CN108754425A - 一种新型防水蚀复合涂层结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型防水蚀复合涂层结构，包括设置在基材(4)上的过渡层(3)以及采用物理气相沉积设置在过渡层(3)上若干层复合涂层；其中，每层复合涂层均包括由内至外依次设置的金属Me软层(2)和金属氮化物MeN硬层(1)。本发明提供的新型防水蚀复合涂层结构，由于单层的TiN和ZrN膜层在抗冲蚀性能方面存在一些固有缺陷，其作为陶瓷硬质膜，制备过程中一般内应力均较大，难以直接沉积较厚，并且在工件边缘，膜层稍后便易出现崩膜脱落，而当膜层厚度较薄时，其抗冲蚀性能则难以满足相关部件的防护要求，因此为满足工程应用要求，较为行之有效的一种措施就是多层结构膜层。

Description

一种新型防水蚀复合涂层结构
技术领域
本发明属于工业设备技术领域，具体涉及一种应用于减缓汽轮机叶片水蚀速率的新型防水蚀复合涂层结构。
背景技术
21世纪初，超超临界发电技术被确定为我国洁净煤技术领域战略性的关键技术，经过十余年的公关研发与应用，我国的超超临界发电技术已快速达到世界先进水平。目前，超临界、超超临界火电汽轮机和百万等级的核电汽轮机仍是我国主要的发电机组。在全球经济的高速发展和电能需求的日益增加的大背景下，汽轮机作为电厂发电主力，其热经济性必须尽可能提高，而随着汽轮机单机功率的增加，采用更长的末级叶片则是提高汽轮机效率的必然手段。
汽轮机末级叶片在湿蒸汽区工作，排气湿度高达12％～14％。当蒸汽在叶栅中膨胀越过饱和线到达Wilson线时，会出现0.01μm～1μm直径的微小水滴，然后逐渐凝聚长大。水滴中的大部分随蒸汽流一起通过叶栅，只有不到10％附着在静叶表面上形成水膜，被蒸汽推向静叶出口边。当水膜发展到一定厚度时，受蒸汽剪切力撕裂为直径20μm～200μm的大水滴，由于水滴的惯性较大，其绝对速度远小于汽流速度，使得水滴以很大的相对速度撞击动叶进汽边背弧侧，从而直接导致了汽轮机叶片的水蚀现象。在水滴对叶片的连续撞击与电化学腐蚀的共同作用下，局部叶片表面逐渐变得粗糙甚至形成缺陷和裂纹，轻则破坏叶片型线降低级效率，重则造成叶片断裂失效而导致整机停运。
更高的圆周速度必然导致更大的液滴相对撞击速度，从而对叶片的振动特性与机组的安全运行造成更大的威胁。随着大功率汽轮机的发展，末级叶片水蚀防护方法的研究受到了国内外电力工作人员的广泛重视。早在2000年，美国电力科学院(EPRI)就将解决汽轮机末级叶片水蚀列为提高大机组热效率课题之首，并进行重点攻关。但由于水蚀问题的复杂性，迄今为止尚未形成完整成熟的材料水蚀模型及理论，末级叶片的水蚀仍然是影响大机组运行热经济性和安全可靠性的首要问题之一。因此研究材料抗水蚀性能影响因素及其变化规律，对提出有效的叶片防水蚀措施和设计研发新型叶片都具有十分重要的工程应用价值。
发明内容
本发明的目的是在现有材料疲劳损伤理论及已有防水蚀技术的基础上，针对叶片材料水蚀失效机理，提出一种有效减缓汽轮机末级叶片水蚀速率的新型防水蚀复合涂层结构，从而延长叶片材料的使用寿命并提高整机运行的安全性。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种新型防水蚀复合涂层结构，包括设置在基材上的过渡层以及采用物理气相沉积设置在过渡层上若干层复合涂层；其中，
每层复合涂层均包括由内至外依次设置的金属Me软层和金属氮化物MeN硬层。
本发明进一步的改进在于，金属氮化物MeN硬层的厚度为0.4-1.0微米，金属Me软层的厚度为0.2-0.5微米，若干层复合涂层的总厚度不超过30微米。
本发明进一步的改进在于，金属元素Me为元素Ti、V、Zr、Cr、Mo、Nb和Ta中的一种或多种的组合。
本发明进一步的改进在于，过渡层为材料性质与基体和涂层均相近的过渡缓冲层，其厚度1.0-3.0μm。
本发明进一步的改进在于，物理气相沉积工艺为：首先用金相砂纸对试样表面打磨并抛光至表面粗糙度Ra<0.1μm，并对试样进行超声波清洗、脱水和烘干后，装入真空室进行镀膜；先用偏压辉光放电进行氩离子轰击以清洗样品表面，之后通过调节不同金属Me靶的启停和所通入气体的种类，依次沉积得到软硬交替的多周期复合涂层结构。
本发明进一步的改进在于，喷涂工艺选用参数为：温度300℃～380℃；靶电流80A～100A；脉冲偏压-100V～-200V，占空比90％；N2压强0.5Pa～1.0Pa，一个周期内金属Me层沉积时间为优选的0-5min，氮化物MeN层沉积时间为优选的5-10min；涂层结构选用参数为：MeN-Me周期厚度为0.6-1.5μm，金属与金属氮化物调质比(RMe:RMeN)为1:1-1:6，涂层周期数为1-40。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的新型防水蚀复合涂层结构，由于单层的TiN和ZrN膜层在抗冲蚀性能方面存在一些固有缺陷，其作为陶瓷硬质膜，制备过程中一般内应力均较大，难以直接沉积较厚，并且在工件边缘，膜层稍后便易出现崩膜脱落，而当膜层厚度较薄时，其抗冲蚀性能则难以满足相关部件的防护要求，因此为满足工程应用要求，较为行之有效的一种措施就是多层结构膜层。概括来说，本发明具有如下优点：
1、本发明制造的软硬交替的金属/氮化物多层膜，其最外层的氮化物硬质层可有效地提高高速液滴的冲刷磨损行为，且可降低摩擦；而相间的金属软层则能储存应变能，协调应变，提高膜/基的结合强度和韧性，从而缓冲冲击的能量，有效延长水蚀潜伏期时间。
2、多层复合膜结构能够有效的抑制应力集中区域裂纹的纵向扩展，当裂纹扩展到金属软层时应力得到缓冲吸收，从而使裂纹扩展方向改变为沿平行于层间界面横向扩展，减缓了水蚀裂纹的延深度方向的扩展速度；
3、在沉积多层膜结构时可引入工艺相近的多种金属元素材料，可以实现多层膜层间成分的改变，更有效地阻止膜层中柱状晶体的长大而细化晶粒，从而可获得厚度大十微米级的既硬又韧的多元多层抗冲蚀磨损多层膜；
4、该结构将单一材料由于水蚀疲劳产生的大尺度撕裂转换为膜层材料的片状剥落，而当膜层材料脱落后，其下层较为完整光滑的膜层便可继续承受高速液滴撞击，相比于单一材料疲劳失效后造成了粗糙缺陷轮廓，该结构可以有效减小水蚀加速期的材料质量与体积损失速率；
5、制造工艺简单，膜层结构稳定，且成本较低有利于实现工业化生产。
附图说明
图1是本发明一种新型防水蚀复合涂层结构示意图；
图2是本发明水蚀过程及失效机理模型示意图；
图3是本发明应用于汽轮机末级叶片位置示意图；
图中：1-金属氮化物MeN硬层；2-金属Me软层；3-过渡层；4-基材；5-高速液滴；6-叶顶水蚀区；7-叶根水蚀区。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明
参见图1至图3，本发明提供的一种新型防水蚀复合涂层结构，包括若干间隔排布的金属氮化物MeN硬层1和金属Me软层2，一层金属氮化物MeN硬层1和金属Me软层2构成一个周期，可根据实际需要重复多个周期，各薄层厚度一般为几微米，此处的金属元素Me可在Ti、V、Zr、Cr、Mo、Nb、Ta等元素中根据实际情况选择，若要选择两种以上金属元素制备二元及多元复合涂层时，则需要保证所选金属元素的化学性质及沉积工艺大致相近，才能保证各层之间拥有较好的结合力，而多元复合膜结构的优势在于可以实现多层膜层间成分的改变，更有效地阻止膜层中柱状晶的长大而细化晶粒。例如可采用阴极电弧技术或磁控溅射技术沉积TiN膜层，在TiN和TiN硬质层之间***金属金属Ti缓冲层，所制备出的多层膜在保持TiN膜层硬度和耐磨性的情况下，Ti层能有效地吸收冲击能，进而提高多层膜的抗水蚀性能。再例如以TiN-Ti-ZrN-Zr为周期的复合涂层结构便是在TiN-Ti涂层的基础上引入了沉积工艺与Ti元素相近的Zr元素，主要目的是为了实现多层膜层间成分的改变，更有效组织膜层中柱状晶的长大而细化晶粒，同时，ZrN膜具有比TiN膜更好的耐腐蚀性能和耐更高的氧化温度。
各层薄膜采用物理气相沉积(PVD)进行加工，传统PVD技术的原理是利用加热或荷能粒子溅射等物理方法将被沉积材料转化为气态，并在待镀材料表面沉积为固态薄膜的一种先带材料表面技术，而本发明中的PVD技术略有不同，具体来说是将离子束引入到传统物理气相沉积技术中进行反应镀，如在溅射Ti等离子体重引入反应气体N2，便可生成TiN薄膜。在加工过程中，需要首先沉积一层与基体4材料结合良好的过渡层3，以保证多层膜与基体之间结合牢固。本发明主要针对于汽轮机低压叶片的水蚀问题，因此该复合涂层结构主要应用于图3中的汽轮机低压叶片进气侧叶顶水蚀区6以及叶根水蚀区7等易发生水蚀的区域。
膜层制备技术采用真空阴极电弧沉积技术，主要是基于阴极电弧技术具有离子化率高(工艺窗口宽而稳定)、粒子入射能量高(膜/基结合强度高)、绕镀性好(适于形状较复杂的工件表面处理)、沉积速率快和技术成熟度高等因素。所用的镀膜装置为数字控制真空阴极电弧镀膜机，主要由镀膜室、真空***、控制***和冷却***四大部分组成。真空室侧壁设置有若干靶位和弧源，根据实验需要在每个靶位上可安装相应金属Me靶材。
物理气相沉积工艺为：首先用金相砂纸对试样表面打磨并抛光至表面粗糙度Ra<0.1μm，并对试样进行超声波清洗、脱水和烘干后，装入真空室进行镀膜；先用偏压辉光放电进行氩离子轰击以清洗样品表面，之后通过调节不同金属Me靶的启停和所通入气体的种类，依次沉积软硬交替的多周期复合涂层结构。
进一步，喷涂工艺选用参数为：温度300℃～380℃；靶电流80A～100A；脉冲偏压-100V～-200V，占空比90％；N2压强0.5Pa～1.0Pa，一个周期内金属Me层沉积时间为优选的0-5min，氮化物MeN层沉积时间为优选的5-10min。涂层结构主要优选参数为：MeN-Me周期厚度为优选的0.6-1.5μm，金属与金属氮化物调质比(RMe:RMeN)为1:1-1:6，涂层周期数为1-40。
金属氮化物MeN硬层1的厚度为0.4-1.0微米，金属Me软层2的厚度为0.2-0.5微米，若干层复合涂层的总厚度不超过30微米，避免过厚的涂层结构对汽轮机级内的流动特性产生过大的影响。金属氮化物陶瓷膜脆性大，内应力高和膜基结合力差等问题，这将导致薄膜厚度达到一定程度(一般<5微米)时便会与基体材料脱离，无法起到保护基体材料的效果。
过渡层3其制备核心思路为根据基体材料与所选涂层材料性质，采用合适的喷涂或注入技术，制备一层材料性质与基体和涂层均相近的过渡缓冲层，由此使得涂层与基体结合得更为紧密具体来讲是使用金属蒸汽真空电弧(MEVVA)技术在一定温度下将高能Me离子注入基体，目的是在基体表面形成一个Me成分梯度层，即过渡层3，以利于后续的复合涂层沉积，其厚度1.0-3.0μm。
为了对本发明进一步了解，现对其防水蚀功能及失效过程做一说明。
参加图2，该软硬交替多层膜失效机理分为五个阶段，分别为(a)高速液滴5撞击样品表面阶段。在此阶段，金属氮化物MeN硬层1首先承受高速液滴5撞击带来的水锤压力和冲刷切削作用，此时液滴对材料的冲击强化与疲劳损伤作用同时存在，而随着水蚀时间的累积，金属氮化物MeN硬层1由于应力集中和塑性变形会在其内部萌生裂纹源；(b)样品表面产生裂纹并沿金属氮化物MeN硬层1纵向扩展阶段。在此阶段，高速液滴5对材料的水蚀疲劳损伤占主导作用，在正向撞击和侧向切削的共同作用下，裂纹在金属氮化物MeN硬层1内部逐渐沿纵向进行扩展；(c)裂纹扩展至金属Me软层2时转变为沿界面平行方向扩展阶段。由于所沉积的膜层是软硬交替的多层结构，当裂纹扩展到金属Me软层2时应力得到缓冲吸收，裂纹没有继续沿纵向生长，而是沿多层膜中的层间界面横向扩展；(d)不同裂纹扩展至出现相连阶段。随着水蚀疲劳作用的累积，膜层内的裂纹也逐渐增多，由于金属Me软层2中裂纹的横向扩展方向，裂纹在该层中集中并逐渐相互连接；(e)膜层沿裂纹扩展界面呈片状分离阶段。当不同裂纹相连时，膜层便沿着界面处片状分离出来，而裸露出的未经疲劳累积的金属氮化物MeN硬层1会重新承受后续高速液滴5的撞击，继续重复阶段(a)至(e)的水蚀过程，从而达到减缓水蚀速率的目的，随着水蚀过程的进行，直至多层膜完全耗尽为止。

Claims (6)

1.一种新型防水蚀复合涂层结构，其特征在于，包括设置在基材(4)上的过渡层(3)以及采用物理气相沉积设置在过渡层(3)上若干层复合涂层；其中，
每层复合涂层均包括由内至外依次设置的金属Me软层(2)和金属氮化物MeN硬层(1)。
2.根据权利要求1所述的一种新型防水蚀复合涂层结构，其特征在于，金属氮化物MeN硬层(1)的厚度为0.4-1.0微米，金属Me软层(2)的厚度为0.2-0.5微米，若干层复合涂层的总厚度不超过30微米。
3.根据权利要求1所述的一种新型防水蚀复合涂层结构，其特征在于，金属元素Me为元素Ti、V、Zr、Cr、Mo、Nb和Ta中的一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述的一种新型防水蚀复合涂层结构，其特征在于，过渡层(3)为材料性质与基体和涂层均相近的过渡缓冲层，其厚度1.0-3.0μm。
5.根据权利要求1所述的一种新型防水蚀复合涂层结构，其特征在于，物理气相沉积工艺为：首先用金相砂纸对试样表面打磨并抛光至表面粗糙度Ra<0.1μm，并对试样进行超声波清洗、脱水和烘干后，装入真空室进行镀膜；先用偏压辉光放电进行氩离子轰击以清洗样品表面，之后通过调节不同金属Me靶的启停和所通入气体的种类，依次沉积得到软硬交替的多周期复合涂层结构。
6.根据权利要求5所述的一种新型防水蚀复合涂层结构，其特征在于，喷涂工艺选用参数为：温度300℃～380℃；靶电流80A～100A；脉冲偏压-100V～-200V，占空比90％；N2压强0.5Pa～1.0Pa，一个周期内金属Me层沉积时间为优选的0-5min，氮化物MeN层沉积时间为优选的5-10min；涂层结构选用参数为：MeN-Me周期厚度为0.6-1.5μm，金属与金属氮化物调质比(RMe:RMeN)为1:1-1:6，涂层周期数为1-40。
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