CN109778184A

CN109778184A - 一种金属掺杂改性透平叶片激光熔覆表面涂层的制备方法

Info

Publication number: CN109778184A
Application number: CN201910189529.5A
Authority: CN
Inventors: 刘明霞; 赵泽妮; 谢燕翔; 畅庚榕; 戴君; 余历军; 付福兴; 何斌锋
Original assignee: Xian University
Current assignee: Xian University
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2019-05-21

Abstract

本发明公开了一种金属掺杂改性透平叶片激光熔覆表面涂层的制备方法，包括：17‑4PH不锈钢叶片基体材料清洁预处理；在17‑4PH粉末中掺杂Mo粉，在球磨机中充分混合均匀，烘干炉中加热烘干，作为激光熔覆复合粉末备用；氩气条件下，采用激光熔覆工艺，将激光熔覆复合粉末熔覆在预处理后的17‑4PH不锈钢叶片基体上；对涂层进行微观结构分析和性能检测。其硬度高、耐蚀性优异、结构稳定性良好且与基体冶金结合，成本合理，可较好地满足透平动力机械工程服役要求。

Description

一种金属掺杂改性透平叶片激光熔覆表面涂层的制备方法

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，特别涉及一种金属掺杂改性17-4PH叶片用马氏体不锈钢激光熔覆表面耐蚀耐磨涂层的设计制备方法，该方法属于透平动力机械工程再制造领域的一种表面防护新材料应用技术。

背景技术

随着循环经济的大力发展，高炉能量回收透平(简称TRT)在我国冶金领域获得了广泛应用，有效降低了工业废气的排放，取得了良好经济效益和社会效益。此类透平的长期安全运行是保证高炉能量持续回收的关键所在。其中，TRT叶片是高炉能量回收透平设备的核心零部件，其安全可靠性直接影响机组的长效运行。同时，鉴于叶片价格昂贵且更换周期需要，目前常采用热喷涂和激光熔覆技术进行快速尺寸修复。在再制造过程中，TRT叶片表面修复层的高性能提升成为此类零部件再制造后安全运行的技术难题。这源于叶片运行工况极其恶劣，具体表现为：(1)工作介质多为60～550℃温度范围的各种工业气体或高炉尾气，含有CO，SO₂，CO₂，H₂S，Cl^-，水汽、盐雾，焦油，萘等各种腐蚀性介质，往往极易造成叶片材料点蚀；(2)气流中夹杂Al₂O₃、SiO₂粉尘等不同量级的细小硬质磨粒，高速旋转叶片易遭受气流冲击造成的冲蚀与磨损；(3)在满足表面耐蚀耐磨性前提下进行再制造，还需兼顾修复层与基体的匹配性，以满足叶片旋转使用时高弯曲应力及离心力的协同作用。

在上述复杂工况要求下，研制适用的再制造表面涂层是当前此类透平叶片工程实际面临的技术难题。

针对此，常用的技术手段涉及两种，一种是热喷涂，另一种是激光熔覆。采用热喷涂技术时，在不锈钢材质的透平叶片表面涂覆Ni-Cr-Al、Co-WC等涂层材料。这种方法无法兼顾耐蚀和耐磨性，特别针对高腐蚀性及含有冲刷颗粒介质，修复表层耐蚀耐磨性无法满足实际需求。再制造叶片服役一段时间后往往表现出大量的点蚀坑、涂层片状脱落甚至腐蚀孔深入至叶片基体等多种典型失效特征，严重威胁透平设备的长期安全运行。采用激光熔覆技术时，在叶片上使用耐蚀性好的Ni基或耐磨性好的Co基合金直接进行尺寸修复和性能恢复。采用此类涂层材料存在修复层与基体的匹配性问题，同时生产成本高，技术实用性差。由此，针对严重腐蚀和冲刷介质服役的透平叶片修复，如何设计有效的表面防护技术并采用合理的技术实施是该研究领域的焦点和难点。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种高炉能量回收透平叶片再制造用表面防护层的制备方法。该方法采用同轴送粉式激光熔覆手段通过金属掺杂改性制备17-4PH马氏体不锈钢叶片用钢表面防护层，其硬度高、耐蚀性优异、结构稳定性良好且与基体冶金结合，成本合理，可较好地满足服役要求。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种金属掺杂改性透平叶片激光熔覆表面涂层的制备方法，包括下述步骤：

1)对17-4PH不锈钢叶片基体材料进行清洁和预处理；

2)在17-4PH粉末中掺杂质量比为1.0～4.0wt％的Mo粉，将混合粉末倒入球磨机中充分混合均匀，之后放入烘干炉中加热烘干，作为激光熔覆复合粉末备用；

3)采用光纤激光设备，以氩气作为载气条件下，采用激光熔覆工艺，将步骤2)中的激光熔覆复合粉末熔覆在步骤1)预处理后的17-4PH不锈钢叶片基体上；

4)待熔覆完毕，对涂层进行微观结构分析和性能检测。

进一步，所述步骤1)中，为增加激光吸收率，使表面粗糙化，对17-4PH不锈钢叶片表面先用水磨砂纸进行打磨，再经喷砂处理，而后用酒精或丙酮进行超声波清洗、烘干。

进一步，所述步骤2)中，Mo粉纯度≥99.9％；17-4PH粉末纯度≥99.9％，化学成分与基材相同；在行星式球磨机中充分混合60～120min，球磨机转速200r/min，之后在150℃下烘干3～5h，去掉粉末中水分。

进一步，所述复合粉末质量百分比配比为：1.0～4.0％Mo；15.0～16.0％Cr；3.5～4.5％Ni；2.8～3.5％Cu；0.15～0.35％Nb；C<0.05％；Si<1.0％；Mn<0.5％；S<0.03％；P<0.03％；71.0～76.0％Fe。

进一步，所述复合粉末粒度为45～110μm，粉末球形度≥95％。

进一步，所述步骤3)中，采用半导体光纤激光器，采用同轴送粉方式，激光功率1200～1500W，扫描速度600～800mm/min，送粉压力0.3MPa，送粉电压20V，Ar气压0.05MPa，将激光熔覆复合粉末熔覆在预处理后的17-4PH不锈钢叶片基体上，搭接率33.3％～66.7％。

进一步，所述步骤3)中，通过多道熔覆使激光熔覆涂层总厚度控制在300～2000μm。

进一步，涂层金相组织为树枝状马氏体和奥氏体的混合二重组织结构，且以板条状马氏体为主，硬度290～405HV_0.1，合金层平均腐蚀速率为0.55～1.68g/(m²·h)。

进一步，采用所述掺杂改性合金粉末利用激光熔覆的方式针对耐蚀耐磨严重工况服役17-4PH透平叶片进行修复。

本发明的有益效果如下：

本发明采用光纤激光设备，通过调整Mo合金元素掺杂比例，并控制激光熔覆工艺参数在17-4PH不锈钢叶片上进行再制造表面涂层制备。

为保证修复层与基体材料具有良好匹配性，采用激光手段利用与基体同成分的17-4PH金属粉末进行修复。同时，为提高修复层耐蚀耐磨性以一定比例掺杂合金元素Mo。Mo合金元素具有较强的碳化物形成能力，提高Mo含量会导致单相马氏体区缩小，还能在马氏体不锈钢中起到固溶强化的作用，从而有效提高材料的强度和硬度。同时，由于Mo的添加提高了材料的耐蚀性，使得17-4PH不锈钢熔覆层的γ相区缩小，形成γ相圈，提升抗局部腐蚀性能。此外，与热喷涂技术相比，激光熔覆修复层因采用17-4PH基体同成分的粉末降低了修复部分与基体热胀系数之间的失配度，有效规避了熔覆层开裂风险。具有传统Ni基或Co基合金激光熔覆层所不可替代的优势。需要指出，Mo合金元素的过量掺杂也会诱发局部硬质相在极冷过程中生成，继而诱发熔覆层内部裂纹。由此，合理控制掺杂含量尤为重要。基于此，本发明采用激光熔覆金属掺杂改性的复合粉末进行TRT叶片高耐蚀耐磨涂层的制备。实验表明，此涂层及制备方法的结合可显著提高高炉能量回收透平叶片再制造零部件的使用寿命。

附图说明

图1(a)、(b)分别为掺杂Mo比例为1.0wt％(a)和4.0wt％(b)的样品金相组织照片；

图2(a)-(c)分别为17-4PH基体(a)与掺杂Mo比例为1.0wt％(b)和4.0wt％(c)的样品盐雾腐蚀720h后对比照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

本发明利用同轴送粉式光纤激光设备在透平叶片基体表面制备金属掺杂改性的激光熔覆耐蚀耐磨涂层，包括下述步骤：

1)对17-4PH不锈钢叶片基体材料进行清洁和预处理。为增加激光吸收率，使表面粗糙化，对17-4PH不锈钢叶片表面先用600#水磨砂纸进行打磨，再经喷砂处理，而后用酒精或丙酮进行超声波清洗、烘干。

2)Mo粉(纯度≥99.9％)以1.0～4.0wt％的比例与17-4PH粉末(纯度≥99.9％，化学成分与基材相同)掺杂；其中，复合粉末质量百分比配比为：1.0～4.0％Mo；15.0～16.0％Cr；3.5～4.5％Ni；2.8～3.5％Cu；0.15～0.35％Nb；C<0.05％；Si<1.0％；Mn<0.5％；S<0.03％；P<0.03％；71.0～76.0％Fe。将混合粉末倒入行星式球磨机中充分混合60～120min，球磨机转速200r/min，之后在150℃下烘干3～5h，去掉粉末中水分；复合粉末粒度为45～110μm，球形度≥95％。

3)采用光纤激光设备，以氢气作为载气条件下，对步骤1)预处理后的基体采用激光熔覆工艺将步骤2)中的粉末熔覆在基体上；采用半导体光纤激光器，采用同轴送粉方式；激光功率1200～1500W，扫描速度600～800mm/min，送粉压力0.3MPa，送粉电压20V，Ar气压0.05MPa，搭接率33.3％～66.7％。通过多道熔覆手段，激光熔覆1～3层，激光熔覆涂层厚度控制在300μm～900μm。

4)待熔覆完成，对涂层进行微观结构分析和性能检测。

采用Olympus BX51M金相显微镜及Hirox KH-7700数字三维视频显微镜表征涂层微观结构；采用HXD-1000显微硬度计测定涂层显微硬度；采用SY/Q-750型盐雾腐蚀试验箱和CS150型电化学工作站进行涂层耐蚀性评价。

其中，盐雾腐蚀试验条件请见表1。电化学实验时，腐蚀介质选用质量分数为3.5％的NaCl溶液，所用NaCl为分析纯试剂，溶液用水为去离子水，实验温度90±2℃。

表1盐雾腐蚀试验条件

本实施方式中的试样选取与能量回收透平叶片材质相同，从以上试验结果可以证明，本发明制备的改性涂层能够对耐蚀耐磨工况服役的能量回收透平叶片进行有效再制造，且实施例说明该方式效果良好，激光熔覆涂层金相组织为树枝状马氏体和奥氏体的混合二重组织结构，且以板条状马氏体为主，硬度290～405HV_0.1，盐雾试验720h后无明显腐蚀产物，合金层平均腐蚀速率为0.55～1.68g/(m²·h)，比基体的耐蚀性提高1倍以上。

下面通过具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

在17-4PH不锈钢上采用同轴送粉式光纤激光装置进行金属掺杂改性激光熔覆涂层制备。

本实施例中激光熔覆粉末中掺杂的Mo合金粉末与17-4PH粉末重量配比为1:99，复合粉末具体比例为1.0％Mo、15.0％Cr、4.0％Ni、3.1％Cu、0.24％Nb、0.04％C、1.0％Si、0.4％Mn、0.025％S、0.03％P、75.17％Fe。复合粉末经球磨机混合60min，之后150℃烘干3h待用。激光熔覆时，激光功率1200W，扫描速度600mm/min，送粉压力0.3MPa，送粉电压20V，Ar气压0.05MPa，搭接率33.3％；激光熔覆1层，涂层最终厚度320μm。

制备的涂层组织均匀、致密性良好，金相组织为树枝状马氏体和奥氏体的混合二重组织结构，且以板条状马氏体为主，硬度315±17.32HV_0.1，电化学试验腐蚀电位E_corr和腐蚀电流I_corr分别为-0.237V和2.68×10^-7A/cm³，盐雾腐蚀环境下基体与熔覆合金层出现锈斑的时间分别为60h和135h，平均腐蚀速率分别为2.55g/(m²·h)和1.55g/(m²·h)。熔覆涂层显著提高了基体的抗盐雾腐蚀能力，延长了材料的使用寿命。

实施例2

本实施例中激光熔覆粉末中掺杂的Mo合金粉末与17-4PH粉末重量配比为2:98，复合粉末具体比例为2.0％Mo、15.9％Cr、3.5％Ni、2.8％Cu、0.15％Nb、0.04％C、0.8％Si、0.5％Mn、0.028％S、0.025％P、74.26％Fe。复合粉末经球磨机混合60min，之后150℃烘干5h待用；激光熔覆时，激光功率1350W，扫描速度700mm/min，送粉压力0.3MPa，送粉电压20V，Ar气压0.05MPa，搭接率66.7％；激光熔覆1层，涂层最终厚度390μm。

制备的涂层组织均匀、致密性良好，金相组织为树枝状马氏体和奥氏体的混合二重组织结构，且以板条状马氏体为主，硬度338±16.54HV_0.1，电化学试验腐蚀电位E_corr和腐蚀电流I_corr分别为-0.135V和1.93×10^-7A/cm³，盐雾腐蚀环境下基体与熔覆合金层出现锈斑的时间分别为60h和150h，平均腐蚀速率分别为2.55g/(m²·h)和1.08g/(m²·h)。熔覆涂层显著提高了基体的抗盐雾腐蚀能力，延长了材料的使用寿命。

实施例3

本实施例中激光熔覆粉末中掺杂的Mo合金粉末与17-4PH粉末重量配比为4:96，复合粉末具体比例为4.0％Mo、15.3％Cr、4.5％Ni、3.5％Cu、0.32％Nb、0.03％C、0.6％Si、0.5％Mn、0.029％S、0.027％P、71.20％Fe。复合粉末经球磨机混合120min，之后150℃烘干3h待用；激光熔覆时，激光功率1500W，扫描速度800mm/min，送粉压力0.3MPa，送粉电压20V，Ar气压0.05MPa，搭接率50.0％；激光熔覆3层，涂层最终厚度830μm。

制备的涂层组织均匀、致密性良好，金相组织为树枝状马氏体和奥氏体的混合二重组织结构，且以板条状马氏体为主，硬度387±18.15HV_0.1，电化学试验腐蚀电位E_corr和腐蚀电流I_corr分别为-0.108V和1.16×10^-7A/cm³，盐雾腐蚀环境下基体与熔覆合金层出现锈斑的时间分别为70h和170h，平均腐蚀速率分别为2.55g/(m²·h)和0.66g/(m²·h)。熔覆涂层显著提高了基体的抗盐雾腐蚀能力，延长了材料的使用寿命。

实施例4

在某用户能量回收透平机组17-4PH不锈钢叶片上采用同轴送粉式光纤激光装置进行金属掺杂改性激光熔覆涂层制备。

本实施例中激光熔覆粉末中掺杂的Mo合金粉末与17-4PH粉末重量配比为3:97，复合粉末具体比例为3.0％Mo、16.0％Cr、4.2％Ni、3.3％Cu、0.35％Nb、0.05％C、0.9％Si、0.4％Mn、0.03％S、0.029％P、71.74％Fe。复合粉末经球磨机混合100min，之后150℃烘干4h待用；激光熔覆时，激光功率1400W，扫描速度650mm/min，送粉压力0.3MPa，送粉电压20V，Ar气压0.05MPa，搭接率66.7％；激光熔覆1层，涂层最终厚度380μm。

图1(a)、(b)分别为掺杂Mo比例为1.0wt％(a)和4.0wt％(b)的样品金相组织照片。图2(a)-(c)分别为17-4PH基体(a)与掺杂Mo比例为1.0wt％(b)和4.0wt％(c)的样品盐雾腐蚀720h后对比照片。本发明制备的涂层组织均匀、致密性良好，金相组织为树枝状马氏体和奥氏体的混合二重组织结构，且以板条状马氏体为主；涂层修复部位光滑过渡，着色探伤无缺陷，硬度362±13.76HV_0.1；实施后外观质量良好，符合技术要求，投运后运行效果平稳。

本发明通过金属掺杂改性的方法利用激光熔覆方法制备了适用于透平叶片修复的高性能涂层。与传统热喷涂和常规Ni基或Co基合金相比，所制备的涂层与同材质基体冶金结合，厚度可控，涂层耐蚀性耐磨性良好，兼顾了TRT耐腐蚀特性和耐粉尘磨损性所需，保证了高炉能量回收透平叶片使用寿命的有效延长。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征做出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种金属掺杂改性透平叶片激光熔覆表面涂层的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)对17-4PH不锈钢叶片基体材料进行清洁和预处理；

4)待熔覆完毕，对涂层进行微观结构分析和性能检测。

2.根据权利要求1所述的金属掺杂改性透平叶片激光熔覆表面涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，对17-4PH不锈钢叶片表面先用水磨砂纸进行打磨，再经喷砂处理，而后用酒精或丙酮进行超声波清洗、烘干。

3.根据权利要求1所述的金属掺杂改性透平叶片激光熔覆表面涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，Mo粉与17-4PH粉末纯度≥99.9％。

4.根据权利要求1所述的金属掺杂改性透平叶片激光熔覆表面涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，在行星式球磨机中充分混合60～120min，球磨机转速200r/min，之后在150℃下烘干3～5h。

5.根据权利要求1所述的金属掺杂改性透平叶片激光熔覆表面涂层的制备方法，其特征在于，所述复合粉末质量百分比配比为：1.0～4.0％Mo；15.0～16.0％Cr；3.5～4.5％Ni；2.8～3.5％Cu；0.15～0.35％Nb；C<0.05％；Si<1.0％；Mn<0.5％；S<0.03％；P<0.03％；71.0～76.0％Fe。

6.根据权利要求1所述的金属掺杂改性透平叶片激光熔覆表面涂层的制备方法，其特征在于，所述复合粉末粒度为45～110μm，粉末球形度≥95％。

7.根据权利要求1所述的金属掺杂改性透平叶片激光熔覆表面涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，采用半导体光纤激光器，采用同轴送粉方式，激光功率1200～1500W，扫描速度600～800mm/min，送粉压力0.3MPa，送粉电压20V，Ar气压0.05MPa，将激光熔覆复合粉末熔覆在预处理后的17-4PH不锈钢叶片基体上，搭接率33.3％～66.7％。

8.根据权利要求1所述的金属掺杂改性透平叶片激光熔覆表面涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，通过多道熔覆使激光熔覆涂层总厚度控制在300～2000μm。

9.一种权利要求1-8任一项所述方法制备的金属掺杂改性透平叶片激光熔覆表面涂层，其特征在于，涂层金相组织为树枝状马氏体和奥氏体的混合二重组织结构，且以板条状马氏体为主，硬度290～405HV_0.1，合金层平均腐蚀速率为0.55～1.68g/(m²·h)。