CN100419219C - 一种透平机械转子叶片的表面复合涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透平机械转子叶片表面复合涂层及其制备方法，制得的复合涂层分为粘结底层、中间耐蚀合金层和金属陶瓷硬质耐磨外层；制备选用高能等离子喷涂设备配以超音速等离子喷枪，以超音速等离子喷涂工艺将粘结底层、中间耐蚀合金层和金属陶瓷硬质耐磨外层直接喷涂到透平机械转子叶片基体表面，最后在外层表面采用聚氨酯或丙烯酸基的高分子封孔剂对涂层实施封闭处理，其中，金属陶瓷硬质耐磨外层厚度为0.12mm，中间耐蚀合金层厚度为0.08mm，粘结底层厚度为0.05mm。实验数据表明，按照本发明制得的透平机械转子叶片表面复合涂层可以显著的提高叶片的防腐、耐磨性能，延长叶片的服役期。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面复合涂层的制备方法，特别是一种透平机械转子叶片表面防腐抗磨的复合涂层及其制备方法，该方法采用超音速等离子喷涂技术在透平机械转子上叶片表面制备出三层不同功能的涂层，使得透平叶片具有优异的防腐耐磨性能。
背景技术
透平机械依靠转子的高速旋转、叶片作功来实现一定的气体流量及压力，这些气体通常是空气、煤气或其他工业气体(如H2，CH4，CO，N2，CO2，C2H4，O2，H2S，NH3，焦油，萘等)，具有较高的温度、一定的腐蚀性，而且气体中有时会含有一定量的硬颗粒(如粉尘等)，会给高速旋转的透平叶片造成腐蚀、冲蚀及磨损。影响透平机械的整体运行效率，缩短叶片服役寿命，严重时叶片会出现断裂，造成停机、损坏或安全事故。
发明内容
本发明针对在高应力、高温、腐蚀环境，以及含有硬质颗粒的高速气流的协同作用的复杂工况下，透平机械的过流部件(如叶片等)因腐蚀和磨损造成早期失效的问题，提供一种透平机械转子叶片的表面复合涂层及其制备方法，该方法在透平机械转子叶片制备出三层复合涂层，能够对透平机械转子叶片表面实施有效保护。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种透平机械转子叶片表面复合涂层，其特征在于，制得的复合涂层为粘结底层、中间耐蚀合金层和金属陶瓷硬质耐磨外层；其中：
粘结底层原料选用质量分数为75％的金属镍、质量分数为20％金属铬和质量分数为5％金属铝构成复合粉末，复合粉末粒度为280目～360目；中间耐蚀合金层原料选用质量分数为55％的金属镍和质量分数为45％金属铬构成复合粉末，复合粉末粒度为300目～400目；金属陶瓷硬质耐磨外层原料选用质量分数为12％的金属钴包覆的晶粒度为1μm～3μm、质量分数为88％碳化钨钴包覆碳化钨复合粉末，粒度为400目～500目；
复合涂层的总厚度为0.25mm，其中金属陶瓷硬质耐磨外层厚度为0.12mm，中间耐蚀合金层厚度为0.08mm，粘结底层厚度为0.05mm。
上述透平机械转子叶片表面复合涂层的制备方法，其特征在于，该方法选用高能等离子喷涂设备配以超音速等离子喷枪，以超音速等离子喷涂工艺将粘结底层、中间耐蚀合金层和金属陶瓷硬质耐磨外层直接喷涂到透平机械转子叶片基体表面，最后在外层表面采用聚氨酯或丙烯酸基的高分子封孔剂对涂层实施封闭处理；具体包括下列步骤：
(1)将透平机械转子叶片需喷涂的部位用丙酮进行表面除油和清洁处理，并对透平机械转子叶片不需喷涂部位用高温遮蔽胶带精确保护，然后用棕刚玉磨料对透平机械转子叶片喷涂部位进行喷砂粗糙、活化处理；
(2)采用超音速等离子喷涂方法，在经除油、除锈、喷砂处理后的透平机械转子叶片表面首先喷涂Ni-Cr-Al粘结底层0.05mm，在粘结层上紧接着喷涂Ni-Cr中间耐蚀合金层0.08mm，随后在中间耐蚀合金层上再喷涂Co-WC金属陶瓷硬质耐磨外层0.12mm，然后采用专用的喷射雾化器在金属陶瓷硬质耐磨外层表面喷涂一层约0.01mm的高分子封孔剂，对涂层实施封闭处理，封闭处理后将喷涂好的透平机械转子叶片放入烘箱加热至150℃，保温3小时；
喷涂设备的主气采用氩气，其压力为52Psi，二次气采用氢气，其压力为50Psi，压缩空气80Psi；喷涂工艺参数为：
喷涂粘结底层时，设备主气流量为150立方英尺/小时，二次气流量为17立方英尺/小时，弧电流为500A，弧电压为62V，载气流量为80立方英尺/小时，送粉速率为45g/min；
喷涂中间耐蚀合金层时，设备主气流量为170立方英尺/小时，二次气流量为18立方英尺/小时，弧电流为520A，弧电压为65V，载气流量为90立方英尺/小时，送粉速率为50g/min；
喷涂金属陶瓷硬质耐磨外层时，设备主气流量为130立方英尺/小时，二次气流量为25立方英尺/小时，弧电流为500A，弧电压为74V，载气流量为120立方英尺/小时，送粉速率为52g/min；
喷涂过程中对透平机械转子叶片的叶尖、根部等喷涂部位，采用红外侧温仪进行跟踪测温，纪录喷涂时透平机械转子叶片各点的实测温度，保证透平机械转子叶片喷涂基体在喷涂过程中温度不超过200℃。
本发明制备的复合涂层，外层的金属陶瓷硬质耐磨层和具有微冶金结合性质的粘结底层，以及居于外层和底层之间的、具有优异耐蚀性和良好韧性、硬度介于外层和底层之间的中间过渡层；为了进一步防御外部腐蚀性介质涂层中的孔隙渗入到涂层系统与基体材料的界面，导致界面腐蚀和涂层剥落，在三层涂层系统的最外层表面，采用具有良好浸润性和耐蚀性的高分子基封孔剂对涂层实施封闭处理。
制备方法采用最新开发的、具有国际先进水平的、内送粉式超音速等离子喷涂技术直接喷涂于叶片表面，可获得具有高的结合强度，并具有优异的耐常温和高温干腐蚀或湿腐蚀，同时具有良好的抗小角度和大角度冲蚀磨损性能；采用中间过渡层有效缓和了表面硬质涂层与“软”基体之间的力学性能失配，减小了界面应力，有利于提高涂层系统在高速服役条件下的动态结合强度、可靠性和服役寿命。
附图说明
图1是透平机械转子动叶片及静叶片结构示意图；其中图(a)是动叶片结构示意图，图(e)是图(a)的俯视图，图(b)是静叶片结构示意圈，图(c)是图(b)的俯视图，图(d)是图(a)、图(b)的D-D剖视旋转图，图中的字母A、B、C分别表示轮廓面，标号分别表示：1、透平机械转子叶片基体，2、粘结底层、3、中间耐蚀合金层，4、金属陶瓷硬质耐磨外层。
图2是冲蚀磨损试验原理示意图；
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
一种透平机械转子叶片表面复合涂层，其特征在于，制得的复合涂层分为粘结底层、中间耐蚀合金层和金属陶瓷硬质耐磨外层；其中：
金属陶瓷硬质耐磨外层，其喷涂原料选用质量分数为12％的金属钴(Co)包覆的，晶粒度为1μm～3μm，质量分数为88％碳化钨(WC)，采用团聚烧结法制备的粒度为400目～500目的钴包覆碳化钨复合粉末。
中间耐蚀合金层，其喷涂原料选用质量分数为55％的金属镍(Ni)和质量分数为45％金属铬(Cr)，用冶金法制备的粒度为300目～400目的合金粉末。
粘结底层，其喷涂原料选用质量分数为75％的金属镍(Ni)、质量分数为20％金属铬(Cr)和质量分数为5％金属铝(Al)，用冶金法和包覆法制备的粒度为280目～360目的复合粉。
上述的三层复合结构涂层的总厚度为0.25mm，其中外层钴包覆碳化钨复合的硬质耐磨涂层厚度为0.12mm，由镍铬合金组成的中间耐蚀合金层厚度为0.08mm，由镍铬铝合金组成的粘结底层厚度为0.05mm。
上述金属陶瓷硬质耐磨涂层和具有微冶金结合性质的粘结底层，以及居于外层和底层之间的、具有优异耐蚀性和良好韧性、硬度介于外层和底层之间的中间过渡层，采用超音速等离子喷涂工艺将该三种不同成分和性质的涂层材料，依次将粘结底层、中间耐蚀合金层、金属陶瓷硬质耐磨外层，直接喷涂到叶片基体表面，形成三层复合结构，最后在外层表面采用聚氨酯或丙烯酸基的高分子封孔剂对涂层实施封闭处理。
封闭处理工艺步骤为：采用专用的喷射雾化器在金属陶瓷硬质耐磨外层表面喷涂一层约0.01mm的聚氨酯或丙烯酸基的高分子封孔剂对涂层实施封闭处理。
封闭处理后的透平机械转子叶片放入烘箱加热至150℃，并在该温度下保温3小时。
以下发明人给出具体的批量喷涂的工艺步骤：
(1)对加工完成的透平机械转子叶片按编号和型号进行造册登记，并将透平机械转子叶片需喷涂的部位用丙酮进行表面除油和清洁处理，并对叶片不需喷涂部位用高温遮蔽胶带精确保护，用24～28目棕刚玉磨料对叶片喷涂部位进行喷砂粗糙和常规的活化处理，处理好的叶片进行称重，称重精确到克；
(2)采用超音速等离子喷涂设备及其超音速等离子喷枪，在经除油、除锈、喷砂处理后叶片表面首先喷涂一层0.05mm厚的Ni-Cr-Al粘结底层，在粘结底层上紧接着喷涂一层0.08mm厚的Ni-Cr中间耐蚀合金层，随后在中间耐蚀合金层上再喷涂一层0.12mm厚的Co-WC金属陶瓷硬质耐磨外层，紧跟着采用专用的喷射雾化器在金属陶瓷硬质耐磨外层表面喷涂一层约0.01mm的高分子封孔剂对涂层实施封闭处理，最后将喷涂好三层复合涂层的透平机械转子叶片放入烘箱加热至150℃，并在该温度下保温3小时。
喷涂过程中注意对叶片的叶尖、根部等喷涂部位，采用红外侧温仪进行跟踪测温，纪录喷涂时叶片各点的实测温度，保证每片叶片喷涂过程中基体温度不超过200℃；
对喷涂完成后的透平机械转子叶片进行称重记录，与喷涂前纪录的裸叶片进行对比，核算每一片透平机械转子叶片的涂层增重，保证同一规格和尺寸的透平机械转子叶片其涂层增重误差不大于涂层本身重量的20％。
喷涂过程的经优化工艺参数
(1)喷涂设备：Metco 9M高能等离子喷涂设备(美国Metco公司制造)，并配置超音速等离子喷枪HEPJ-G2(装甲兵工程学院国防科技重点试验室研制)；
(2)主要喷涂参数(按Metco 9M设备设定的单位)：
主气压力(氩气)52Psi，二次气压力(氢气)50Psi，压缩空气80Psi
| 喷涂材料 | 喷抢型号 | 主气流量(立方英尺/小时) | 二次气流量(立方英尺/小时) | 弧电流A | 弧电压V | 载气流量(立方英尺/小时) | 送粉速率g/min |
| Ni20Cr5Al | 9MB-GH | 150 | 17 | 500 | 62 | 80 | 45 |
| Ni45Cr | 9MB-GH | 170 | 18 | 520 | 65 | 90 | 50 |
| 12Co-WC | HEPJ-G2 | 130 | 25 | 500 | 74 | 120 | 52 |
本发明制备的透平机械转子叶片表面复合涂层具有以下特点：
1.良好的耐腐蚀性能：
酸性盐雾腐蚀试验：
在西北工业大学利用SY/Q-750型盐雾腐蚀试验箱进行，模拟透平机械服役介质，将盐溶液进行雾化，以考核不锈钢叶片材料及表面防护层的耐腐蚀性能。喷雾是由清洁压缩气源和盐溶液来共同完成的。盐雾腐蚀实验参数如下：
(1)腐蚀介质选为5％NaCl+H2SO3溶液，用H2SO3调节溶液的pH值到3.0±0.2；
(2)工作室内连续通入CO2气体，其流量为20m立方英尺/小时；
(3)工作室温度为35℃±2℃；采用连续喷雾方式，腐蚀箱内相对湿度保持在94±4％。
盐雾腐蚀试验的试样为Φ30×10mm的试片。试验数据(240小时，三个试样的平均值)见下表：
| 试样状态 | 试验前(g) | 试验后(g) | 失重量(g) |
| 2Crl3材料 | 53.54621 | 53.33039 | 0.21582 |
| 涂层 | 53.01229 | 52.93060 | 0.08169 |
2.良好的耐冲刷及磨损性能：
在西北工业大学进行的冲蚀磨损性能试验，采用西北工业大学腐蚀与防护研究室设计组装的固体颗粒冲蚀磨损实验机。冲蚀磨损试验原理示意图如图2所示，将试样放在经压缩空气加速的砂粒出口，试样角度可以用旋钮进行调节，采用一定条件的压缩空气加速后，冲蚀磨料以一定角度α、距离为S撞击试样表面，引起试样的冲蚀表面磨损，测试冲蚀前后的失重量即可表征试样表面的耐冲蚀性能。通过对比不同表面处理及基材的耐冲蚀性能，即可确定合理的表面抗冲蚀磨损防护方案。
测试材料的冲蚀磨损失重时，在稳定冲蚀磨损阶段，被测试样的磨损失重与所用磨料的量成线性关系。因此，对于密度相同的同一种材料，冲蚀磨损性能采用单位质量磨料所对应的被测试样冲蚀磨损失重量进行评价，在一定的实验条件下，失重量越小，说明被测试样耐冲蚀磨损性能越好。然而，对密度差别较大的材料，应采用冲蚀磨损体积损失对被测试样耐冲蚀磨损性能进行评价。试验数据见下表：
冲蚀磨损性能试验在图1所示的动叶片及静叶片的A(轮廓)面、B(轮廓)面、C(轮廓)面上喷涂如图1(e)中的透平机械转子叶片基体1的粘结底层2、中间耐蚀合金层3和金属陶瓷硬质耐磨外层4共三层涂层(D-D剖面所示)。
粘结底层2按本发明的配方配制并喷涂，其实验厚度为0.05mm～0.30mm。
中间耐蚀合金层3按本发明的配方配制并喷涂，其实验厚度0.05mm～0.30mm。
金属陶瓷硬质耐磨外层按本发明的配方配制并喷涂，其实验厚度0.05mm～0.30mm。
上述三种涂层在实验时采用的喷涂方法为各种火焰、各种电弧或各种等离子喷涂的一种或几种组合。实验数据表明，按照本发明制得的透平机械转子叶片表面复合涂层可以显著的提高叶片的防腐、耐磨性能，延长叶片的服役期。
Claims (2)
1. 一种透平机械转子叶片表面复合涂层，其特征在于，制得的复合涂层分为粘结底层、中间耐蚀合金层和金属陶瓷硬质耐磨外层；其中：
粘结底层原料选用质量分数为75％的金属镍、质量分数为20％金属铬和质量分数为5％金属铝构成复合粉末，复合粉末粒度为280目～360目；中间耐蚀合金层原料选用质量分数为55％的金属镍和质量分数为45％金属铬构成复合粉末，复合粉末粒度为300目～400目；金属陶瓷硬质耐磨外层原料选用质量分数为12％的金属钴包覆的晶粒度为1μm～3μm、质量分数为88％碳化钨钴包覆碳化钨复合粉末，粒度为400目～500目；
复合涂层的总厚度为0.25mm，其中，金属陶瓷硬质耐磨外层厚度为0.12mm，中间耐蚀合金层厚度为0.08mm，粘结底层厚度为0.05mm。
2. 权利要求1所述的透平机械转子叶片表面复合涂层的制备方法，其特征在于，该方法选用高能等离子喷涂设备配以超音速等离子喷枪，以超音速等离子喷涂工艺将粘结底层、中间耐蚀合金层和金属陶瓷硬质耐磨外层直接喷涂到透平机械转子叶片基体表面，最后在外层表面采用聚氨酯或丙烯酸基的高分子封孔剂对涂层实施封闭处理；具体包括下列步骤：
(1)将透平机械转子叶片需喷涂的部位用丙酮进行表面除油和清洁处理，并对透平机械转子叶片不需喷涂部位用高温遮蔽胶带精确保护，然后用棕刚玉磨料对透平机械转子叶片喷涂部位进行喷砂粗糙、活化处理；
(2)采用超音速等离子喷涂方法，在经除油、除锈、喷砂处理后的透平机械转子叶片表面首先喷涂Ni-Cr-Al粘结底层0.05mm，在粘结层上紧接着喷涂Ni-Cr中间耐蚀合金层0.08mm，随后在中间耐蚀合金层上再喷涂Co-WC金属陶瓷硬质耐磨外层0.12mm，然后采用专用的喷射雾化器在金属陶瓷硬质耐磨外层表面喷涂一层约0.01mm的高分子封孔剂对涂层实施封闭处理，封闭处理后将喷涂好的透平机械转子叶片放入烘箱加热至150℃，保温3小时；
喷涂设备的主气采用氩气，其压力为52Psi，二次气采用氢气，其压力为50Psi，压缩空气80Psi；喷涂工艺参数为：
喷涂粘结底层时，设备主气流量为150立方英尺/小时，二次气流量为17立方英尺/小时，弧电流为500A，弧电压为62V，载气流量为80立方英尺/小时，送粉速率为45g/min；
喷涂中间耐蚀合金层时，设备主气流量为170立方英尺/小时，二次气流量为18立方英尺/小时，弧电流为520A，弧电压为65V，载气流量为90立方英尺/小时，送粉速率为50g/min；
喷涂金属陶瓷硬质耐磨外层时，设备主气流量为130立方英尺/小时，二次气流量为25立方英尺/小时，弧电流为500A，弧电压为74V，载气流量为120立方英尺/小时，送粉速率为52g/min；
喷涂过程中对透平机械转子叶片的叶尖、根部等喷涂部位，采用红外侧温仪进行跟踪测温，纪录喷涂时透平机械转子叶片各点的实测温度，保证透平机械转子叶片喷涂基体在喷涂过程中温度不超过200℃。
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