CN101566077B - 一种汽轮机末级叶片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽轮机末级叶片及其制备方法，所述汽轮机末级叶片包括经过调质处理的末级叶片基体，末级叶片基体上附着有铬基复合陶瓷涂层，铬基复合陶瓷涂层由粘结层、耐水蚀层和防水层构成。本发明涂层结构设计合理，所制备的铬基陶瓷复合涂层具有良好的结合力，较高的硬度(30GPa)和良好的耐水蚀性能，比未镀叶片具有更好的耐水蚀性能，可大幅度提高末级叶片的使用寿命，同时制备过程没有任何污染。
Description
技术领域
本发明属于汽轮机叶片技术，具体涉及一种汽轮机末级叶片及其制备方法，
背景技术
汽轮机叶片失效是导致电厂停机的主要原因之一。据美国电力科学院(EPRI)统计报道：1977年-1981年间，由于叶片失效而导致电厂停机造成的直接经济损失大约在15.5亿-19.4亿美元之间。据联邦德国大型电站职工协会(VGB)对火电站汽轮机叶片损伤情况作的统计表明，末级叶片的损伤占到70％，按照西屋公司的资料，该公司生产的汽轮机发生的低压级35起叶片损伤事故中就有13起是由于水蚀引起的，同时Dewey和Riezer也得到了相似的结论。另据刘志江等人调查研究表明：末级叶片型线下部出汽边的水冲蚀损伤是我国200MW、300MW、600MW等大型汽轮机的共同问题。以往665、680、700mm叶片的出汽边都有明显的水冲蚀，而如今869、900、1000mm叶片以及进口机组的660、851mm等叶片出汽边也程度不同地出现水冲蚀损伤，末级叶片出汽边的水冲蚀损伤已成为影响大机组安全运行的普遍问题。
汽轮机末级叶片水蚀指工作在湿蒸汽区的动叶片与气流中夹带的二次水滴高速撞击，导致末级叶片表面材料损伤并剥离的现象。汽轮机末级叶片出汽边水蚀所形成的锯齿状毛刺会造成应力集中和减小叶型根部截面的面积，影响叶片的振动特性，极大削弱了叶片的强度，使叶栅的气动性能恶化，级效率下降；叶片严重的水蚀增加了断裂的危险性，有时会引起叶片的断裂破坏而导致机组发生强烈振动等恶性事故，对汽轮机的安全运行造成威胁。因此，减少和防止末级叶片失效对于汽轮机的安全运行有着重要意义。
随着大功率电厂汽轮机的发展，汽轮机末级叶片水蚀防护方法的研究受到国内外电力工业人员的广泛重视。但迄今为止，广泛使用的末级叶片抗水蚀技术诸如堆焊硬质合金、电镀硬铬、等离子喷涂、电火花强化、喷丸等难以完全达到防水蚀的要求。末级叶片的水蚀已成为影响大机组运行热经济性和安全可靠性的首要问题之一。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。
发明内容
本发明的目的在于为汽轮机提供一种具有良好耐水蚀性能的汽轮机末级叶片及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：汽轮机末级叶片，包括经过调质处理的末级叶片基体，末级叶片基体上附着有铬基复合陶瓷涂层，铬基复合陶瓷涂层由粘结层、耐水蚀层和防水层构成。
所述铬基复合陶瓷涂层采用电弧放电法在基体上镀制而成。
所述粘结层为过渡金属Cr；耐水蚀层为非晶Si3N4和CrN纳米晶构成的CrSiN纳米晶-非晶复合涂层，CrN纳米晶晶粒尺寸为3-10纳米，涂层中硅含量在8-15at.％；防水层为Cr2O3/SiO2复合涂层，Cr2O3纳米晶晶粒尺寸为3-10纳米，涂层中硅含量在10-20at.％。
所述粘结层厚度为100-200纳米，耐水蚀层厚度为5-10微米，防水层厚度为3-5微米。
本发明还提供了上述汽轮机末级叶片的制备方法：在400-450℃、氩气环境下，对经过渗氮处理的末级叶片进行辉光清洗；辉光清洗结束后，在0.05-0.08Pa条件用电弧放电方法沉积100-200纳米厚的过渡金属Cr层；然后在250-350℃、-150V到-200V偏压、2-5Pa气压条件下用电弧放电方法沉积5-10微米CrSiN耐水蚀层；当耐水蚀层沉积结束后，在200-350℃、-150V到-200V偏压、2-5Pa气压条件下用电弧放电方法沉积3-5微米Cr2O3/SiO2防水层；制备结束后自然冷却，得到汽轮机末级叶片。
由上述技术方案可知本发明是利用电弧放电法制备铬基陶瓷复合涂层。该方法首先利用电弧放电技术的高离化率把Cr离子从Cr靶上蒸发出来，在氩气条件下不通入氮气时在工件上生成Cr粘结层，粘结层制备结束后，通入氮气和硅烷(SiH4)反应生成CrSiN。由于CrN涂层厚度在4微米以上时涂层应力较大，容易使涂层从工件上剥落。为了克服CrN厚涂层的应力问题，本发明采用Si3N4和CrN形成CrSiN纳米晶-非晶复合涂层结构，可以大幅度降低涂层应力。一般CrSiN涂层均采用昂贵的CrSi合金靶材进行制备，而本发明采用通入硅烷提供硅原子的方法大幅度降低了成本。为了实现CrSiN纳米晶结构的制备，调节氮气和硅烷之间的比例，则可制备不同硅含量的CrSiN耐水蚀层。由于末级叶片在汽轮机工作时高速旋转，叶片表面会吸附蒸气中的小水滴，随时间延长在叶片表面会增加然后高速飞出和相临叶片碰撞。为此在提高末级叶片表面硬度的同时，为了使末级叶片表面产生疏水性而不吸附蒸气中的水滴，需要在耐水蚀层的表面制备疏水的涂层使末级叶片表面具有良好的疏水性能。由于Cr2O3涂层不但具有很高的硬度(30GPa)，同时具有良好的疏水性能，为此本发明采用Cr2O3作为末级叶片表面的防水层。但由于Cr2O3涂层的高硬度导致其内应力比CrN更高，容易使涂层从工件上剥落。为了克服Cr2O3厚涂层的应力问题，本发明采用SiO2和Cr2O3形成Cr2O3/SiO2纳米晶涂层结构，可以大幅度降低涂层应力。为了实现Cr2O3/SiO2纳米晶结构的制备，通过控制硅烷和氧气的比例则可以制备不同晶粒度大小的Cr2O3/SiO2防水层。
本发明的汽轮机末级叶片采用铬基陶瓷复合涂层作为抗水蚀材料，是由于其具有高硬度、高耐磨等优越的性能。相对于块状材料和膜层层数较少的普通多层结构涂层，复合涂层中具有大量的纳米晶和非晶的界面，可有效地抑制裂纹的产生和扩展，具有应力阻挡作用，可降低表面与次表面的最大应力，从而具有较高的承载能力。
对于汽轮机末级叶片水蚀这种加载频率高，负荷范围小的特殊的破坏失效方式，当纳米复合涂层受到水滴冲蚀时，纳米晶-非晶结构所形成的大量界面不仅能使冲击能量迅速衰减，而且也能阻挡裂纹扩展，防止了类似于块体材料在局部范围内高应力时的疲劳破坏等失效方式。此外，由于铬基陶瓷涂层材料以铬的化合物为主，与基材2Crl3不锈钢相容性较好，结合力较高，可获得高致密度的厚涂层，能够满足工程实际需要。当在叶片表面镀膜时，由于涂层密度很低，只有叶片用钢的1/3左右，涂层厚度在10～15μm之间，不会影响叶片的振动特性；同时涂层表面光滑，可以防止诸如微孔等缺陷导致叶片表面局部地区应力集中而引起叶片的疲劳断裂等，避免了叶片大部分的损伤形式。
本发明具有如下优点：第一，与叶片表面电镀硬铬相比，本发明所有的制备过程都在真空中进行，没有任何污染，克服了电镀铬中严重的重金属污染问题；第二是本发明由于采用大功率电弧放电方法，涂层和基体为冶金结合，具有良好的附着力，不会像电镀铬和堆焊一样有时会产生剥落导致叶片损伤现象；第三，本发明所制备的铬基复合陶瓷涂层具有高达30GPa的显微硬度，而电镀铬和堆焊只有10GPa左右，由于涂层的耐水蚀性和硬度直接相关，所以本发明所制备的铬基陶瓷复合涂层具有比电镀铬和堆焊更好的耐水蚀性能；第四，由于本发明中涂层的顶部为防水层，使叶片表面具有良好的疏水性。可以大幅度减少末级叶片表面水滴的累积，减少大水滴的形成，降低叶片和水滴碰撞的几机率减少水蚀的发生；第五，本发明设计的涂层结构合理，不但有耐水蚀的CrSiN涂层，也有疏水的Cr2O3/SiO2防水层，使涂层叶片具有良好的耐水蚀性能。第六，本发明采用高密度电弧放电技术进行铬基陶瓷涂层的制备，不但克服了常规离子镀技术中等离子体密度较低导致的涂层硬度低、结合力差以及均匀性不好的问题，同时涂层设备结构简单，易于控制，工业应用前景良好。
本发明针对现行末级叶片表面涂层耐水蚀性能不足的问题，采用完全无污染的高密度电弧放电技术在末级叶片表面制备铬基复合陶瓷涂层。该技术一方面使复合涂层具有很高的表面硬度和良好的耐水蚀性能，另一方面纳米晶-非晶结构的采用可以大幅度降低涂层内应力，可以进行较厚陶瓷涂层的制备。铬基陶瓷涂层末级叶片的高硬度、良好的附着力以及纳米晶-非晶结构等特点，在汽轮机末级叶片表面抗水蚀方面表现出巨大的优势。开发铬基陶瓷涂层技术在末级叶片中的应用并实现产业化，可有效解末级叶片表面的水蚀问题，带来巨大的经济和社会效益。
本发明由于铬基陶瓷涂层良好的耐水蚀性能，可以降低叶片的水蚀，降低汽轮机运行过程中的故障率，保证了末级叶片的长期稳定工作，延长汽轮机的维修周期，提高运行的安全性，具有极大的应用价值。
总之，本发明因其技术上的优越性使其克服了堆焊和电镀铬等涂层硬度不足的问题，具有良好的耐水蚀性能，在工业中具有良好的应用前景。
以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
附图说明
图1.为本发明中所采用的铬基陶瓷复合涂层制备装置示意图。
图2.铬基陶瓷复合涂层的表面形貌图。
图3.铬基陶瓷复合涂层的截面图。
图4.铬基陶瓷复合涂层和基体的界面微观形貌
图5.铬基陶瓷涂层叶片和未涂叶片水蚀破坏结果
具体实施方式
实施例1：在400℃、氩气环境下，对经过渗氮处理的末级叶片进行辉光清洗，辉光放电过程中工件上的偏压为-1200V，辉光时间为30分钟；辉光清洗结束后，在0.05Pa条件用电弧放电方法沉积150纳米厚的过渡金属Cr层；然后在300℃、-150V偏压、2.3Pa气压条件下用电弧放电方法沉积6微米CrSiN耐水蚀层，其中CrN纳米晶尺寸为5纳米，涂层中硅含量在8at.％；当耐水蚀层沉积结束后，在250℃、-200V偏压、3.3Pa气压条件下用电弧放电方法沉积4微米Cr2O3/SiO2防水层，其中Cr2O3纳米晶尺寸为4纳米，涂层中硅含量在10at.％；制备结束后自然冷却，得到铬基陶瓷复合涂层末级叶片。
实施例2：在450℃、氩气环境下，对经过渗氮处理的末级叶片进行辉光清洗，辉光放电过程中工件上的偏压为-1200V，辉光时间为30分钟；辉光清洗结束后，在0.06Pa条件用电弧放电方法沉积200纳米厚的过渡金属Cr层；然后在350℃、-180V偏压、3Pa气压条件下用电弧放电方法沉积8微米CrSiN耐水蚀层，其中CrN纳米晶尺寸为7纳米，涂层中硅含量在10at.％；当耐水蚀层沉积结束后，在300℃、-150V偏压、3.3Pa气压条件下用电弧放电方法沉积5微米Cr2O3/SiO2防水层，其中Cr2O3纳米晶尺寸为6纳米，涂层中硅含量在15at.％；制备结束后自然冷却，得到铬基陶瓷复合涂层末级叶片。
实施例3：在430℃、氩气环境下，对经过渗氮处理的末级叶片进行辉光清洗，辉光放电过程中工件上的偏压为-1200V，辉光时间为30分钟；辉光清洗结束后，在0.05Pa条件用电弧放电方法沉积180纳米厚的过渡金属Cr层；然后在320℃、-190V偏压、4Pa气压条件下用电弧放电方法沉积10微米CrSiN耐水蚀层，其中CrN纳米晶尺寸为8纳米，涂层中硅含量在15at.％；当耐水蚀层沉积结束后，在300℃、-160V偏压、3.3Pa气压条件下用电弧放电方法沉积3微米Cr2O3/SiO2防水层，其中Cr2O3纳米晶尺寸为10纳米，涂层中硅含量在20at.％；制备结束后自然冷却，得到铬基陶瓷复合涂层末级叶片。
实施本发明所采用的制备装置如图1所示，装置的真空室由炉壁围成，真空室高度为1-1.5米，直径为1000-1200mm。真空室侧面设有炉门1，以方便工件的装卸。真空室设有抽真空口2，抽真空机组通过抽真空口2对真空室进行抽真空，抽真空机组采用分子泵，极限真空可以达到6×10-4Pa。圆形Cr电弧靶5分四列均布在炉壁上，圆形电弧靶直径为100-150mm，设有16-20个圆形电弧靶，单个电弧靶的电流范围为60～90A。炉壁上和真空室中间安装有多个加热器3，可以方便调节真空室中的温度。样品装在工件架4上，进行公转和自转。由于采用了电弧放电技术，真空室中等离子体密度大幅度增加，工件完全浸没在等离子体中。涂层沉积速率、硬度、附着力得到较大的提高。由于对靶结构进行了优化，磁场分布更均匀，使电弧在靶面上均匀燃烧，提高了涂层的均匀性和降低了靶材的消耗。衬底负偏压为0～1200V连续可调。工作气体为N2和氧气，由质量流量计控制。衬底转速可调。
图2为本发明制得的PVD铬基陶瓷复合涂层的表面形貌，从图中可以看出，涂层表面存在一定数量的颗粒，这是电弧放电方法所具有最为典型的特征。
图3为本发明制得的PVD铬基陶瓷复合涂层截面图。从图中可以看出PVD铬基陶瓷复合涂层结构致密，没有明显的柱状晶生长，涂层质量较好。从图中可以看出涂层厚度接近13微米。
图4为本发明制得的PVD铬基陶瓷复合涂层和末级叶片基体的交界面的微观形貌图，从图中可以看出，涂层和基体间为冶金结合，没有明显的分界面。
图5为本发明制得的铬基陶瓷复合涂层末级叶片与未涂层叶片对比试验结果，从图中可以看出，与未涂层末级叶片相比，铬基陶瓷复合涂层叶片具有更好的耐水蚀性能，其寿命为未涂叶片的50倍以上。在汽车和摩托车行业中具有良好的工业应用前景。
Claims (5)
1.一种汽轮机末级叶片，其特征是包括经过调质处理的末级叶片基体，末级叶片基体上附着有铬基复合陶瓷涂层，铬基复合陶瓷涂层由粘结层、耐水蚀层和防水层构成；所述粘结层为过渡金属Cr；
所述耐水蚀层为非晶Si3N4和CrN纳米晶构成的CrSiN纳米晶-非晶复合涂层；所述防水层为Cr2O3/SiO2复合涂层。
2.根据权利要求1所述的汽轮机末级叶片，其特征是所述粘结层厚度为100-200纳米，耐水蚀层厚度为5-10微米，防水层厚度为3-5微米。
3.根据权利要求1或2所述的汽轮机末级叶片，其特征是所述耐水蚀层中，CrN纳米晶晶粒尺寸为3-10纳米，硅含量在8-15at.％。
4.根据权利要求1或2所述的汽轮机末级叶片，其特征是所述防水层中，Cr2O3纳米晶晶粒尺寸为3-10纳米，硅含量在10-20at.％。
5.一种汽轮机末级叶片的制备方法，其特征是在400-450℃、氩气环境下，对经过渗氮处理的末级叶片进行辉光清洗；辉光清洗结束后，在0.05-0.08Pa条件用电弧放电方法沉积100-200纳米厚的过渡金属Cr层；然后在250-350℃、-150V到-200V偏压、2-5Pa气压条件下用电弧放电方法沉积5-10微米CrSiN耐水蚀层；当耐水蚀层沉积结束后，在200-350℃、-150V到-200V偏压、2-5Pa气压条件下用电弧放电方法沉积3-5微米Cr2O3/SiO2防水层。
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