核阀工作者需要研制更为先进的密封面堆焊材料、不断优化完善密封面堆焊工艺方案、寻求有效的堆焊层表面改性方法,达到提升核阀功能性、工艺性和经济性的目的,以适应核电建设发展和核动力装置工作参数提高的需要。以Stellite 6为代表的Co Cr-A类钴基合金材料极大地满足了阀门密封面对耐腐蚀、耐冲蚀、耐气蚀、抗擦伤、抗垫伤、抗划伤、高温红硬性和高温抗氧化性等使用性能的需要,提升了金属密封型核阀的密封性和可靠性。但由于含Co量在50%以上,在长期核辐照条件下能吸收中子而造成长期的放射性污染,与核系统的要求不适应。研制大幅度降低Co含量的堆焊新材料,研究利用激光熔覆工艺特有的覆层组织极细、成分及稀释率可控、热变形小、硬度高的比较优势,制备出满足核阀技术要求、测试要求及验收合格标准的堆焊层,突破使用代钴材料的禁区,无疑具有重要的科学意义和应用价值。通过深入研究核阀的使用工况、密封面的损坏机理及失效形式,考察钴基合金各元素在激光熔覆层中的强化作用,并基于堆焊工艺性和稀释率的角度,确定出成形熔覆层的主要成分控制范围,以及合金粉末中的元素含量,配制出具有无钨低碳中钴特征的FCo-5合金粉末。采用预涂敷法,在0Cr18Ni12Mo3Ti核阀试样表面制备出厚度2.04 mm、横截面单圆弧拟合半径为2.69 mm的高质量激光熔覆层。SEM、XRD分析及硬度测试结果表明:熔覆层从界面到表层的结晶形态依次由平面晶向胞状树枝晶、多方向生长树枝晶、细小树枝晶过渡;中、上部组织主要由γ-Co奥氏体枝晶、枝晶间层片状共晶组织以及弥散分布的Cr23C6硬质颗粒组成;结合层以上区域的常温显微硬度阈值为390~470HV;熔覆层应保留最小厚度处具有优异的抗蠕变性能和高温硬度特性,在高温回火后有较强的二次硬化效应。FCo-5作为核阀密封面堆焊材料具有较好的适用性。通过厘清FCo-5熔覆道横截面几何参数、显微硬度曲线与激光加工参数之间的关系,并充分考虑能量损失的各种因素,得到与拟合模型很好吻合的熔覆道截形曲率半径的计算模型;构建了等厚度熔覆条件下以熔覆道截面积为目标函数、以激光输出功率及扫描速度为设计变量的优化设计模型,为降低核阀钴基合金用量提供了科学依据和设计方法。基于同步送粉法,在316L奥氏体不锈钢上进行了Stellite 6钴基合金粉末的大面积、大厚度激光熔覆,获得了不出现开裂和气孔缺陷的加工工艺参数范围。结合凝固理论、枝晶生长理论和熔焊原理,分析了覆层物相分布、显微硬度规律及其二者的对应关系;分析出焊道搭接处氧化膜增厚是产生气孔的根本原因,氧化物夹杂、疏松组织集中、表面拉应力等是界面结合处出现裂纹以及裂纹扩展的根本原因,高硬度WC脆性相的迁移和聚集是扫描重熔过程中导致覆层开裂的根本原因。Stellite 6激光熔覆层的高温和大剂量C+注入实验、摩擦磨损实验、电化学腐蚀实验的结果与分析表明,C+浓度在覆层表层呈高斯分布,距受注表面18μm以内的区域其浓度在8%以上;在表面及近表面区获得一系列M23C6型、Mn7C3及Si C等高硬度碳化物;C+的轰击和溅射作用改善了覆层表面粗糙度;离子注入产生的晶格畸变、大量间隙原子对位错网络和裂纹的钉扎作用、高硬度碳化物的形成、表面质量的提高等是改善覆层表面摩擦磨损状态的根本原因;高温、高能、大剂量C+注入在熔覆层表面形成的高密度缺陷、无序态、弥散分布的碳化物硬化相和合金相、Rsm大幅度减小等,有效地提高了熔覆层的耐蚀性。