CN101368487B - 带有防水蚀涂层的汽轮机叶片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有防水蚀涂层的汽轮机叶片，该汽轮机叶片进汽边顶部的背弧处被覆有一经高能微弧火花沉积工艺沉积的不锈钢涂层，该不锈钢涂层为Cr-Ni不锈钢材料，涂层厚度为0.4～0.8mm，涂层长度为汽轮机叶片长度的15～18％。本发明的汽轮机叶片是经由打磨处理、丙酮清洗、高能微弧火花沉积工艺沉积、打磨抛光等步骤后制备得到。由本发明的方法制备得到的本发明的汽轮机叶片具有硬度高、使用寿命长、耐磨损、耐腐蚀性能和抗水蚀性能好等优点。

Description

带有防水蚀涂层的汽轮机叶片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种汽轮机叶片及其制备方法，尤其涉及一种带涂层的汽轮机叶片及其制备方法。

背景技术

电力是现代化工业发展的基石，也是目前世界上最主要的能源之一。我国电力的80％来源于热力发电，其中大多数以汽轮机为原动机。汽轮机末级叶片处于湿蒸汽区域内工作，当汽流流到末级叶片时，湿蒸汽所携带的水滴会对高速旋转的叶片造成冲刷。现有的汽轮机叶片经长期运行后，其进汽边顶部经常会发生水蚀，造成叶片质量不平衡，机组产生大的振动，而且水蚀部位易形成叶片开裂的裂纹源，导致叶片断裂、机组强迫停机等恶性事故。

目前多数的汽轮机叶片并未施以涂层保护。部分汽轮机叶片制备厂家和电厂通过在叶片表面易水蚀部位钎焊司太立合金或制备表面涂层，希望能够解决叶片的水蚀问题。尽管以上两种方法在一定程度上可提高叶片的使用寿命，但也存在一定的缺陷。在钎焊司太立合金过程中，由于热影响区较大，产生较大的热应力与变形，而且焊接工艺易引起的焊缝不致密，使钎焊缝更易发生腐蚀，导致合金脱落；而涂层的制备一般是采用热喷涂涂层或电镀硬铬涂层对叶片易水蚀部位施以保护，但两种方法制备的涂层与基体结合力较差，在叶片长期运行中，仍无法避免水蚀的发生。因此，如何防止汽轮机叶片水蚀一直是本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种硬度高、使用寿命长、耐磨损、耐腐蚀性能和抗水蚀性能好的带有防水蚀涂层的汽轮机叶片，还提供一种制备工艺简单、能耗低、热影响区极小且能有效避免涂层与基体材料之间热裂纹产生的带有防水蚀涂层的汽轮机叶片的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种带有防水蚀涂层的汽轮机叶片，其特征在于：所述汽轮机叶片基体进汽边顶部的背弧处被覆有一经高能微弧火花沉积工艺沉积的不锈钢涂层。所述的高能微弧火花沉积工艺为一种低热输入沉积工艺，电极的端部轻触叶片基体表面并移动，通过旋转电极与叶片基体轻触的过程中，将电容储存的高能量电能以火花放电的形式瞬间释放，使电极材料融渗到叶片基体金属中，从而可在叶片表面制备得到耐水蚀涂层，这一过程中涂层与叶片基体间为冶金结合。

上述不锈钢涂层为Cr-Ni不锈钢涂层。作为汽轮机叶片金属的防护涂层，涂层的致密性是影响涂层保护效果的主要因素，而涂层材料与基体金属的匹配性是影响涂层致密性的重要原因，因此选择合适的涂层电极材料对于本发明的汽轮机叶片也就显得至关重要。本发明中使用的电极材料(例如316L合金或0Cr19Ni10NbN合金)与基体材料匹配良好，制备得到的Cr-Ni不锈钢涂层致密，因而对叶片金属的保护效果良好。Cr-Ni不锈钢涂层中的Cr元素不仅改善了不锈钢的抗腐蚀性能，相比于其他不锈钢涂层，Cr-Ni不锈钢涂层还具有更好的耐水蚀性。

上述不锈钢涂层的厚度优选0.4～0.8mm。如果涂层太薄，则本发明涂层对叶片基体的保护效果不能达到最佳；如果涂层过厚，则会使叶片质量中心偏移，影响机组的平稳运行，同时使叶片的成本增加。

上述不锈钢涂层的长度宜为汽轮机叶片长度的15～18％。通过对汽轮机叶片水蚀现象的研究发现，汽轮机叶片进汽边顶部的背弧处受水蚀影响的长度范围(从叶片边缘向叶片中心延伸)一般都在叶片长度的12～15％之间，为全面保护水蚀部位，上述不锈钢涂层的长度优选为汽轮机叶片长度的15～18％，否则可能达不到对叶片背弧水蚀处的全面保护，但也不宜过长，涂层太长不仅增加了成本而且还影响机组的平稳运行。不锈钢涂层的宽度即为叶片进汽边顶部背弧处的宽度。

本发明还提供一种上述带有防水蚀涂层的汽轮机叶片的制备方法，具体来说，可按以下步骤进行：在汽轮机叶片金属易于发生水蚀的部位(优选汽轮机叶片基体进汽边顶部的背弧处)首先进行机械打磨处理，并用丙酮擦洗，干燥；在惰性气体保护下的电极与叶片基体接触过程中，将电源存储的高能量电能在电极与叶片基体间瞬间高频释放，使叶片基体表面产生瞬间高温、高压微区；同时离子态的电极材料(例如316L合金或0Cr19Ni10NbN合金)在微电场的作用下融渗到叶片基体，形成冶金结合，在叶片表面沉积得到均匀的防水蚀涂层(Cr-Ni不锈钢涂层)；最后对涂层表面进行机械打磨抛光，得到满足要求的带有防水蚀涂层汽轮机叶片。在上述高能微弧火花沉积步骤中用到的设备为金属表面强化修复机，其输出功率为400～1000W，电弧电压为40～80V，频率为70～1500Hz，沉积时间为3～20min。

由于现有的高能微弧合金化技术制备涂层主要是依靠人工操作，且主要应用于叶片水蚀或裂纹的修复；而相比于事后修复，本发明中涂层所起到的事前预防效果明显更具优势，因为这不仅能够有效防止因汽轮机叶片水蚀所导致的停机事故的发生，而且由于汽轮机叶片易发生水蚀部位面积较小，本发明的实施成本更小，实施更为方便，实施效果更好，具有很好的适应性，只要在关键工艺参数上作适当调整即可达到较好的技术效果。因此，与现有技术相比，本发明的优点正是克服了传统技术在汽轮机叶片防水蚀问题上“重修复、轻预防”的技术偏见，在汽轮机叶片安装以前(甚至是在叶片出厂以前)，在其上涂覆一防水蚀涂层，以实现汽轮机叶片防水蚀的功能。本发明汽轮机叶片上被覆的涂层，其硬度、耐磨耐蚀性和抗水蚀性能均优于汽轮机叶片的基体材料；且涂层与基体的结合为冶金结合，界面组织致密，晶粒细小，涂层的硬度和强度均得到很大提高；另外，涂层本身无裂纹、孔洞、夹渣等缺陷，抗损伤和剥离性能较好，属永久性覆盖层。涂层的上述特性使得本发明的汽轮机叶片具有较好的抗水蚀性能，能够有效地抵御水蚀，延长汽轮机叶片的使用寿命。此外，本发明带有防水蚀涂层的汽轮机叶片的制备工艺简单，不需真空和预热，涂层后无需热处理，能耗低且热影响区极小，能够有效地避免涂层与基体材料之间热裂纹的产生。

附图说明

图1为本发明的汽轮机叶片的立体图；

图2为图1在A处的局部放大图，其中1为叶片基体，2为不锈钢涂层，L为涂层的长度。

具体实施方式

实施例1：

如图1和图2所示的带有防水蚀涂层的汽轮机叶片，其长度为620mm，在汽轮机叶片基体1进汽边顶部的背弧处被覆有一经高能微弧火花沉积工艺沉积的Cr-Ni不锈钢涂层2。该不锈钢涂层2的厚度为0.4mm，长度L＝11cm。

上述带有防水蚀涂层的汽轮机叶片是通过以下步骤制备得到：

(1)在汽轮机末级叶片基体(2Cr13)进汽边顶部的背弧处进行打磨，再经丙酮清洗、干燥；

(2)以直径为2.5mm的316L合金为电极材料，将电极夹紧在焊枪上，电极伸出喷嘴的长度控制在20～40mm，在经过打磨的部位利用高能微弧沉积技术沉积电极材料；沉积过程中，电极的端部轻触叶片基体1表面并移动，保证保护气体连续不断地从喷嘴中喷出(保护气体为氩气，流量控制在10L/min)，从而得到冶金结合的均匀不锈钢涂层2；沉积过程中用到的设备为金属表面强化修复机，其输出功率为1000W，电弧电压为80V，设备频率为738Hz，沉积时间为3min；

(3)对不锈钢涂层2表面进行机械打磨抛光，得到带有防水蚀涂层的汽轮机叶片。

测试结果表明：在相同条件下，带有防水蚀涂层的汽轮机叶片材料硬度值由222HV提高到287HV；磨损失重由1.9g降低到0.3g；腐蚀失重由67.2mg降低到10.1mg。在电厂实际运行中，该汽轮机叶片可将原有的叶片服役时间至少延长24000小时。

实施例2：

一种本发明的带有防水蚀涂层的汽轮机叶片，其长度为620mm，在汽轮机叶片基体进汽边顶部的背弧处被覆有一经高能微弧火花沉积工艺沉积的Cr-Ni不锈钢涂层。该不锈钢涂层的厚度为0.8mm，长度L＝11cm。

上述带有防水蚀涂层的汽轮机叶片是通过以下步骤制备得到：

(1)在汽轮机末级叶片基体(2Cr13)进汽边顶部的背弧处进行打磨，再经丙酮清洗、干燥；

(2)以直径为2.5mm的0Cr19Ni10NbN合金为电极材料，将电极夹紧在焊枪上，电极伸出喷嘴的长度控制在20～40mm，在经过打磨的部位利用高能微弧沉积技术沉积电极材料；沉积过程中，电极的端部轻触叶片基体表面并移动，保证保护气体连续不断地从喷嘴中喷出(保护气体为氩气，流量控制在20L/min)，从而得到冶金结合的均匀不锈钢涂层；沉积过程中用到的设备为金属表面强化修复机，其输出功率为420W，电弧电压为40V，设备频率为320Hz，沉积时间为20min；

(3)对不锈钢涂层表面进行机械打磨抛光，得到带有防水蚀涂层的汽轮机叶片。

测试结果表明：在相同条件下，带有防水蚀涂层的汽轮机叶片材料硬度值由222HV提高到310HV；磨损失重由1.9g降低到0.18g；腐蚀失重由67.2mg降低到13.2mg。在电厂实际运行中，该汽轮机叶片可将原有叶片服役时间至少延长24000小时。

Claims (1)

1.一种带有防水蚀涂层的汽轮机叶片的制备方法，包括以下步骤：

(1)在汽轮机末级叶片基体2Cr13进汽边顶部的背弧处进行打磨，再经丙酮清洗、干燥；

(2)以直径为2.5mm的0Cr19Ni10NbN合金为电极材料，将电极夹紧在焊枪上，电极伸出喷嘴的长度控制在20～40mm，在经过打磨的部位利用高能微弧沉积技术沉积电极材料；沉积过程中，电极的端部轻触叶片基体表面并移动，使保护气体连续不断地从喷嘴中喷出，所述保护气体为氩气，保护气体的流量控制在20L/min；沉积过程中用到的设备为金属表面强化修复机，所述金属表面强化修复机的输出功率为420W，电弧电压为40V，设备频率为320Hz，沉积时间为20min；沉积完成后得到冶金结合的均匀Cr-Ni不锈钢涂层；所述Cr-Ni不锈钢涂层的厚度为0.8mm，所述Cr-Ni不锈钢涂层的长度为11cm；

(3)对不锈钢涂层表面进行机械打磨抛光，得到带有防水蚀涂层的汽轮机叶片。