CN104975255A - 透平机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透平机械，其特征在于，涂覆有封严涂层；所述封严涂层包括至少两个子涂层，分别为涂覆在基体表面的合金层和涂覆在合金层表面的金属陶瓷层。本发明提供的透平机械，其间隙处涂覆有封严涂层。工作状态下，叶片尖端刮削封严涂层，形成理想的径向气流间隙，即间隙最小，从而获得最大压差，显著提高机械效率，且能耗降低，寿命延长。

Description

透平机械

技术领域

本发明涉及一种透平机械。

背景技术

随着科学技术的日新月异，对机械效率的要求也越来越高，同时节能环保的理念也越加深入产品设计和加工制造技术中。在透平机械中，间隙密封的实用性和可靠性对于提升机械效率、确保机械安全运行、节能环保都具有重要意义。以透平机械中的透平压缩机为例，正向着大容量、高效率、高压缩比的应用方向发展。

如图1所示，工作状态下，压缩机1的压气机叶片11绕转轴12转动，压气机叶片11的尖端13和机匣14内壁之间的间隙越小，相对泄漏量(泄漏量与进气量的比值)越小，工作效率越高，且能耗越低，使用寿命越长。据统计，压缩机径向间隙每增大0.13mm，单位消耗就增加0.5％；反之，径向间隙每较少0.25mm，工作效率能提高1％。为此，减少尖端13和机匣14内壁之间的间隙，提高压缩比，已成为提高工作效率、节约能耗的惯用手段。减少间隙的方法有多种，目前行业内应用最广的为级间迷宫式密封技术，即在转轴12周围设若干个依次排列的环行密封齿，齿与齿之间形成一系列截流间隙与膨胀空腔，压缩对象在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的。但当压缩对象处于高流速状态，且为硬质颗粒物时，会对密封件造成严重磨损，导致间隙变大，降低阻漏效果，从而导致损耗增加、机组效率降低，严重时必须停机检修，影响生产。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种可磨耗性能高的封严涂层。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

封严涂层，其特征在于，包括至少两个子涂层，分别为涂覆在基体表面的合金层和涂覆在合金层表面的金属陶瓷层；所述合金层按照重量百分比含量由30％～40％的Co、25％～35％的Ni、15％～25％的Cr、5％～10％的Al、0.5％～5％的Y组成；所述金属陶瓷层按照重量百分比含量由20％～25％的BN、23％～33％的Co、17％～27％的Ni、15％～25％的Cr、4％～8％的Al、1％～2％的Y组成。

优选地是，孔隙率为不大于15％。

优选地是，孔隙率为10％～15％。

优选地是，孔隙直径不大于25μm。

优选地是，其表面硬度为60～80HR15Y。

优选地是，金属陶瓷层的结合强度不小于23MPa。

优选地是，所述合金层的厚度为50um～150um(优选100um)。

优选地是，所述金属陶瓷层的厚度为400um～800um(优选600um)。

优选地是，所述基体为透平机械。

优选地是，所述透平机械为透平压缩机。

本发明的另一个目的是提供一种可磨耗性能高的封严涂层的制备方法。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

封严涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.采用喷涂设备，将按照所述合金层的元素组成配制的合金材料喷涂至基体表面，形成厚度为50um～150um(优选100um)的合金层；

b.采用喷涂设备，将按照所述陶瓷层的元素组成配制的金属陶瓷材料喷涂至合金层表面，形成厚度为400um～800um(优选600um)的金属陶瓷层，最终制得涂覆在基体表面的封严涂层。

优选地是，喷涂形成合金层之前，对基体表面进行预处理；预处理包括清洗和喷砂处理；预处理后对基体表面进行检查；若检测出基体表面存在孔洞或杂质，需要将杂质清除，并通过补焊打磨的方式将孔洞填平。

优选地是，所述步骤a中，采用超音速喷涂设备喷涂。

优选地是，所述步骤b中，采用超音速喷涂设备喷涂。

优选地是，所述步骤b还包括将喷涂后的基体放置在300℃～500℃(优选400℃)的环境内热处理1～3小时(优选2小时)。

本发明的另一个目的是提供一种机械效率高的透平机械。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

透平机械，其特征在于，涂覆有封严涂层。

优选地是，为透平压缩机。

本发明提供的封严涂层，兼具良好的可磨耗性能和抗冲蚀性能，适用于透平机械密封，可减小透平机械的间隙，降低泄漏量，大大提高透平机械的机械效率。除封严作用，封严涂层还能为透平机械提供绝热保护，避免高温高速气流引起的不稳定现象的发生。

本发明提供的封严涂层包括两层涂层，分别为涂覆在基体表面的合金层和涂覆在合金层表面的金属陶瓷层。

将合金层作为涂覆基体表面的打底层，由于合金层与基体材料在热传导、热膨胀等性能上相匹配，与基体之间具有良好的结合强度，确保基体长时间的使用后涂层也无脱落，延长了涂层的使用寿命，降低了透平机械的维护频率。

在合金内添加陶瓷制得金属陶瓷材料，金属陶瓷材料涂覆合金层形成金属陶瓷层。金属陶瓷层中的金相使金属陶瓷层具有金属的抗腐蚀性、抗氧化性，尤其具有适当的硬度，从而具备抗冲蚀性，抵抗间隙流道中高速气流、硬质颗粒物的冲击，避免涂层损坏，延长了涂层使用寿命，同时可避免间隙变大，保证了密封效果。金属陶瓷中的陶瓷相使金属陶瓷层的总体硬度较纯金属的硬度降低，剪切强度和摩擦系数也降低，从而具有良好的可磨耗、自润滑。当压气机叶片的尖端刮削机匣内壁表面的金属陶瓷层时，由于金属陶瓷层具有良好的可磨耗性能，涂层对叶片尖端的冲击力和摩擦力较小，涂层被刮削的同时叶片尖端不会损坏，涂层也无脱落，延长了透平机械的使用寿命，间隙不随运行时间的增加而变大，减少泄漏量，提高透平机械的机械效率。陶瓷相的加入还使金属陶瓷层具有抗高温性能。

本发明提供的封严涂层的制备方法，工艺简单，制备得到的封严涂层修复和性能调整简易。

本发明提供的透平机械，其间隙处涂覆有封严涂层。工作状态下，叶片尖端刮削封严涂层，形成理想的径向气流间隙，即间隙最小，从而获得最大压差，显著提高机械效率，且能耗降低，寿命延长。

附图说明

图1为传统透平压缩机的内部结构图。

图2为本发明实施例中涂覆有封严涂层的透平压缩机的内部结构图；

图3为各实施例的封严涂层的滑移磨损量的平均值、现有的WC涂层的滑移磨损量、现有的CrO涂层的滑移磨损量随磨损时间变化的曲线图；

图4为在200r/min的冲蚀速度的环境下，涂覆有各实施例的封严涂层的基体表面的单位面积磨损量的平均值、表面无涂层涂覆的基体的单位面积磨损量随时间变化的曲线图；

图5为在300r/min的冲蚀速度的环境下，涂覆有各实施例的封严涂层的基体表面的单位面积磨损量的平均值、表面无涂层涂覆的基体的单位面积磨损量随时间变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述：

如图2所示，为透平压缩机的内部结构图。机匣14的内壁上涂覆有封严涂层2。封严涂层2包括两层子涂层，分别为涂覆在机匣14内壁上的合金层21和涂覆在合金层21表面的金属陶瓷层22。工作状态下的透平压缩机，其压气机叶片11绕转轴12转动，尖端13刮削封严涂层2的金属陶瓷层22，使压气机叶片11与机匣14之间的间隙最小，降低压缩过程中的泄漏量，提高透平压缩机的机械效率，降低耗能，延长使用寿命。

各实施例中封严涂层2的合金层21的组分重量百分比含量如表一所示：

表一

各实施例中封严涂层2的金属陶瓷层22的组分重量百分比含量如表二所示：

表二

各实施例中封严涂层2及其金属陶瓷层22的物理参数如表三所示：

表三

经过大量实验证明，孔隙率不大于15％，优选10％～15％，孔隙直径不超过25μm时，封严涂层2的可磨耗性能和抗冲蚀性能最优。封严涂层的表面硬度(HR15Y)在30-80范围内，金属陶瓷层的结合强度大于7MPa，即可证明封严涂层的可磨耗性能和抗冲蚀性能满足使用要求。

封严涂层的制备方法，包括以下步骤：

a.首先，对透平机械机匣14的内壁进行预处理；预处理包括清洗和喷砂处理。并对预处理后的内壁进行检查。若检测出内壁存在孔洞或夹杂，需要将杂质清除，并通过补焊打磨的方式将孔洞填平。

然后，采用超音速喷涂设备，将合金材料喷涂至机匣14的内壁，形成100um的合金层21。合金层各组分的重量百分比含量如表一所示。

b.采用超音速喷涂设备，将金属陶瓷材料喷涂至合金层21表面，形成600um金属陶瓷层22。金属陶瓷层各组分的重量百分比含量如表二所示。形成的金属陶瓷层22，陶瓷相BN均匀填充在CoNiCrAlY金相所搭建的骨架内，在金属陶瓷层22内形成均匀分布孔隙，孔隙的直径和金属陶瓷层22的孔隙率如表三所示，从而适当降低了金属陶瓷层的硬度，使金属陶瓷层兼具可磨耗性能和抗冲蚀性能。若BN相分布不均，密集处，硬度过低，导致涂层表面形成凹坑等缺陷，使涂层的磨耗加快，密封效果下降；缺失处，硬度过高，可磨耗性能降低，对叶片尖端造成损坏。

将喷涂后的基体放置在400℃的环境内热处理2小时。热处理可降低涂层的内应力，提高合金层与机匣、金属陶瓷层与合金层之间的结合强度，避免涂层脱落，延长使用寿命。另一方面，热处理还可提高BN相在金相中的分布均匀度，进一步提高涂层的使用性能。

c.对热处理后的涂层进行质量检验。检验合格，完成对透平压缩机的喷涂，制得涂覆在机匣1内壁的封严涂层2。

对以上实施例中的涂层进行抗热震性能测试，具体步骤如下：按规定的时间间隔将涂层暴露在火焰中或放置在已达设定温度的炉子中，然后自然冷却到室温或用空气吹冷涂层至室温，将涂层在指定的高温和低温之间反复切换，并记录直到涂层剥离所需的反复切换次数，根据涂层损坏情况来评定涂层的抗热震性能。本实施例是将涂层放置在760℃的加热炉内，保温10分钟，后拿出投入10-20℃的水中淬冷，经5倍放大镜观察后，再放入加热炉加热后淬冷，如此反复加热淬冷40次后，涂层仍无剥离，抗热震性能优异。

涂层的抗热震性能的好坏与涂层的结合强度密切相关。涂层的抗热震性能越好，涂层的结合强度越高，反之，涂层的抗热震性能越差，涂层的结合强度越低。而涂层的结合强度的高低可以间接的证明涂层抗冲蚀性能的高低、可磨耗性能的高低。也就是说涂层的结合强度越高，涂层抗冲蚀性能越高、可磨耗性能越高，反之，涂层抗冲蚀性能越低、可磨耗性能越低。

对以上实施例中的涂层进行热稳定性测试，在760℃下保温300小时后，测试其涂层的孔隙率、孔隙直径、表面硬度及金属陶瓷层的结合强度的变化，结果如表四所示：

表四

将表四的数据和表三的数据进行对比可以发现，涂层在经过长时间(300小时)的高温处理(760℃)后，孔隙率、表面硬度、结合强度仍然保持稳定，说明本发明的封严涂层有较好的热稳定性，耐高温性能优异。封严涂层的表面硬度和结合强度保持稳定，说明本发明的封严涂层有较好的可磨耗性能。

采用摩擦磨损试验机对具有相同厚度的以上实施例的封严涂层、现有WC涂层、现有CrO涂层进行滑动磨损试验，通过封严涂层的滑移磨损量评价其可磨耗性能。封严涂层的滑移磨损量越大，封严涂层的可磨耗性能越高。滑动磨损试验具体步骤如下：

采用MRH-3高速环块磨损试验机进行磨损试验。为尽量减小磨损面积和磨损宽度对实验结果的影响，提高实验结果的准确性，磨损率采用两种计算方法，即面积磨损率E和宽度磨损率E＇,可磨耗性能RAR和RAR＇分别为E和E＇的倒数。

其中E＝滑移磨损质量/(有效磨损面积*时间)；RAR＝1/E；

E＇＝滑移磨损质量/(有效磨损宽度*时间)；RAR＝1/E＇。

以上实施例的封严涂层的滑移磨损量的平均值、现有的WC涂层的滑移磨损量、现有的CrO涂层的滑移磨损量随磨损时间变化的曲线图如图3所示。

由图3可以看出，本发明的封严涂层的滑移磨损量高于现有的WC涂层和CrO涂层的滑移磨损量，即说明本发明的封严涂层的可磨耗性能优于现有的WC涂层和CrO涂层。本发明的封严涂层的滑移磨损量高于可磨耗性能高于现有的WC涂层和CrO涂层的滑移磨损量，使压气机叶片11与透平机械机匣14内壁上的封严涂层2摩擦后能够更好地啮合，从而使压气机叶片11与透平机械机匣14内壁上的封严涂层2之间的间隙降至最低，最大限度地降低压缩过程中的泄漏量，提高透平压缩机的机械效率，降低耗能，延长使用寿命。

利用冲蚀装置对涂覆有以上实施例的封严涂层的基体、无涂覆的基体行抗冲蚀性能试验，具体步骤如下：采用MSH型磨粒磨损试验机，河砂粒度为30-70目，与水按体积比5000：:2800混合成砂浆，冲蚀角为90°，分别采用200r/min和300r/min的冲蚀速度进行试验。每隔30min称重一次，以单位面积基体表面磨损量表征磨损情况：V＝(m0-m1)/A。式中：V——基体单位面积磨损量，m0——磨损前质量，m1——磨损后质量，A——受冲蚀面积。

在200r/min的冲蚀速度的环境下，涂覆有以上实施例的封严涂层的基体表面的单位面积磨损量的平均值、表面无涂层涂覆的基体的单位面积磨损量随时间变化的曲线图如图4所示。

在300r/min的冲蚀速度的环境下，涂覆有以上实施例的封严涂层的基体表面的单位面积磨损量的平均值、表面无涂层涂覆的基体的单位面积磨损量随时间变化的曲线图如图5所示。

由图4和图5可知：涂覆有以上实施例的封严涂层的基体，较表面无涂层涂覆的基体的抗冲蚀性能提高。

涂层的抗冲蚀性能可以根据涂层硬度来间接。按照各国研究的经验，封严涂层的表面硬度(HR15Y)在30-80范围内即可说明涂层的抗冲蚀性能优异。由表三可知，本发明的封严涂层表面硬度(HR15Y)在60-80之间，间接判定本发明的封严涂层具有优异的抗冲蚀性能。

本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (9)

1.透平机械，其特征在于，涂覆有封严涂层；所述封严涂层包括至少两个子涂层，分别为涂覆在基体表面的合金层和涂覆在合金层表面的金属陶瓷层；所述合金层按照重量百分比含量由30％～40％的Co、25％～35％的Ni、15％～25％的Cr、5％～10％的Al、0.5％～5％的Y组成；所述金属陶瓷层按照重量百分比含量由20％～25％的BN、23％～33％的Co、17％～27％的Ni、15％～25％的Cr、4％～8％的Al、1％～2％的Y组成。

2.根据权利要求1所述的透平机械，其特征在于，所述封严涂层的孔隙率为不大于15％。

3.根据权利要求2所述的透平机械，其特征在于，所述封严涂层的孔隙率为10％～15％。

4.根据权利要求1所述的透平机械，其特征在于，所述封严涂层的孔隙直径不大于25μm。

5.根据权利要求1所述的透平机械，其特征在于，所述封严涂层的其表面硬度为60～80HR15Y。

6.根据权利要求1所述的透平机械，其特征在于，所述金属陶瓷层的结合强度不小于23MPa。

7.根据权利要求1所述的透平机械，其特征在于，所述合金层的厚度为50um～150um。

8.根据权利要求1所述的透平机械，其特征在于，所述金属陶瓷层的厚度为400um～800um。

9.根据权利要求1所述的透平机械，其特征在于，为透平压缩机。