CN107805807B - 一种基于激光熔融沉积的汽轮机滑块及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于摩擦材料及其制备技术领域，尤其涉及一种基于激光熔融沉积的汽轮机滑块及其制备方法，该基于激光熔融沉积的汽轮机滑块，它包括三层，从底部到顶部依次为Ni3Al基体层、Ni3Al‑WS2摩擦磨损层、WS2磨合层，所述Ni3Al基体层厚度为50‑60mm、Ni3Al‑WS2摩擦磨损层厚度为40‑50mm、WS2磨合层厚度为0.24‑0.48mm。传统的汽轮机滑块多采用铜基或铁基，但随着工业的发展，汽轮机要求滑块在高速、高载等恶劣条件下工作，而铜基、铁基在高温条件下易被氧化，且强度有所降低，进而导致滑块磨损严重。本发明所述汽轮机滑块不仅具有良好的机械性能，而且具有优异的摩擦学性能，制备过程中工艺参数容易控制，适合推广应用。

Description

一种基于激光熔融沉积的汽轮机滑块及其制备方法
技术领域
本发明属于摩擦材料及其制备技术领域，尤其涉及一种基于激光熔融沉积的汽轮机滑块及其制备方法。
背景技术
汽轮机从启动到满载运行再到停机的过程中，随着负载的变化，机组的温度将会发生变化，而且变化的范围在室温至535度之间([1]王东曦.汽轮机轴承箱支承装置:中国,02222856.X[P].2003-04-30)。汽轮机的主轴会因为温度的变化而产生热胀冷缩，这使得其轴向长度会发生变化。当轴向长度的变化时，会导致汽轮机机组的高中压缸膨胀不畅。为了消除膨胀不畅的问题，提高汽轮机工作的可靠性和稳定性，改善滑销***的润滑是十分有意义的([2]张春,刘志刚.300MW汽轮机高、中压汽缸膨胀不畅的原因分析及改进[J].宁夏电力,2005(s1):184-186.)。传统的滑销***一般采用油脂润滑，但这种润滑方式存在定量上不准确，以及对操作人员素质要求较高的缺点。汽轮机中的滑销***常常采用滑块传动方式。相比其他的机械传动方式，例如齿轮传动，滑块与连接件之间的间隙较小，通常为过渡配合，不便于将润滑油、润滑脂的加入。此外，过渡配合也容易将润滑油脂挤出配合件之间。
为了使润滑油脂在滑块传动***中能较好的工作，一些研究人员提出了在滑块上加工油槽的解决方案。然而，由于旧的油脂易干结，会使得油槽不畅，因此仍然会降低油脂在滑块传动***中的润滑效果([3]马骏驰.Deva合金材料在国产300MW机组轴承座改造中的应用[C].江苏省电机工程青年科技论坛,2002.)。研究表明，采用自润滑滑块是解决上述问题的有效方法之一。镶嵌型固体自润滑滑块是将润滑剂嵌入金属基体中，在滑动过程中，嵌入基体的固体润滑剂在摩擦的作用下被挤出表面，进而在摩擦表面形成一层固体润滑膜，达到润滑的效果。这种自润滑滑块由于自润滑性能和导热性好而被广泛使用。但是，镶嵌式材料容易由于泥沙或磨屑在固体润滑剂表面覆盖而丧失自润滑特性。此外，因为固体润滑剂是嵌入金属基体中，所以滑块的机械强度将会有所降低。从文献资料可以得到，这种材料的机械性能在一些恶劣的工况下并不能完全满足汽轮机的运行要求([4]杨志杰,潘小宁.FZ系列自润滑材料在水电站导叶控制环上的应用[J].华中电力,2004,17(6):56-58.)。
传统的汽轮机滑块多采用铜基或铁基，但随着工业的发展，汽轮机要求滑块在高速、高载等恶劣条件下工作，而铜基、铁基在高温条件下易被氧化，且强度有所降低，进而导致滑块磨损严重。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种基于激光熔融沉积的汽轮机滑块及其制备方法，所得汽轮机滑块具有良好的机械性能和优异的摩擦学性能。此外，制备过程中工艺参数容易控制，适合推广应用。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
一种基于激光熔融沉积的汽轮机滑块，其特征在于:该汽轮机滑块包括三层，从底部到顶部依次为Ni3Al基体层、Ni3Al-WS2摩擦磨损层、WS2磨合层，所述Ni3Al基体层厚度为50-60mm、Ni3Al-WS2摩擦磨损层厚度为40-50mm、WS2磨合层厚度为0.24-0.48mm。
上述方案中，所述汽轮机滑块的基体层由Ni3Al预合金粉末经激光熔融沉积而成。Ni3Al预合金粉末是以Ni粉和Al粉为原料经混合熔融、雾化并固化、烘干后得球形的金属粉末。制备而成，Ni粉和Al粉的摩尔比为3:1。
上述方案中，所述汽轮机滑块的摩擦磨损层由Ni3Al-WS2预合金粉末经激光熔融沉积而成。Ni3Al-WS2预合金粉末是以Ni粉、Al粉和WS2粉为原料经熔融、雾化并固化、烘干后得球形的金属粉末。其中，Ni粉和Al粉的摩尔比为3:1，WS2的添加量为Ni粉和Al粉总质量的15-25％。
上述方案中，所述汽轮机滑块的磨合层由WS2预合金粉末经激光熔融沉积而成。WS2预合金粉末是以纯WS2粉为原料经熔融、雾化并固化、烘干后得球形的金属粉末。
上述基于激光熔融沉积的汽轮机滑块的制备方法，包括如下步骤：
1)按Ni3Al基体层、Ni3Al-WS2摩擦磨损层、WS2磨合层的组成原料分别准备相应的Ni3Al、Ni3Al-WS2、WS2预合金球形粉末，单颗粒直径均在100-120μm范围内；
3)将所得Ni3Al、Ni3Al-WS2、WS2预合金球形粉末依次通过增材制造设备进行激光熔融沉积，即得所述基于激光熔融沉积的汽轮机滑块。
上述方案中步骤3)中激光熔融沉积为：采用的激光功率为800-1000W，扫描速率为0.9-1.1m/min，送粉率为30-40g/min，扫描层厚为0.10-0.12mm，Ni3Al基体层厚度为50-60mm、Ni3Al-WS2摩擦磨损层厚度为40-50mm、WS2磨合层厚度为0.24-0.48mm，进行逐层激光熔融加工。
根据上述方案所得的汽轮机滑块具有良好的机械性能和优异的摩擦学性能，其摩擦系数平均值为0.12-0.15。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明通过在汽轮机滑块中引入Ni3Al基体层，使Ni3Al基体层在汽轮机工作时承受负载，将基体材料从传统的铜铁基体换成Ni3Al基体，进一步提高了滑块的强度，使其能在高负载的工况下仍能正常工作。此外，由于Ni3Al属于高温合金，因而，扩宽了汽轮机滑块的使用温度。
2)本发明通过将润滑剂从传统的石墨换成二硫化钨，使得汽轮机滑块在高于400度仍然具有良好的自润滑性能。此外，Ni3Al-WS2摩擦磨损层不再是原来的镶嵌式结构，避免了镶嵌式材料容易由于泥沙或磨屑将固体润滑剂表面覆盖而丧失自润滑特性的不足，使汽轮机滑块的自润滑特性能持续有效的保持。
3)本发明通过在汽轮机滑块中引入WS2磨合层，避免了汽轮机滑块在跑合阶段，固体润滑剂未被及时挤出表面而造成低劣摩擦性能的缺陷。
4)本发明采用激光熔融沉积技术制备汽轮机滑块。由于激光熔融沉积是一项层层堆积技术，所以，当进行一层沉积时，其下一层及数层仍有复杂的温度梯度，这也意味着：每一层需经历数次熔融、凝固、再熔融、再凝固的过程，因而可以确保汽轮机滑块的层与层之间的连接紧密。而且，本发明涉及的制备方法简单，工艺参数容易控制且可行性高；且涉及的原材料成本低，来源广泛，所需设备成本较低，节能环保，适合规模化广泛应用。
附图说明
图1是本发明所述的汽轮机滑块的功能梯度结构示意图。
图2是本发明实施例1-3所得汽轮机滑块的极限应力图。
图3是本发明实施例1-3在测试温度为550度时所得汽轮机滑块的摩擦系数图。
图4是本发明实施例1-3在测试温度为550度时所得汽轮机滑块的动态摩擦系数图.
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步对本发明进行说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
本发明中，按一定配比通过振动混料、高温熔融、旋转圆盘雾化的工艺技术，分别制备出球形度高、粉末粒度细、纯度高的Ni3Al、Ni3Al-WS2、WS2预合金球形粉末；然后，利用激光熔融沉积的方法制备出一种具有良好物理机械性能和优异摩擦学性能的三层特殊层单元的汽轮机滑块。其中，振动混料方法的工艺条件采用的振动频率为30-40Hz，振动力为9000-10000N，振荡时间为25-35min，并进行高温熔融得相应的熔融合金液；将所得熔融合金液置于雾化装置中进行旋转圆盘雾化，待冷凝固化并烘干后得球形的金属粉末，并筛分单颗粒的直径为100-120μm的金属粉末，即可得相应的Ni3Al、Ni3Al-WS2、WS2预合金球形粉末。
以下实施例中，采用的激光熔融沉积设备为3DTALK-Fab460型激光熔融加工机。
实施例1
一种基于激光熔融沉积的汽轮机滑块，其制备方法包括如下步骤：
1)以Ni粉236g和Al粉36g为Ni3Al基体层原料，以Ni粉236g、Al粉36g和WS2粉40.8g为Ni3Al-WS2摩擦磨损层原料，以WS2粉8.16g为WS2磨合层原料；其中，Ni粉与Al粉的摩尔比为3：1，WS2粉在Ni3Al-WS2摩擦磨损层的添加量为Ni粉和Al粉总质量的15.0％；
2)将称取的Ni3Al基体层原料、Ni3Al-WS2摩擦磨损层原料、WS2磨合层原料分别置于振动混料机内进行振动混料，采用的振动频率为30Hz，振动力为9000N，振荡时间为35分钟，待原料充分混合均匀后，将混合均匀的粉末分别通过高温熔炼炉，得到相应层的熔融合金液；
3)分别将相应层的熔融合金液置于雾化装置中进行旋转圆盘雾化，待冷凝固化并烘干后得球形的金属粉末，并筛分单颗粒的直径为100-120μm的金属粉末，即可得相应的Ni3Al、Ni3Al-WS2、WS2预合金球形粉末；
4)分别将所得Ni3Al、Ni3Al-WS2、WS2预合金球形粉末依次通过增材制造设备进行激光熔融沉积，其中，激光功率为800W，扫描速率为0.9m/min，送粉率为30g/min，扫描层厚为0.10mm，Ni3Al基体层厚度为50mm、Ni3Al-WS2摩擦磨损层厚度为50mm、WS2磨合层厚度为0.24mm，进行逐层激光熔融加工，待最后一层熔融液凝固后即得所述汽轮机滑块。
实施例1，所得的汽轮机滑块具有良好的机械性能和优异的摩擦学性能。本发明通过在汽轮机滑块中引入Ni3Al基体层，将极限应力能提高至334Mpa，使其能在高负载的工况下仍能正常工作，如图2所示；通过将润滑剂从传统的石墨换成二硫化钨，扩宽汽轮机滑块的使用温度至550度，汽轮机滑块在550度条件下的摩擦系数平均值为0.15，如图3所示；通过在汽轮机滑块中引入WS2跑合层，避免了汽轮机滑块在跑合阶段，使汽轮机滑块从工作开始便具有较好的摩擦学性能，如图4所示。
实施例2
一种基于激光熔融沉积的汽轮机滑块，其制备方法包括如下步骤：
1)以Ni粉236g和Al粉36g为Ni3Al基体层原料，以Ni粉236g、Al粉36g和WS2粉54.4g为Ni3Al-WS2摩擦磨损层原料，以WS2粉8.16g为WS2磨合层原料；其中，Ni粉与Al粉的摩尔比为3：1，WS2粉在Ni3Al-WS2摩擦磨损层的添加量为Ni粉和Al粉总质量的20.0％；
2)将称取的Ni3Al基体层原料、Ni3Al-WS2摩擦磨损层原料、WS2磨合层原料分别置于振动混料机内进行振动混料，采用的振动频率为35Hz，振动力为9500N，振荡时间为30分钟，待原料充分混合均匀后，将混合均匀的粉末分别通过高温熔炼炉，得到相应层的熔融合金液；
3)分别将相应层的熔融合金液置于雾化装置中进行旋转圆盘雾化，待冷凝固化并烘干后得球形的金属粉末，并筛分单颗粒的直径为100-120μm的金属粉末，即可得相应的Ni3Al、Ni3Al-WS2、WS2预合金球形粉末；
4)分别将所得Ni3Al、Ni3Al-WS2、WS2预合金球形粉末依次通过增材制造设备进行激光熔融沉积，其中，激光功率为900W，扫描速率为1.0m/min，送粉率为35g/min，扫描层厚为0.11mm，Ni3Al基体层厚度为55mm、Ni3Al-WS2摩擦磨损层厚度为45mm、WS2磨合层厚度为0.26mm，进行逐层激光熔融加工，待最后一层熔融液凝固后即得所述汽轮机滑块。
实施例2，所得的汽轮机滑块具有良好的机械性能和优异的摩擦学性能。本发明通过在汽轮机滑块中引入Ni3Al基体层，将极限应力能提高至345Mpa，使其能在高负载的工况下仍能正常工作，如图2所示；通过将润滑剂从传统的石墨换成二硫化钨，扩宽汽轮机滑块的使用温度至550度，汽轮机滑块在550度条件下的摩擦系数平均值为0.12，如图3所示；通过在汽轮机滑块中引入WS2跑合层，避免了汽轮机滑块在跑合阶段，使汽轮机滑块从工作开始便具有较好的摩擦学性能，如图4所示。
实施例3
一种基于激光熔融沉积的汽轮机滑块的制备，其制备方法包括如下步骤：
1)以Ni粉236g和Al粉36g为Ni3Al基体层原料，以Ni粉236g、Al粉36g和WS2粉68.0g为Ni3Al-WS2摩擦磨损层原料，以WS2粉8.16g为WS2磨合层原料；其中，Ni粉与Al粉的摩尔比为3：1，WS2粉在Ni3Al-WS2摩擦磨损层的添加量为Ni粉和Al粉总质量的25.0％；
2)将称取的Ni3Al基体层原料、Ni3Al-WS2摩擦磨损层原料、WS2磨合层原料分别置于振动混料机内进行振动混料，采用的振动频率为40Hz，振动力为10000N，振荡时间为25分钟，待原料充分混合均匀后，将混合均匀的粉末分别通过高温熔炼炉，得到相应层的熔融合金液；
3)分别将相应层的熔融合金液置于雾化装置中进行旋转圆盘雾化，待冷凝固化并烘干后得球形的金属粉末，并筛分单颗粒的直径为100-120μm的金属粉末，即可得相应的Ni3Al、Ni3Al-WS2、WS2预合金球形粉末；
4)分别将所得Ni3Al、Ni3Al-WS2、WS2预合金球形粉末依次通过增材制造设备进行激光熔融沉积，其中，激光功率为1000W，扫描速率为1.1m/min，送粉率为40g/min，扫描层厚为0.12mm，Ni3Al基体层厚度为60mm、Ni3Al-WS2摩擦磨损层厚度为40mm、WS2磨合层厚度为0.28mm，进行逐层激光熔融加工，待最后一层熔融液凝固后即得所述汽轮机滑块。
实施例3，所得的汽轮机滑块具有良好的机械性能和优异的摩擦学性能。本发明通过在汽轮机滑块中引入Ni3Al基体层，将极限应力能提高至330Mpa，使其能在高负载的工况下仍能正常工作，如图2所示；通过将润滑剂从传统的石墨换成二硫化钨，扩宽汽轮机滑块的使用温度至550度，汽轮机滑块在550度条件下的摩擦系数平均值为0.13，如图3所示；通过在汽轮机滑块中引入WS2跑合层，避免了汽轮机滑块在跑合阶段，使汽轮机滑块从工作开始便具有较好的摩擦学性能，如图4所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于激光熔融沉积的汽轮机滑块，其特征在于，它包括三层，从底部到顶部依次为Ni3Al基体层、Ni3Al-WS2摩擦磨损层、WS2磨合层，所述Ni3Al基体层厚度为50-60 mm、Ni3Al-WS2摩擦磨损层厚度为40-50 mm、WS2磨合层厚度为0.24-0.48 mm；
激光熔融沉积采用的激光功率为800-1000 W，扫描速率为0.9-1.1 m/min，送粉率为30-40 g/min，扫描层厚为0.10-0.12 mm，Ni3Al基体层厚度为50-60 mm、Ni3Al-WS2摩擦磨损层厚度为40-50 mm、WS2磨合层厚度为0.24-0.48 mm，进行逐层激光熔融加工。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光熔融沉积的汽轮机滑块，其特征在于，它的摩擦系数平均值为0.12-0.15。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光熔融沉积的汽轮机滑块，其特征在于，所述Ni3Al基体层由Ni3Al预合金粉末经激光熔融沉积而成。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光熔融沉积的汽轮机滑块，其特征在于，所述Ni3Al预合金粉末是以Ni粉和Al粉为原料按摩尔比3:1混合后，经熔融、雾化并固化、烘干后得球形的金属粉末。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光熔融沉积的汽轮机滑块，其特征在于，所述Ni3Al-WS2摩擦磨损层由Ni3Al-WS2预合金粉末经激光熔融沉积而成。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光熔融沉积的汽轮机滑块，其特征在于，所述Ni3Al-WS2预合金粉末是以Ni粉、Al粉和WS2粉为原料，经混合熔融、雾化并固化、烘干后得球形的金属粉末；其中，Ni粉和Al粉的摩尔比为3:1，WS2粉的添加量为Ni粉和Al粉总质量的15-25%。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光熔融沉积的汽轮机滑块，其特征在于，所述WS2磨合层由WS2预合金粉末经激光熔融沉积而成。
8.根据权利要求7所述的一种基于激光熔融沉积的汽轮机滑块，其特征在于，所述WS2预合金粉末是以WS2粉为原料经熔融、雾化并固化、烘干后得球形的金属粉末。
9.如权利要求1所述的一种基于激光熔融沉积的汽轮机滑块的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）根据Ni3Al基体层、Ni3Al-WS2摩擦磨损层、WS2磨合层，分别选取相应的Ni3Al、Ni3Al-WS2、WS2预合金球形粉末；Ni3Al、Ni3Al-WS2、WS2预合金球形粉末的单颗粒直径均为100-120μm；
2）将所得Ni3Al、Ni3Al-WS2、WS2预合金球形粉末依次通过增材制造设备进行激光熔融沉积，即得所述基于激光熔融沉积的汽轮机滑块。
10.根据权利要求9所述的一种基于激光熔融沉积的汽轮机滑块的制备方法，其特征在于，步骤2）中激光熔融沉积采用的激光功率为800-1000 W，扫描速率为0.9-1.1 m/min，送粉率为30-40 g/min，扫描层厚为0.10-0.12 mm，Ni3Al基体层厚度为50-60 mm、Ni3Al-WS2摩擦磨损层厚度为40-50 mm、WS2磨合层厚度为0.24-0.48 mm，进行逐层激光熔融加工。
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