阀门密封可靠性增强技术的概念验证与评价体系研究

阀门是工业管道系统中的关键控制部件，在石油化工、电力能源、海洋工程及航空航天等领域承担着截断、调节、导流和止回等关键功能，其密封可靠性直接决定系统的运行安全。在实际应用中，密封面磨损和腐蚀是导致阀门失效的主要原因。面对高温、高压、腐蚀等极端环境，传统阀门密封材料逐渐难以满足工业生产需求。

在这一背景下，激光熔覆、等离子堆焊、热喷涂等表面改性技术被广泛应用于阀门密封面的性能提升。特别是激光熔覆技术，具有热影响区小、稀释率低、冶金结合强度高等优势，是阀门密封面改性的常用方法之一。该技术有效克服了传统表面改性技术存在的易脱落、气孔裂纹缺陷以及生产良率低等问题，在改善基材表面耐磨、耐蚀、耐疲劳、抗氧化性能的同时，还能避免整体材料更换所带来的高额成本。

当前国内外学者围绕门密封性能评价已开展了大量工作，评价方法包括化学成分测试、力学性能测试、微观结构表征、摩擦磨损测试和耐腐蚀性评估等。例如，Bueno等通过摩擦磨损试验验证了类金刚石碳（DLC）涂层在阀门、活塞等部件表面的摩擦学性能。励行根等通过泄漏、摩擦力试验装置，系统分析了阀杆粗糙度和填料类型对阀门密封性能的影响。Zhang等建立了一套往复式旋转密封件的摩擦磨损实验装置，并通过扫描电镜观察试验后样品表面形貌，分析不同工况下密封件的磨损机制。Forte等通过扫描电镜（SEM）与X射线光谱仪（EDS）比较了不同阀门密封材料在高压循环测试后部件表面微裂纹形貌以及化学成分变化。Fu等通过SEM、X射线衍射仪（XRD）、电子探针显微分析仪（EPMA）等测试方法，系统分析了铁基硬质合金涂层的物相组成、微观结构与耐腐蚀性能。然而，这些检测往往只关注材料的单一性能指标，缺乏系统的评价方式，难以实现不同材料、不同工艺间的横向对比。高昂的设备成本与技术门槛限制了系统评价体系的普及与应用，如何把不同的检测方法整合成一套系统化、可量化的综合体系，是当前阀门密封材料研究领域亟需解决的问题。

因此，本研究提出了一套阀门密封材料表面改性的综合检测评价体系，将化学成分分析、宏观/微观形貌观察、物相分析、力学性能与耐磨性测试、耐腐蚀性评价等多种检测方法系统整合，以实现对阀门密封材料性能的综合评价。本文选取了Q235B钢表面激光熔覆Inconel 625作为典型案例，系统表征了熔覆层的成分、形貌、微观组织、硬度、摩擦磨损和耐蚀性能，验证了该体系在评价和对比不同改性材料方面的实际效果，为密封材料的标准化检测提供技术参考。

本研究建立的综合检测与评价体系主要是将化学成分分析、表面形貌观察、微观组织检测、力学性能测试、摩擦磨损评价以及耐腐蚀测试等检测手段整合，进而实现对阀门密封涂层材料性能的系统化、规范化评估。本文以Q235B基材与Inconel 625镍基合金熔覆层为应用案例，按照上述标准流程对样品各项性能进行系统检测与评价。其中所涉及的检测设备、实验方案、数据处理方法均按对应的国家/国际标准执行，以保证不同批次、不同材料之间的测试结果具有重复性和可比性。该检测评价方法目前已经投入多家企业的材料检验检测与构件失效分析工作中，实际应用场景包含某核电厂钢铁储罐表面增强层性能检测、某企业压力容器耐腐蚀层性能测试、某公司阳极氧化铝镀膜层表面密度与耐腐蚀性能检测等多项工程案例。本次研究涉及的主要检测仪器如图1所示，试验方法具体如下：

（1）化学成分分析：使用火花直读光谱仪（Thermofisher ARL 4460），该设备可检测Fe、Ni、Cu、Ti、Al基各类元素，测量精度能够覆盖0.001%的痕量元素到高含量主元素的区间范围。测试依据GB/T 4336-2016、ASTM E3047-2022等标准执行，以实现对Q235B基材和Inconel 625镍基合金熔覆层化学成分的定量分析。

（2）宏观形貌观察：通过超景深显微镜（VHX-7000，放大倍率20~6000倍，Z轴分辨率≥0.1 μm）对Q235B基材与Inconel 625熔覆样进行表面和剖面的金相成像观测，对摩擦磨损与化学腐蚀实验后的样品形貌进行观察与损伤深度测量。

（3）微观结构表征：采用扫描电子显微镜（蔡司EVO-18，放大倍率100~50000倍，能谱分辨率≤155 eV）对样品实验前后的微观组织、晶粒形貌及界面结合状态进行观察分析，判断摩擦磨损失效的机理，分析腐蚀反应过程，测试依据GB/T 16594-2008、JY/T 0584-2020、GB/T 17359-2023等标准执行。此外，采用XRD（Bruker D8 Advance，测量范围10~150°）对熔覆层及基材进行物相分析，确定其物相组成及晶体结构，测试依据GB/T 30904-2014执行。

（4）力学性能测试：采用维氏硬度计（FT FLC-50MV，测试范围1~2993HV），对Q235B以及Inconel 625熔覆层进行表面维氏硬度测量，用于获取涂层硬度与涂层耐磨性之间的相关性，测试依据GB/T 4340.1-2024执行。

（5）摩擦磨损评价：通过万能摩擦磨损试验机（Bruker UMT Tribolab，载荷范围0~200 N，载荷分辨率10 mN），开展设定条件下的常温、无润滑直线往复式摩擦实验，对熔覆层及基体的摩擦学行为进行定量评价。对磨副选用直径为6 mm的440C不锈钢钢球，实验正应力设置为1 N、2 N、5 N，调整行程至2 cm，往复频率为5 Hz，实验时间为30分钟。

（6）耐腐蚀性测试：采用电化学工作站（Gamry Interface 1010E，输出电流1 nA~1 A；施加电位范围±10 V，电位精度±0.2%；电流精度±0.2%）进行三电极体系电化学测试。选用Ag/AgCl电极作为参比电极，铂网电极作为对电极，构筑成三电极体系电解池，电解液为人工配置的模拟海水，其成分见表1（模拟海洋及化工含氯腐蚀环境）。测试程序包括：（a）开路电位（OCP）监测1小时，待电位波动范围小于±0.1 mV时判定体系稳定；（b）动电位极化曲线扫描，从OCP-0.5 V开始，向正电位方向扫描至OCP+1.5 V，扫描速率为0.333 mV/s。

(a)火花直读光谱仪  (b)X射线衍射仪  (c)扫描电子显微镜  (d)维氏硬度计  (e)万能摩擦磨损试验机  (f)平板电解池装置

图1  实验设备图

表1  人工模拟海水成分

为验证所建立的综合检测与评价体系的有效性，以Q235B基材表面激光熔覆Inconel 625合金为对象，按照化学成分分析、宏观与微观形貌观察、物相分析、硬度测试、摩擦磨损试验和耐腐蚀性评价的顺序开展检测。

3.1 基础测试

采用火花直读光谱仪测定Inconel 625熔覆层的化学成分，如表2所示。熔覆层内化学成分与合金粉末标称成分基本一致，基体稀释率控制在较低水平，熔覆工艺参数选择合理。

表2  激光熔覆Inconel 625层化学元素组成（wt.%）

图2(a)与(b)为平行于熔覆方向的截面金相形貌，可以观察到明显的熔覆层与热影响区。熔覆层厚度均匀，平均为564 μm，熔覆层与热影响区界面清晰，结合紧密，熔覆层内部未发现微裂纹等缺陷，结合过渡区域无明显孔隙和缺陷。图2(c)与(d)为垂直于熔覆方向的截面形貌，该方向上熔覆层厚度存在一定不均匀性，熔覆层与基材热影响区界面清晰，呈现紧密结合，熔覆层内部未发现微裂纹，但层间可见少量夹杂。

 (a)平行方向的整体形貌  (b) 平行方向的厚度测量 (c)垂直方向的整体形貌  (d)垂直方向的局部放大

图2  不同熔覆方向剖面金相

图3(a)为激光熔覆层的剖面SEM图像，熔覆层组织致密，与基体结合良好，过渡区无孔隙和未熔合缺陷。层内存在少量黑色夹杂物，EDS分析结果表明其主要为Al₂O₃类氧化物（O 13.43wt%，Al 29.08wt%），系粉末中残留的脱氧产物，对整体性能影响有限。XRD分析结果如图3(b)所示，Q235B基材的衍射峰对应α-Fe体心立方相。Inconel 625熔覆层的主衍射峰对应NiCr面心立方固溶体。

(a)激光熔覆Inconel 625层剖面SEM图 (b)Q235B基材与Inconel 625激光熔覆层物相分析

图3  试样微观结构表征

硬度测试采用显微维氏硬度，Q235B基材与激光熔覆Inconel 625层硬度如表3所示。Q235B基材的维氏硬度为166HV₁₀，Inconel 625层的平均硬度为298HV₁₀，较基材提升约78%。

表3  样品表面维氏硬度（HV₁₀）

3.2 摩擦磨损实验

图4为Q235B基材与激光熔覆Inconel 625层在不同载荷下的摩擦系数曲线。所有曲线均呈现磨合与稳定两个阶段：磨合阶段摩擦系数波动明显，这可以归因于样品表面较高的初始粗糙度；稳定阶段摩擦系数趋于平稳，压头与样品接触表面逐渐形成稳定的摩擦膜。由于440C摩擦副硬度较低，在试验过程中接触面积会发生动态变化，稳定阶段的摩擦系数仍存在小幅波动。

(a)熔覆层-1 N  (b)基材-1 N  (c)熔覆层-2 N  (d)基材-2 N  (e)熔覆层-5 N  (f)基材-5 N

图4  摩擦磨损系数（处理后）

在稳定磨损阶段，Q235B基材在1 N、2 N和5 N载荷下的平均摩擦系数分别为0.497、0.557和0.631，摩擦系数随载荷增大而升高；Inconel 625熔覆层的摩擦系数则分别为0.536、0.493和0.573，表现为先减小后增大，见图5(a)。在较高载荷下，熔覆层的摩擦系数低于基材，这可能源于磨屑在接触区域的嵌入与覆盖起到了固体润滑作用，从而降低了摩擦系数。磨损质量损失如图5(b)所示，在1 N载荷下，Q235B基材的磨损量（0.4 mg）略低于Inconel 625熔覆层（0.9 mg）；当载荷增至2 N和5 N时，基材的磨损量（1.8 mg、38.4 mg）显著高于熔覆层（1.1 mg、8.1 mg），且差值随载荷增大而扩大。这一趋势与摩擦系数的变化规律一致，同样与熔覆层较高的表面硬度有关：高硬度样品加剧了440C摩擦副的磨损，使部分摩擦功消耗于对磨件，从而减少了自身材料去除，熔覆层的质量损失较小。

(a)稳定阶段摩擦磨损系数  (b)摩擦磨损质量损失

图5  Q235B基材与Inconel 625层在不同载荷下的摩擦磨损性能

图6(a)与(b)为Q235B基材磨损表面的SEM形貌。磨损表面存在平行于滑动方向的连续沟槽，并伴有严重的塑性变形和分层现象，为典型磨粒磨损特征。高倍下可见大量磨屑，部分已被碾压成长条状，这表明在磨损过程中，从表面脱落的块状磨屑经反复挤压后转变为细小颗粒，并被摩擦副研磨，进一步加速了表面的磨损；同时，局部存在粘着磨损迹象。图6(c)与(d)为Inconel 625熔覆层的磨损形貌，摩擦路径上有非常明显的粘着物，也存在平行于直线往复方向的摩擦沟槽。这些摩擦沟槽是由于反材料表面上存在的硬凸体和两个接触表面之间的撞击磨损碎屑的移动而形成的，表明表面磨损有犁削效应，且整个摩擦磨损过程中存在磨粒磨损。对图6(d)中的粘着物进行能谱分析（C 11.15wt.%，O 13.54wt.%，Fe 42.19wt.%，Ni 24.60wt.%，Cr 8.53wt.%），其中Fe元素含量远超Inconel 625自身的Fe含量（3.71wt.%），表明摩擦过程中发生了显著的Fe元素转移，即440C不锈钢摩擦副材料向熔覆层表面粘着转移。据此判断，Inconel 625熔覆层的磨损机制以粘着磨损为主，伴随磨粒磨损。

(a)Q235B基材磨痕整体形貌  (b)Q235B基材磨痕局部放大形貌  (c)Inconel 625熔覆层磨痕整体形貌  (d)Inconel 625熔覆层磨痕局部放大形貌

图6  Q235B基材与激光熔覆Inconel 625层在1 N载荷下的摩擦路径

3.3 耐腐蚀性评价

在电化学动电位极化曲线扫描前，先开展1小时的开路电位（OCP）测试；稳定后，Inconel 625熔覆层的稳态开路电位为-0.310 V，较Q235B基材（-0.548 V）正移约238 mV，表明熔覆层在人工海水中的腐蚀热力学倾向显著低于基材。图7为两种材料在人工海水中的动电位极化曲线。选取Tafel区域进行线性拟合，得到对应的自腐蚀电位和自腐蚀电流密度，结果见表4。Inconel 625熔覆层的自腐蚀电位（E_corr）为-301.0 mV，与开路电位（OCP）偏差较小，表明极化过程中电极表面电化学状态未发生显著改变；Q235B基材的E_corr为-497.5 mV，同样与其OCP基本一致。熔覆层较基材的E_corr正移约196.5 mV，进一步证实其抗腐蚀性能明显优于基材。在腐蚀动力学方面，Inconel 625熔覆层的自腐蚀电流密度（i_corr）为2.43×10^-6 A/cm²，仅为Q235B基材（14.40×10^-6 A/cm²）的1/6。

图7 电化学动电位极化曲线

表4  电化学动电位极化曲线拟合参数

根据法拉第定律和ASTM G102-2023，由自腐蚀电流密度计算腐蚀速率：

式中  K₁——单位换算常数

i_corr——自腐蚀电流密度，μA/cm²

ρ——金属密度，g/cm³

EW——等效质量

Inconel 625的EW为26.41，Q235B的EW为27.92。计算得Inconel 625熔覆层的腐蚀速率约为0.025 mm/year，仅为Q235B基材（0.167 mm/year）的1/7，表明激光熔覆Inconel 625层在人工海水中具有优异且稳定的耐蚀性能。

Q235B基材经动电位极化测试后的腐蚀形貌如图8所示。整个暴露区域呈现典型的均匀腐蚀特征，腐蚀面平整，未见局部点蚀坑形成；截面测量的腐蚀深度分布均匀，平均值为95 μm。这一形貌特征与动电位极化曲线阳极段持续增大的电流密度相吻合：随外加电位正移，阳极氧化反应在基材表面均匀进行，导致材料整体溶解，无局部腐蚀优先发生。SEM观察和EDS分析进一步确认，腐蚀产物主要由Fe（83.00wt%）和O（7.36wt%）元素组成，为铁氧化物。

(a)腐蚀区超景深显微镜图 (b)图(a)方框区域局部放大图   (c)腐蚀区SEM图

图8  Q235B基材腐蚀区域形貌

与Q235B基材的均匀腐蚀特征不同，激光熔覆Inconel 625层经动电位极化测试后呈现典型的局部点蚀形貌。图9(a)与(b)为腐蚀区域的光镜照片，暴露面大部分区域未见明显腐蚀，但分布有多个离散的点蚀坑，坑周可见黄色腐蚀产物流挂痕迹，系腐蚀产物自竖直装载的样品表面脱落后沿暴露面流挂所致。该点蚀形貌与极化曲线阳极段约0.1 V处出现的电流波动相对应：每次电流瞬态穿透对应一个点蚀坑的形核与短暂生长，形成了阳极曲线的波折特征。

(a)腐蚀区域超景深显微镜图  (b)图(a)方框区域局部放大图 (c)腐蚀区域SEM图  (d)剖面光镜图

图9  激光熔覆Inconel 625层腐蚀区域形貌

点蚀坑的SEM形貌如图9(c)所示，坑内壁附着有腐蚀产物，坑缘附近存在一条腐蚀裂纹及大量点蚀起源点，起源点的尺寸与密度随主坑距离的减小而增大。表5的EDS分析表明，附着产物主要为Fe的氧化物，说明点蚀过程伴随Fe元素的优先氧化溶出。

为获取点蚀坑深度，沿垂直于熔覆方向剖切样品进行截面观察，见图9(d)，测得最大点蚀深度约288 μm。需要指出的是，激光熔覆采用50%搭接率，两道熔覆之间搭接区的涂层厚度最小；一旦点蚀坑穿透该有效厚度，腐蚀介质抵达基材，将形成Q235B基材（阳极）-Inconel 625熔覆层（阴极）-海水介质构成的局部原电池。由于Inconel 625的自腐蚀电位高于Q235B基材，电偶效应会加速坑底基材的腐蚀溶解，最终导致熔覆层穿孔失效，丧失对基材的防护功能。

表5  激光熔覆Inconel 625层腐蚀产物化学元素组成（wt.%）

本次研究围绕阀门密封材料的表面改性技术，搭建了一套标准化的综合检测与评价体系，包含化学成分检测、宏观和微观形貌观测、物相分析、硬度性能测试、摩擦磨损性能评定以及耐腐蚀性能检测等多项试验内容。主要结论如下：

（1）以Q235B碳钢基材激光熔覆Inconel 625镍基合金的试样为例进行概念验证，获取了熔覆层与基材的合金元素组成、截面硬度、不同载荷下的摩擦系数与磨损质量、自腐蚀电位与腐蚀电流密度等关键量化指标，验证了该检测评价体系的可行性。

（2）相比于Q235B碳钢基材，Inconel 625合金熔覆层的表面硬度、耐摩擦磨损能力以及耐腐蚀性能均显著提升。但Inconel 625熔覆层在海水环境中腐蚀模式表现为局部点蚀，这会给阀门密封件的实际工程应用带来一定隐患，熔覆层制备工艺还需要进一步改进。

（3）本文搭建的材料综合检测与评价体系，依托各类标准化试验方法开展测试工作，可推广应用于堆焊、热喷涂等各类材料表面改性工艺的性能检测工作，也能为阀门密封材料选型、改性工艺参数优化、构件长期服役可靠性分析提供标准化的试验方法与基础技术参考。

引用格式：

彭超,赵治宇,潘伟亮,等.阀门密封可靠性增强技术的概念验证与评价体系研究[J].阀门,2026,(7):775-781.DOI:10.16630/j.cnki.1002-5855.2026.07.015.