CN101709657A - 一种汽轮机高压喷嘴叶栅的表面耐磨层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种汽轮机高压喷嘴叶栅的表面耐磨层及其制备方法，所述表面耐磨层是Cr3C2-NiCr涂层，将叶栅装焊成喷嘴室后，采用超音速火焰喷涂方法制得。所述Cr3C2-NiCr涂层厚度为0.15～0.20mm。本表面耐磨Cr3C2-NiCr涂层，加强了工件的耐磨、耐高温性能，涂层热应力小，且工件在使用过程中不易产生裂纹，有效地延长了工件的使用寿命。Cr3C2-NiCr涂层的制备工艺克服了传统渗碳、渗铬处理后再装焊成叶栅的工艺制得的表面涂层易出现裂纹的弊病，无需进行回火处理，工艺过程简单易操作，提高工作效率，节能减排，大大降低了汽轮机的生产制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及汽轮机的加工领域，具体涉及一种汽轮机高压喷嘴叶栅的表面耐磨层及其制备方法。
背景技术
在超超临界汽轮机组中，高压喷嘴室叶栅工作时，易受高温、高压的固体颗粒冲蚀。为加强高压喷嘴室叶栅的表面硬度和耐磨、耐高温能力，国外公司在高压喷嘴室叶栅设计时，通常采用对1000MW、660MW喷嘴叶栅在出气侧处采用先渗碳、后渗铬，然后再使用真空热处理工艺，使得喷嘴叶栅表面形成Cr-C扩散层。其不足之处是单支叶片渗碳、渗铬处理后再装焊成叶栅时，极易在热影响区出现裂纹，影响Cr-C扩散层的使用寿命，甚至会在叶片基体产生裂纹，最终可能造成叶片的断裂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种汽轮机高压喷嘴叶栅的表面耐磨层的制备方法，使得高压喷嘴叶栅不易受冲蚀、耐高温。
本发明采取的技术方案是：
一种汽轮机高压喷嘴叶栅的表面耐磨层，所述表面耐磨层是Cr3C2-NiCr涂层，将叶栅装焊成喷嘴室后，采用超音速火焰喷涂方法制得。
所述Cr3C2-NiCr涂层厚度为0.15～0.20mm。
这种汽轮机高压喷嘴叶栅的表面耐磨层的制备方法，其步骤为：
(1)将叶栅装焊成喷嘴室；
(2)使用清洗液清洁待喷涂的叶栅表面，并晾干；
(3)对待喷涂表面做喷砂预处理，去除表面钝化层；
(4)在空气压力70～100Psi、工件温度小于150℃的环境下，使用送粉器送Cr3C2-NiCr合金粉末，对叶栅表面进行超音速火焰喷涂。
所述步骤(4)中的喷涂参数为：空气压力为70～100Psi，燃气1压力为60～90Psi，燃气2压力为50～80Psi，送粉气体为4～9L/h，送粉速度为10～25RPM，喷枪移动速度为300～500mm/s，喷涂距离为20～200mm，喷涂角度为80～90°，温度小于150℃。
所述步骤(2)中的清洗液采用丙酮。
所述步骤(3)中的喷砂采用46#白刚玉。
所述步骤(4)中的Cr3C2-NiCr合金粉末组分为：70～80重量％的Cr3C2，20～30重量％的NiCr。
本发明产生的有益效果是：
本汽轮机高压喷嘴叶栅的表面耐磨层是Cr3C2-NiCr涂层，加强了工件的耐磨、耐高温性能，涂层热应力小，且工件在使用过程中不易产生裂纹，有效地延长了工件的使用寿命。克服了传统渗碳、渗铬处理后再装焊成叶栅的工艺制得的表面涂层易出现裂纹的弊病。本汽轮机高压喷嘴叶栅的表面耐磨层的制备方法，无需进行回火处理，工艺过程简单易操作，提高工作效率，节能减排，大大降低了汽轮机的生产制造成本。
本发明所制得的汽轮机高压喷嘴叶栅的表面耐磨层性能优越，金相组织、硬度、耐磨性能、结合强度和杯突性能均达到标准要求，见表2：
表2涂层性能表
| 项目 | 实验条件 | 实验结果 |
| 金相组织 | 100×，500× | 涂层均匀致密，孔隙率＜1％，100倍视场无可以辨认的裂纹。 |
| 硬度 | HVS-1000型显微硬度计，载荷300g，保持10s。 | 750～950 |
| 耐磨性能 | 涂层试样作为静止件，Stellite 6焊接样作为运动件，在高温摩擦磨损试验机上进行了对比试验。试验温度：400℃(大气中)，载荷：50N，冲程：3mm，往复频率：30Hz，试验时间：10h，摩擦条件：干摩擦。 | 磨损深度：Stellite 6：0.25mm涂层：0.06mm |
| 结合强度 | ASTM C633 | 最低68.5MPa |
| 杯突性能 | 试样规格50mm×60mm×1.2mm的试样，在万能实验机上采用Φ22.2钢球以10mm/min匀速压入7.6mm。 | 涂层均无裂纹、无剥落 |
附图说明
图1为为本发明耐磨层制备方法的步骤示意图。
具体实施方式
通过对单片叶片喷涂、组焊叶栅喷涂，对涂层组织进行性能分析等大量的试验与研究，最终形成了叶栅装焊在喷嘴室铸件后，再进行喷涂的最佳实施方案，具体如下：
一种汽轮机高压喷嘴叶栅的表面耐磨层，所述表面耐磨层是Cr3C2-NiCr涂层，采用Cr3C2-NiCr合金粉末喷涂，Cr3C2-NiCr合金粉末喷涂的组分为：75重量％的Cr3C2，25重量％的NiCr用超音速火焰喷涂方法制得。所述Cr3C2-NiCr涂层厚度为0.15～0.20mm。
Cr3C2-NiCr涂层的喷涂工艺的关键在于：先将待喷涂的叶栅装焊成喷嘴室后，再采用超音速火焰喷涂方法对其进行表面喷涂。
超音速火焰喷涂是利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气或氢气等燃气与高压氧气，或利用如煤油等液体燃料与高压氧气在特制的燃烧室内，或在特殊的喷嘴中燃烧产生的高温高速燃烧焰流。将粉末轴向或侧向送进高速火焰流中，即可以实现粉末粒子的加热与加速、涂层的沉积。由于火焰流的速度极高，喷涂粒子在被加热至熔化或半熔化状态的同时，可以被加速到高达300～650m/s的速度，从而获得结合强度高、致密的高质量涂层。
由于，组焊后的叶栅最终要与喷嘴室铸件进行装焊和回火热处理。单个叶片喷涂后，进行组焊叶片段与隔板体内、外环的模拟装焊试验。叶片装焊后，近R处涂层局部烧蚀剥落，并且涂层上存在较多飞溅焊珠。叶片叶身与两端叶冠结合部的过渡R区域涂层产生30～45°角、近乎平行分布的束状裂纹。涂层与基材间存在明显的高温扩散亮带，近涂层基体(1Cr1lCo3W3NiMoVNbNB)发生相变重结晶。为防止因装焊热应力造成涂层局部剥离和R区域密集束状细微裂纹的产生；根据确定喷涂工艺需在叶栅装焊成喷嘴室后进行。
如图1所示，本发明的汽轮机高压喷嘴叶栅的表面耐磨层的制备步骤为：
1、将叶栅装焊成喷嘴室后，再进行喷涂流程。
2、对待喷涂来料检查，检查合格再进入下道工序。
3、使用清洗液，如丙酮，清洗待喷涂的叶栅表面，并将其晾干待用。
4、对待喷涂表面做预处理，使用喷砂枪对工件喷涂白刚玉砂，此步骤是对待喷涂表面进行喷砂活化处理，去除表面钝化层。本实施例中，喷砂采用46#白刚玉，喷嘴到工件的距离为150mm，喷射的气体压力控制在0.5MPa左右，喷射时与工件表面的角度为75度。
5、对待喷涂表面作超音速火焰喷涂。使用送粉器送Cr3C2-NiCr合金粉末，使用喷枪喷涂叶栅表面；本实施例中，采用的Cr3C2-NiCr合金粉末的组分为：75％的Cr3C2，25％的NiCr，为Cr3C2-25NiCr合金粉末。压缩空气压力85Psi左右，超音速火焰喷涂的燃气1压力应控制在80Psi左右，燃气2压力应控制在60Psi左右。送粉器送出的粉气流量为6L/h，送粉速度为20RPM。喷嘴到工件的距离为150mm，喷枪移动速度为500mm/s，喷射时与工件表面的角度为90°。在整个喷涂过程中工件的温度均不超过150℃。在喷涂过程中，采用ABB机器人对喷涂距离，喷涂路径及涂层厚度进行精确控制，对不要求喷涂的区域进行有效保护。本实施例选取的最佳喷涂工艺参数见表1：
表1喷涂工艺参数
当使用该超音速火焰喷涂方法加工其他尺寸的工件时，只需对上述工艺参数进行适当调整。
6、清理涂层：去除表面颗粒，边缘毛刺等。
7、检验涂层，若涂层合格则喷涂完成；若涂层不合格，返回步骤4，使用喷砂的方法，将涂层去除，重新加工。
Claims (7)
1.一种汽轮机高压喷嘴叶栅的表面耐磨层，其特征在于：所述表面耐磨层是Cr3C2-NiCr涂层，将叶栅装焊成喷嘴室后，采用超音速火焰喷涂方法制得。
2.根据权利要求1所述的汽轮机高压喷嘴叶栅的表面耐磨层，其特征在于：所述Cr3C2-NiCr涂层厚度为0.15～0.20mm。
3.一种汽轮机高压喷嘴叶栅的表面耐磨层的制备方法，其步骤为：
(1)将叶栅装焊成喷嘴室；
(2)使用清洗液清洁待喷涂的叶栅表面，并晾干；
(3)对待喷涂表面做喷砂预处理，去除表面钝化层；
(4)在空气压力70～100Psi、温度小于150℃的环境下，使用送粉器送Cr3C2-NiCr合金粉末，对叶栅表面进行超音速火焰喷涂。
4.根据权利要求3所述的汽轮机高压喷嘴叶栅的表面耐磨层的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的喷涂参数为：空气压力为70～100Psi，燃气1压力为60～90Psi，燃气2压力为50～80Psi，送粉气体为4～9L/h，送粉速度为10～25RPM，喷枪移动速度为300～500mm/s，喷涂距离为20～200mm，喷涂角度为80～90°，温度小于150℃。
5.根据权利要求3所述的汽轮机高压喷嘴叶栅的表面耐磨层的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的清洗液采用丙酮。
6.根据权利要求3所述的汽轮机高压喷嘴叶栅的表面耐磨层的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的喷砂采用46#白刚玉。
7.根据权利要求3所述的叶栅的表面涂层的加工方法，其特征在于：所述步骤(4)中的Cr3C2-NiCr合金粉末组分为：70～80重量％的Cr3C2，20～30重量％的NiCr。
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