煤气化是煤化工及煤制油流程中的第一步, 煤气化装置中排渣系统的阀门具有耐磨损、耐冲刷、防结垢、防结疤、快速切断等特性。煤气化炉锁渣阀是煤化工装置中关键的主力控制阀门，其启闭频繁、口径大，且在高压条件下具有严格的密封性，因此在设计和制造该类阀门的过程中存在诸多技术挑战。
煤化工专用锁渣、锁斗阀及冲洗阀中的高温渣水对阀体的流道具有较大的冲蚀作用，对阀门球体及阀座等部件及密封面的冲蚀和磨蚀程度更大，因此要求对阀内件进行特殊的硬化处理，使阀门具有较高的耐磨性能。集渣和排渣的周期短，正常生产中阀门频繁开关，导致阀门的压力和温度变化很大，因此要求阀门具有较长的使用寿命和较高的密封等级。此外，阀门具有较高的密封比压、球体表面硬度、喷焊层结合强度，导致其设计和制造困难，通常采用不锈钢为基体材料，然后用等离子堆焊在基体表面制备一层高硬度的耐磨硬质涂层，从而延长其使用寿命。
为了满足苛刻的工况要求，锁渣阀基体为双相不锈钢，双相不锈钢中Cr元素的质量分数为17%~30%，Ni元素的质量分数为3%~13%，还含有少量的Cu、N、Mo、Nb等其他元素。双相不锈钢含有较多的Cr元素以及其他对耐腐蚀性有利的合金元素，所以其耐腐蚀性能较好,尤其是在抗点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂方面。F51双相不锈钢即0Cr22Ni5Mo3N钢，是中合金双相不锈钢的一种，钢中的N 元素提高了奥氏体的稳定性，使其在较高温度下仍能保持一定量的奥氏体。
为了进一步提高密封表面的耐磨性，需要在双相钢表面堆焊高硬度合金层，Ni55粉末价格适中，具有良好的韧性、润湿性、耐磨性、耐腐蚀性、耐冲击性和耐热性，并且在高温下具有自润滑作用，是激光熔覆材料中研究和使用最广泛的材料之一，主要用于制作有局部耐磨、耐腐蚀要求的部件。Co112F、Co106F粉末具有良好的高温硬度、高温耐磨性、耐热性与耐腐蚀性能，但价格较高。研究人员用等离子堆焊方法把Co106F、Co112F、Ni55粉末熔覆在F51钢表面，并对堆焊试样进行了堆焊层组织结构以及化学成分的研究。
1、 试验设备和方法
基体选用的是F51双相钢，焊粉选用的是Co106F、Co112F、Ni55粉末，利用专用等离子堆焊设备，分别把 Co106F、Co112F、Ni55粉末双层堆焊在基体上，堆焊工艺参数如表1所示。
表1 堆焊工艺参数
利用线切割机把堆焊试样切割成15mm×15mm×15mm(长度×宽度×高度)的长方体，然后进行机械研磨、抛光，再用电解草酸溶液腐蚀10s，制备成金相试样。采用光学显微镜进行显微组织观察；利用维氏硬度仪测量截面的硬度，载荷为2.94N，保压时间为15s；采用扫描电子显微镜(SEM)对截面进行线扫描分析。
2、试验结果与讨论
2.1 金相检验
Co106F、Co112F、Ni55堆焊试样在光学显微镜下的低倍显微组织形貌如图1~3所示。由图1可知：Co106F堆焊试样的熔合区位于堆焊层与基体之间，呈规则、整齐的白亮带状；熔覆层与基体的交界处生成树枝晶，堆焊一层中，树枝晶垂直于熔合线生长，堆焊一层与二层交界处的组织发生明显变化，出现无规则的树枝晶与分布不均的柱状晶，其组织主要是枝晶间共晶组织和枝晶状固溶体；堆焊二层中部出现了细小等轴晶；堆焊二层顶部处的组织为不规则细小树枝晶，在堆焊过程中该位置散热比较快，组织来不及长大就发生凝固，晶粒不易长大，而堆焊层与基体的交界处散热较慢，晶粒易长大。
由图2可知：Co112F堆焊试样在堆焊一层与二层交界处有着明显的组织变化，可见杂乱无章的树枝晶；堆焊二层顶部的等轴晶比较明显。
由图3可知：Ni55堆焊试样熔覆层与基体的交界处生成了平面晶、胞状晶，还有少量的树枝晶，组织呈平面状、胞状；在堆焊一层中部、堆焊一层与二层交界处可见颗粒相、胞状晶和平面晶；堆焊二层中部出现了大量的粗大柱状晶和一些胞状晶，但仍以树枝晶为主；堆焊二层顶部出现了一些比较细小的等轴晶与树枝晶。
综上可知：Co106F、Co112F堆焊试样的堆焊层没有明显区别，都是由树状晶和共晶组织组成的，Co106F、Co112F堆焊试样的堆焊层比Ni55堆焊试样的堆焊层更紧密，组织特征更明显。
图4~6是Co106F、Co112F、Ni55堆焊试样在光学显微镜下的高倍显微组织形貌。由图4，5可知：Co112F、Co106F堆焊试样中的粉末结晶处呈平面晶形态，平面晶界面不稳定，液相温度梯度减小，成分过冷明显，在熔合区附近出现胞状晶；随着与熔合区的距离变大，成分过冷程度显著增强，形成粗大的树枝晶；温度梯度与成分过冷的存在，使堆焊层出现明显的分层现象，其组织主要为枝晶间的共晶组织和枝晶状固溶体；在堆焊一层与二层交界处出现了胞状晶以及树枝晶，堆焊一层与二层的化学成分差异不大，经过二次加热，堆焊一层与二层交界处出现柱状树枝晶，且在堆焊二层顶部出现了一些等轴晶。
由图6可知：Ni55堆焊试样在堆焊一层与基体的交界处、堆焊一层中部、堆焊一层与二层交界处的组织形貌比较紧密，没有太大的气孔，以树枝晶为主；堆焊二层形成了粗大的柱状晶及树枝晶；堆焊层顶部形成了细小的树枝晶。
2.2 线扫描分析
为了研究不同粉末堆焊到基体后，从基体到堆焊层的元素分布情况，对Co106F、Co112F、Ni55堆焊试样熔合线0~90μm的范围内进行线扫描分析，结果如图7~9所示，其中从熔合线到基体为负，反之为正。
由图7可知：Co106F堆焊试样中的 Co元素含量在堆焊层处比较高，从堆焊层到基体，Co元素含量缓慢下降，说明在堆焊时Co元素向基体进行了扩散，扩散深度约为45μm；Cr元素含量在堆焊层的波动比较大；从熔合线到堆焊层，随着熔深的增加，Fe元素含量先上升后下降，从基体到熔合线，Fe元素含量下降，靠近熔合线时达到最小值，扩散深度约为60μm；从堆焊层到基体，Ni、Mo元素含量都较低，从熔合线到基体，Mo元素含量有轻微升高，从基体向堆焊层，Mo元素含量降低，扩散深度约为45μm，Ni元素含量无较大波动；W元素含量有轻微下降，从堆焊层向基体进行了扩散，扩散深度约为30μm。Cr元素含量波动较大处一般有树枝晶分布，柱状组织分布的元素主要是Cr元素，因此在扫描堆焊层时，Cr元素含量有着明显的波动。
由图8可知：Co112F堆焊试样从堆焊层到基体，Cr、Co、W、Mo元素的含量变化趋势与Co106F堆焊试样相似，而从熔合线到基体，Ni元素含量有明显上升的波动，说明Ni元素向基体进行了扩散，扩散深度约为55μm；从基体到熔合线，Fe元素含量缓慢下降，扩散深度约为50μm。
由图9可知：Ni55堆焊试样从堆焊层到基体，Si、B元素总含量较低，Si元素含量有所下降，说明Si元素从堆焊层向基体发生了扩散，扩散深度约为80μm，B元素没有明显的变化，Ni元素含量呈下降趋势，扩散深度约为90μm；从基体到堆焊层，Fe元素含量呈下降趋势，说明发生了扩散，扩散深度约为60μm，Cr元素含量呈缓慢上升的趋势，但在堆焊层内Cr元素含量起伏明显，说明Cr元素从基体向堆焊层进行了扩散，扩散深度约为70μm。
2.3 硬度测试
表2 Co106F、Co112F、Ni55堆焊试样截面的硬度测试结果
表2为Co106F、Co112F、Ni55堆焊试样截面的硬度测试结果。从表2可以看出:Co106F、Co112F、Ni55堆焊试样基体的平均硬度分别为278.66，281.56，258.76HV，Co106F、Co112F堆焊试样的基体硬度比较相近，Ni55堆焊试样的基体硬度较低。
图10是Co106F、Co112F、Ni55堆焊试样截面的硬度变化曲线。由图10可以看出：Co106F堆焊试样的硬度曲线呈先上升后平稳的趋势，硬度约为423.8HV，在与熔合线的距离为-25μm 时，硬度开始上升，在与熔合线的距离为25μm时，达到最大硬度477.7HV；Co112F堆焊试样的硬度曲线呈先上升后下降的趋势，在与熔合线的距离为-25μm时，硬度开始增大，在与熔合线的距离为150μm时，硬度达到最大(503.2HV)，堆焊层的平均硬度为463.3HV；Ni55堆焊试样的硬度曲线呈先上升后平稳的趋势，最大硬度为454.1HV，在与熔合线的距离为-25μm时，硬度开始增大，在与熔合线的距离为25μm时，硬度趋于稳定。
表3 Co106F、Co112F、Ni55堆焊试样的表面硬度测试结果
表3为Co106F、Co112F、Ni55堆焊试样的表面硬度测试结果。从表3可以看出：Co106F、Co112F、Ni55堆焊试样的表面硬度比较均匀，Ni55堆焊试样的表面硬度最大，Co106F堆焊试样的表面硬度最小。
3、结语
(1)Co106F、Co112F、Ni55堆焊试样的堆焊层与基体有明显交界，Co106F、Co112F堆焊试样的显微组织形貌没有明显的区别，均由树枝晶组成；Ni55堆焊试样的组织分布较为紧密，在堆焊一层与二层交界处出现无序的柱状晶，为过冷所致。
(2)Co106F、Co112F堆焊试样的堆焊层中，在堆焊时Co元素向基体发生了扩散，Cr元素含量在堆焊层中的起伏较大，Fe元素由基体向堆焊层发生扩散；Ni55堆焊试样的堆焊层中，Si、Ni元素由堆焊层向基体扩散，扩散深度分别为80，90μm，Fe、Cr元素从基体向堆焊层扩散，扩散深度分别为60，70μm。
(3)Co106F、Co112F、Ni55堆焊试样堆焊层的平均硬度分别是基体硬度的1.5，1.6，1.62倍；Co106F、Co112F、Ni55堆焊试样的硬度都在与熔合线距离为-25μm处开始上升，在与熔合线距离为25μm时，Co106F堆焊试样达到最大硬度；在与熔合线距离为150μm 处，Co112F堆焊试样达到最大硬度；在与熔合线距离为0~25μm时，Ni55堆焊试样的硬度趋于稳定，在与熔合线距离大于25μm时，Ni55堆焊试样的硬度再一次增大。Co106F、Co112F、Ni55堆焊试样的表面硬度比较均匀，Ni55堆焊试样的表面硬度最大，Co106F堆焊试样的表面硬度最小。
