小口径球阀硬密封的孔隙是一个长期困扰阀门行业的卡脖子问题。尤其是苛刻工况对球阀密封面的性能提出了更高的要求，零泄漏成为基本标准。

本文中的小口径球阀，主要是指口径在DN10-DN50的球阀。小口径球体区别于大口径球体的显著特点是热容小，曲率大（通常我们把球的半径的倒数，定义为曲率，球的半径越小，看起来就越弯曲，曲率就越大）。

一、传统工艺存在的问题

球阀硬密封面现有的制备工艺一般采用等离子堆焊等工艺、氧乙炔喷焊、超音速火焰喷涂（HVOF）。

等离子堆焊由于热输入大，球体热熔小会导致稀释率高，不适合用于小口径球阀密封面堆焊；

氧乙炔喷焊同样由于热输入大导致球体整体变形，同时由于小口径球阀曲率大，喷焊时粉末汇聚度低导致表面粉末沉积不均匀，尤其是球口部分孔隙率极高，很难满足高等级的密封需求；

HVOF虽然热输入低，由于小口径球阀曲率大，粉束流汇聚的粉斑较大，导致很大一部分粉末不能从法向沉积到球体表面，而导致孔隙率较高，低孔隙率对工艺要求极高，且效率低下，导致成本高。

表1  三种工艺涂层特点性能对比

小结：从上面的分析可以看出，孔隙率大是氧乙炔喷焊和HVOF喷涂这两种工艺的主要问题，等离子堆焊主要的问题是稀释率高。

 二、孔隙率对涂层的影响

孔隙率对涂层的服役时间有着重要的影响，孔隙渗透腐蚀是涂层脱落的主要原因，从失效分析可以看到，腐蚀液可以通过涂层中的孔隙逐步渗透至基体进行的腐蚀，从而导致涂层部分或整体剥落，使涂层保护基体的作用失效。涂层与基体之间产生较多不同形状孔隙，（如图1所示）会导致涂层与基体之间的结合度降低，涂层与基体剥离。

此外孔隙率还会导致：

1. 孔隙会影响材料的内部结构和载荷分布，降低涂层材料的强度；

2. 孔隙导致应力集中，从而导致材料出现裂纹或断裂；

3. 孔隙降低材料的密度和导热性能；

4. 孔隙决定了材质的结合度强度；

5. 孔隙降低了材料的耐腐蚀性能。

图1 氧乙炔喷焊NI60涂层显微结构

三、激光喷焊工艺应用特点

激光喷焊是久恒光电在激光熔覆技术上全球首创的一种专利技术，同时兼具激光熔覆的技术优势和喷焊的技术特点，激光喷焊超快的冷却速度，使得制备的涂层具有细小的晶粒组织结构，从而显著提升了涂层的力学性能、耐磨性及耐腐蚀性能，同时具有极低的孔隙率和极高的结合强度。

久恒光电2024年3月正式推出激光喷焊技术以来，目前已经为核电、电站、石油化工、煤化工等苛刻工况生产批量提供高性能的小口径球阀。

图2中左图采用DN13球体激光喷焊STL SF6工艺，理化性能满足核电疏水球阀的工况使用要求和设计要求，已通过核资质验证和审批。图2中右图是激光喷焊结果和手工堆焊比对，可以看到两者之间存在显著差异。

图2  DN13球阀

图3是久恒光电为客户提供的标准激光喷焊工艺的喷焊STL SF12涂层工艺的显微结构，上表面的晶粒度达到ASTM No 11-13级，孔隙率几乎为0，结合面晶界连续、致密，晶粒度ASTM No 9-11级，具有极好的耐磨性能和抗冲击性能。

图3 DN50球阀标准激光喷焊工艺STL SF12样貌和涂层显微结构

 图4是采用DN50小口径球阀超级激光喷焊工艺STL SF12涂层及剖面形貌，球口和球面几乎不存在孔隙，从表2中可以看出稀释率极低，晶粒度可达到最高的ASTM No 14级，铁的含量远远低于RCC-M S8000中对STL合金堆焊铁含量小于6%的要求，是未来技术发展的方向，可以大大提高涂层的性能，降低成本。

图4  DN50球阀超级激光喷焊工艺STL SF12涂层及剖面形貌

表2合金材料及耐磨层各部位成分（%） 

四、总结：

激光喷焊的技术特点：

稀释率更低：激光喷焊稀释率更低，采用超级激光喷焊工艺400μm厚度涂层稀释率可以控制在1%以下，最低可以实现厚度为100μm有效涂层，可以大大节省贵重的合金材料；

理化性能更优：堆焊层具有细小的晶粒组织结构，晶粒度达到ASTM No 11级以上，从而显著提升了堆焊层的力学性能、抗冲击性能、耐磨性能及耐腐蚀性能；

热影响区更小：激光喷焊由于其更高的熔覆速度，熔池时间更短，因此在工件表面产生的热影响区更小；

涂层更加均匀：表面平整，涂层可以无需车削直接进行磨削加工，大大减少了机械加工工时；

工件变形小：由于热输入更短，激光喷焊可以减少工件的热变形，相对于传统方法更有优势。

孔隙率更低：孔隙率小于0.5%，有效提升了耐腐蚀性能；

生产效率更高：激光喷焊的效率是激光熔覆几倍甚至十倍以上，减少加工时间和成本，提高了设备利用率；

合金选择范围更广：激光喷焊工艺大大降低了热应力，降低了涂层开裂的风险，提高的材料的适应性。可以用于制备高熵合金、非晶合金涂层。