成分的研究。
1、 試驗設備和方法
基體選用的是F51雙相鋼，焊粉選用的是Co106F、Co112F、Ni55粉末，利用專用等離子堆焊設備，分別把 Co106F、Co112F、Ni55粉末雙層堆焊在基體上，堆焊工藝參數如表1所示。
表1 堆焊工藝參數
利用線切割機把堆焊試樣切割成15mm×15mm×15mm(長度×寬度×高度)的長方體，然后進行機械研磨、拋光，再用電解草酸溶液腐蝕10s，制備成金相試樣。采用光學顯微鏡進行顯微組織觀察；利用維氏硬度儀測量截面的硬度，載荷為2.94N，保壓時間為15s；采用掃描電子顯微鏡(SEM)對截面進行線掃描分析。
2、試驗結果與討論
2.1 金相檢驗
Co106F、Co112F、Ni55堆焊試樣在光學顯微鏡下的低倍顯微組織形貌如圖1~3所示。由圖1可知：Co106F堆焊試樣的熔合區位于堆焊層與基體之間，呈規則、整齊的白亮帶狀；熔覆層與基體的交界處生成樹枝晶，堆焊一層中，樹枝晶垂直于熔合線生長，堆焊一層與二層交界處的組織發生明顯變化，出現無規則的樹枝晶與分布不均的柱狀晶，其組織主要是枝晶間共晶組織和枝晶狀固溶體；堆焊二層中部出現了細小等軸晶；堆焊二層頂部處的組織為不規則細小樹枝晶，在堆焊過程中該位置散熱比較快，組織來不及長大就發生凝固，晶粒不易長大，而堆焊層與基體的交界處散熱較慢，晶粒易長大。
由圖2可知：Co112F堆焊試樣在堆焊一層與二層交界處有著明顯的組織變化，可見雜亂無章的樹枝晶；堆焊二層頂部的等軸晶比較明顯。
由圖3可知：Ni55堆焊試樣熔覆層與基體的交界處生成了平面晶、胞狀晶，還有少量的樹枝晶，組織呈平面狀、胞狀；在堆焊一層中部、堆焊一層與二層交界處可見顆粒相、胞狀晶和平面晶；堆焊二層中部出現了大量的粗大柱狀晶和一些胞狀晶，但仍以樹枝晶為主；堆焊二層頂部出現了一些比較細小的等軸晶與樹枝晶。
綜上可知：Co106F、Co112F堆焊試樣的堆焊層沒有明顯區別，都是由樹狀晶和共晶組織組成的，Co106F、Co112F堆焊試樣的堆焊層比Ni55堆焊試樣的堆焊層更緊密，組織特征更明顯。
圖4~6是Co106F、Co112F、Ni55堆焊試樣在光學顯微鏡下的高倍顯微組織形貌。由圖4，5可知：Co112F、Co106F堆焊試樣中的粉末結晶處呈平面晶形態，平面晶界面不穩定，液相溫度梯度減小，成分過冷明顯，在熔合區附近出現胞狀晶；隨著與熔合區的距離變大，成分過冷程度顯著增強，形成粗大的樹枝晶；溫度梯度與成分過冷的存在，使堆焊層出現明顯的分層現象，其組織主要為枝晶間的共晶組織和枝晶狀固溶體；在堆焊一層與二層交界處出現了胞狀晶以及樹枝晶，堆焊一層與二層的化學成分差異不大，經過二次加熱，堆焊一層與二層交界處出現柱狀樹枝晶，且在堆焊二層頂部出現了一些等軸晶。
由圖6可知：Ni55堆焊試樣在堆焊一層與基體的交界處、堆焊一層中部、堆焊一層與二層交界處的組織形貌比較緊密，沒有太大的氣孔，以樹枝晶為主；堆焊二層形成了粗大的柱狀晶及樹枝晶；堆焊層頂部形成了細小的樹枝晶。
2.2 線掃描分析
為了研究不同粉末堆焊到基體后，從基體到堆焊層的元素分布情況，對Co106F、Co112F、Ni55堆焊試樣熔合線0~90μm的范圍內進行線掃描分析，結果如圖7~9所示，其中從熔合線到基體為負，反之為正。
由圖7可知：Co106F堆焊試樣中的 Co元素含量在堆焊層處比較高，從堆焊層到基體，Co元素含量緩慢下降，說明在堆焊時Co元素向基體進行了擴散，擴散深度約為45μm；Cr元素含量在堆焊層的波動比較大；從熔合線到堆焊層，隨著熔深的增加，Fe元素含量先上升后下降，從基體到熔合線，Fe元素含量下降，靠近熔合線時達到最小值，擴散深度約為60μm；從堆焊層到基體，Ni、Mo元素含量都較低，從熔合線到基體，Mo元素含量有輕微升高，從基體向堆焊層，Mo元素含量降低，擴散深度約為45μm，Ni元素含量無較大波動；W元素含量有輕微下降，從堆焊層向基體進行了擴散，擴散深度約為30μm。Cr元素含量波動較大處一般有樹枝晶分布，柱狀組織分布的元素主要是Cr元素，因此在掃描堆焊層時，Cr元素含量有著明顯的波動。
由圖8可知：Co112F堆焊試樣從堆焊層到基體，Cr、Co、W、Mo元素的含量變化趨勢與Co106F堆焊試樣相似，而從熔合線到基體，Ni元素含量有明顯上升的波動，說明Ni元素向基體進行了擴散，擴散深度約為55μm；從基體到熔合線，Fe元素含量緩慢下降，擴散深度約為50μm。
由圖9可知：Ni55堆焊試樣從堆焊層到基體，Si、B元素總含量較低，Si元素含量有所下降，說明Si元素從堆焊層向基體發生了擴散，擴散深度約為80μm，B元素沒有明顯的變化，Ni元素含量呈下降趨勢，擴散深度約為90μm；從基體到堆焊層，Fe元素含量呈下降趨勢，說明發生了擴散，擴散深度約為60μm，Cr元素含量呈緩慢上升的趨勢，但在堆焊層內Cr元素含量起伏明顯，說明Cr元素從基體向堆焊層進行了擴散，擴散深度約為70μm。
2.3 硬度測試
表2 Co106F、Co112F、Ni55堆焊試樣截面的硬度測試結果
表2為Co106F、Co112F、Ni55堆焊試樣截面的硬度測試結果。從表2可以看出:Co106F、Co112F、Ni55堆焊試樣基體的平均硬度分別為278.66，281.56，258.76HV，Co106F、Co112F堆焊試樣的基體硬度比較相近，Ni55堆焊試樣的基體硬度較低。
圖10是Co106F、Co112F、Ni55堆焊試樣截面的硬度變化曲線。由圖10可以看出：Co106F堆焊試樣的硬度曲線呈先上升后平穩的趨勢，硬度約為423.8HV，在與熔合線的距離為-25μm 時，硬度開始上升，在與熔合線的距離為25μm時，達到最大硬度477.7HV；Co112F堆焊試樣的硬度曲線呈先上升后下降的趨勢，在與熔合線的距離為-25μm時，硬度開始增大，在與熔合線的距離為150μm時，硬度達到最大(503.2HV)，堆焊層的平均硬度為463.3HV；Ni55堆焊試樣的硬度曲線呈先上升后平穩的趨勢，最大硬度為454.1HV，在與熔合線的距離為-25μm時，硬度開始增大，在與熔合線的距離為25μm時，硬度趨于穩定。
表3 Co106F、Co112F、Ni55堆焊試樣的表面硬度測試結果
表3為Co106F、Co112F、Ni55堆焊試樣的表面硬度測試結果。從表3可以看出：Co106F、Co112F、Ni55堆焊試樣的表面硬度比較均勻，Ni55堆焊試樣的表面硬度最大，Co106F堆焊試樣的表面硬度最小。
3、結語
(1)Co106F、Co112F、Ni55堆焊試樣的堆焊層與基體有明顯交界，Co106F、Co112F堆焊試樣的顯微組織形貌沒有明顯的區別，均由樹枝晶組成；Ni55堆焊試樣的組織分布較為緊密，在堆焊一層與二層交界處出現無序的柱狀晶，為過冷所致。
(2)Co106F、Co112F堆焊試樣的堆焊層中，在堆焊時Co元素向基體發生了擴散，Cr元素含量在堆焊層中的起伏較大，Fe元素由基體向堆焊層發生擴散；Ni55堆焊試樣的堆焊層中，Si、Ni元素由堆焊層向基體擴散，擴散深度分別為80，90μm，Fe、Cr元素從基體向堆焊層擴散，擴散深度分別為60，70μm。
(3)Co106F、Co112F、Ni55堆焊試樣堆焊層的平均硬度分別是基體硬度的1.5，1.6，1.62倍；Co106F、Co112F、Ni55堆焊試樣的硬度都在與熔合線距離為-25μm處開始上升，在與熔合線距離為25μm時，Co106F堆焊試樣達到最大硬度；在與熔合線距離為150μm 處，Co112F堆焊試樣達到最大硬度；在與熔合線距離為0~25μm時，Ni55堆焊試樣的硬度趨于穩定，在與熔合線距離大于25μm時，Ni55堆焊試樣的硬度再一次增大。Co106F、Co112F、Ni55堆焊試樣的表面硬度比較均勻，Ni55堆焊試樣的表面硬度最大，Co106F堆焊試樣的表面硬度最小。
