CN101787510A - 一种汽轮机通流部件防固体颗粒侵蚀涂层的制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种汽轮机通流部件防固体颗粒侵蚀涂层的制备工艺，采用超音速火焰喷涂制备防固体颗粒侵蚀涂层，选用超音速火焰喷涂设备配以超音速火焰喷枪，以超音速火焰喷涂工艺将NiCr金属陶瓷粉末直接喷涂到汽轮机通流部件表面，最后采用喷射雾化器在涂层外表面喷涂一层聚氨酯或丙烯酸基的高分子封孔剂对涂层进行封闭处理。本发明采用超音速火焰喷涂制备防固体颗粒侵蚀涂层，可在短时间内，实现大面积汽轮机通流部件表面防护，喷涂防护后不改变汽轮机通流部件的振动特性、汽动特性、强度特性，具有现场可操控性强、抗固体颗粒侵蚀性能提高显著等优点，可以现场解决和改善在役电站汽轮机通流部件普遍存在的固体颗粒侵蚀问题，提高机组运行安全性和效率。

Description

一种汽轮机通流部件防固体颗粒侵蚀涂层的制备工艺

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及一种汽轮机通流部件防固体颗粒侵蚀涂层的制备工艺。

背景技术

火力发电厂汽轮机通流部件(主要包括叶片、喷嘴、隔板等)是汽轮机系统的“心脏”，承担着将蒸汽流动能转换为有用功的重任。汽轮机通流部件，特别是高、中压级叶片，在运行过程中，会受到固体颗粒侵蚀损伤而产生缺陷。固体颗粒侵蚀(SPE)是指从锅炉的过热器、再热器及主蒸汽和再热蒸汽管的内表面剥落下来的坚硬的氧化铁粒子(或称“颗粒”)，随蒸汽流入汽轮机，使之造成的一种机械损伤。它们在高速撞击和磨削的联合作用下侵蚀喷嘴、动叶片及其围带、阻汽片等通流部件金属材料。一般情况下，叶片的固体颗粒侵蚀常发生在高压第一级喷嘴和动叶片，中压第一级喷嘴和动叶片。动叶片SPE损伤主要位于叶片进汽边，沿叶片高侵蚀加重，叶片顶部附近最为严重。固体颗粒侵蚀不仅降低了机组的热经济性，而且还严重影响机组运行的安全可靠性，有效地对汽轮机通流部件表面加以防护，避免固体颗粒侵蚀损伤缺陷，是确保机组安全经济运行的关键技术措施。

发明内容

本发明针对汽轮机通流部件普遍存在的固体颗粒侵蚀损伤缺陷，提供一种汽轮机通流部件防固体颗粒侵蚀涂层的制备工艺，能现场在线制备汽轮机通流部件防固体颗粒侵蚀涂层，提高汽轮机通流部件抵抗固体颗粒侵蚀的能力，延长通流部件使用寿命，保障机组安全经济运行。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：采用超音速火焰喷涂制备防固体颗粒侵蚀涂层，选用超音速火焰喷涂设备，以超音速火焰喷涂工艺将NiCr金属陶瓷粉末直接喷涂到汽轮机通流部件表面，涂层厚度为0.10～0.70mm，最后采用喷射雾化器在涂层外表面喷涂一层0.01～0.02mm的聚氨酯或丙烯酸基的高分子封孔剂对涂层进行封闭处理；所说的喷涂材料选用质量分数为15～25％Ni、5％Cr和70～80％碳化铬构成的NiCr金属陶瓷粉末，粉末粒度为200～300目。

具体包括以下步骤：

1)喷涂前对叶片静频率进行测试，宏观检查叶片表面是否存在缺陷，对叶片表面进行清洗，除去叶片表面污垢，并用高温遮蔽胶带对叶片不喷涂区域进行精确遮蔽保护；

2)使用压力式喷砂法，采用粒度为10～100目的棕刚玉砂，对叶片喷涂区域即缺陷区域进行粗糙、活化处理，使基体表面粗糙度达到Ra2～15um，彻底清除叶片表面氧化物、油脂、污物等附着物，均匀粗糙活化；

3)使用喷枪将待喷涂的叶片表面预热至100～300℃，采用超音速火焰喷涂方法，在经除油、除锈、喷砂活化处理后的叶片表面喷涂厚度为0.10～0.70mm的NiCr金属陶瓷涂层；

4)采用喷射雾化器在涂层外表面喷涂一层0.01～0.02mm的聚氨酯或丙烯酸基的高分子封孔剂对涂层进行封闭处理。

本发明的超音速火焰喷涂的工艺参数为：氧气流量为5～30m³·h^-1，丙烷流量为1000～3000L·h^-1，氮气流量为1000～3000L·h^-1，喷枪移动速度为200～600mm·s^-1，喷涂距离为100～400mm。

喷涂过程中对叶片喷涂部位，采用红外线测温仪进行跟踪测温，记录喷涂时实测温度，保证叶片喷涂基体在喷涂过程中温度为100～300℃；喷涂过程中控制每遍涂层厚度为0.02～0.04mm。

本发明采用超音速火焰喷涂制备防固体颗粒侵蚀涂层，可在短时间内，实现大面积汽轮机通流部件表面防护，喷涂防护后不改变汽轮机通流部件的振动特性、汽动特性、强度特性，具有现场可操控性强、抗固体颗粒侵蚀性能提高显著等优点，可以现场解决和改善在役电站汽轮机通流部件普遍存在的固体颗粒侵蚀问题，提高机组运行安全性和效率，增加电厂经济效益。

具体实施方式

汽轮机高、中压级叶片耐固体颗粒侵蚀涂层制备工艺具体实施方式：

(1)喷涂前准备

①喷涂前应确定叶片母材的化学成分和机械性能；②喷涂前对叶片静频率进行测试，并记录；③宏观检查叶片表面是否存在缺陷并记录；④对叶片表面进行清洗，除去叶片表面污垢；⑤采用高温遮蔽胶带对叶片不喷涂区域进行精确遮蔽保护；⑥喷涂粉末应进行实验室条件下的粉末粒度分布、流动性、松比、微观形貌等检测，并与标样对比合格。

(2)表面预处理

①使用压力式喷砂法对叶片喷涂区域进行粗糙、活化处理，使基体表面粗糙度达到Ra2～15um，彻底清除叶片表面氧化物、油脂、污物等附着物，均匀粗化并露出金属光泽；②喷砂磨料宜采用优质棕刚玉砂，粒度为10～100目，磨料应清洁、干燥；③喷砂完成后10～50分钟内，必须进行喷涂作业，否则必须进行二次喷砂处理。

(3)超音速火焰喷涂制备耐固体颗粒侵蚀涂层

①采用喷枪将待喷涂叶片表面应预热至100～300℃，预热过程中用红外线测温仪监控，避免预热过程中的过热和污染；②采用超音速火焰喷涂方法，在经除油、除锈、喷砂活化处理后的叶片表面喷涂厚度为0.10～0.70mm的NiCr金属陶瓷涂层，喷涂材料选用质量分数为15～25％Ni、5％Cr和70～80％碳化铬构成的NiCr金属陶瓷粉末，粉末粒度为200～300目；超音速火焰喷涂工艺参数为：氧气流量为5～30m³·h^-1，丙烷流量为1000～3000L·h^-1，氮气流量为1000～3000L·h^-1，喷枪移动速度为200～600mm·s^-1，喷涂距离为100～400mm。③喷涂过程中应对叶片喷涂部位，采用红外线测温仪进行跟踪测温，记录喷涂时实测温度，保证叶片喷涂基体在喷涂过程中温度为100～300℃；④喷涂过程中应维持喷涂工艺参数稳定，控制每遍涂层厚度为0.02～0.04mm。

(4)封孔处理：喷射雾化器在涂层外表面喷涂一层0.01～0.02mm的聚氨酯或丙烯酸基的高分子封孔剂对涂层进行封闭处理。

涂层质量检测。①对涂层进行外观检查，涂层表面应平整，色泽一致，不允许有起皮、鼓泡、脱落等缺陷，叶片无变形；②采用涂层测厚仪对涂层厚度进行检测，测得的涂层最小厚度不应小于涂层设计厚度，涂层厚度均匀；③采用自振频谱分析法对喷涂后叶片静频率进行测量，喷涂前后叶片频率应基本无变化；④在现场环境下，制备超音速火焰喷涂挂片试样，对涂层挂片试样进行实验室检测，检测内容包括：热震试验、显微硬度试验、孔隙率测试、结合强度试验、磨粒磨损试验、冲蚀磨损试验等；

涂层性能指标。①涂层厚度为0.10～0.70mm；②涂层结合强度≥70MPa；③涂层在600℃，80次热震条件下，无裂纹、剥离或翘起；④涂层显微硬度HV_0.3≥900；⑤涂层孔隙率≤1％；⑥涂层具有优良的耐磨性能及抗冲蚀性能。

本发明制备的耐固体颗粒侵蚀涂层具有以下显著特点：

优异的耐磨损性能

磨粒磨损性能试验采用的设备为根据美国ASTM-G65-71标准设计组装的橡胶轮磨粒磨损试验机进行，试验选用参数如表1所示。磨粒磨损性能采用被测试样磨损失重量进行评价。在一定的试验条件下，磨损失重量越小，说明被测试样耐磨粒磨损性能越好。试验采用三块60×25mm试样的平均值表征涂层的磨损失重。试验数据见表2。

表1磨粒磨损实验参数

类别	参数值
		载荷/N	5，13
橡胶轮转速/r·min-1	60
		橡胶轮直径/mm	220
磨料(棕刚玉)粒度/目	60、100
		磨损时间/min	15

表2磨粒磨损试验结果

优异的耐冲蚀性能

试验中采用颗粒冲蚀磨损试验机，试验参数如表3所示。测试涂层的冲蚀磨损失重时，当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，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，在一定的试验条件下，失重量越小，说明被测涂层耐冲蚀磨损性能越好。试验采用三块60×45mm试样的平均值表征涂层的冲蚀磨损失重。试验数据见表4。

表3冲蚀磨损试验参数

类别	参数值
		冲蚀距离S/mm	100
压缩空气压力/MPa	0.1、0.3
		喷嘴内径/mm	3.6-4.0
喷嘴长度/mm	22
		冲蚀角度α/°	30、90
磨料(棕刚玉)粒度/目	100

表4冲蚀磨损试验结果

本发明提供的汽轮机通流部件防固体颗粒侵蚀(SPE)涂层制备工艺，能达到了汽轮机通流部件大面积表面防护的目的，HVOF喷涂防护后汽轮机通流部件重量变化较小且分布均匀，不破坏汽轮机通流部件原有的振动特性、汽动特性和强度特性。制备的防固体颗粒侵蚀涂层结合强度高，孔隙率低，硬度较基体提高显著，涂层均匀致密，抗热疲劳性能优良，耐磨性能耐SPE性能优异，能大大延缓汽轮机通流部件服役寿命。本发明技术具有现场可操控性强、被修复工件变形小、耐固体颗粒侵蚀性能提高明显、可靠性高等特点和优点，可以现场解决和改善我国在役电站汽轮机通流部件普遍存在的固体颗粒侵蚀问题，提高机组运行安全性和效率，增加电厂经济效益。

Claims (4)

1.一种汽轮机通流部件防固体颗粒侵蚀涂层的制备工艺，其特征在于：采用超音速火焰喷涂制备防固体颗粒侵蚀涂层，选用超音速火焰喷涂设备，以超音速火焰喷涂工艺将NiCr金属陶瓷粉末直接喷涂到汽轮机通流部件表面，涂层厚度为0.10～0.70mm，最后采用喷射雾化器在涂层外表面喷涂一层0.01～0.02mm的聚氨酯或丙烯酸基的高分子封孔剂对涂层进行封闭处理；所说的喷涂材料选用质量分数为15～25％Ni、5％Cr和70～80％碳化铬构成的NiCr金属陶瓷粉末，粉末粒度为200～300目。

2.根据权利要求1所述的汽轮机通流部件防固体颗粒侵蚀涂层的制备工艺，其特征在于具体包括以下步骤：

1)喷涂前对叶片静频率进行测试，宏观检查叶片表面是否存在缺陷，对缺陷区域的叶片表面进行清洗，除去叶片表面污垢，并用高温遮蔽胶带对叶片不喷涂区域进行精确遮蔽保护；

2)使用压力式喷砂法，采用粒度为10～100目的棕刚玉砂，对叶片喷涂区域即缺陷区域进行粗糙、活化处理，使基体表面粗糙度达到Ra2～15um，彻底清除叶片表面氧化物、油脂、污物等附着物，均匀粗糙活化；

3)使用喷枪将待喷涂的叶片表面预热至100～300℃，采用超音速火焰喷涂方法，在经除油、除锈、喷砂活化处理后的叶片表面喷涂厚度为0.10～0.70mm的NiCr金属陶瓷涂层；

4)采用喷射雾化器在涂层外表面喷涂一层0.01～0.02mm的聚氨酯或丙烯酸基的高分子封孔剂对涂层进行封闭处理。

3.根据权利要求1或2所述的汽轮机通流部件防固体颗粒侵蚀涂层的制备工艺，其特征在于：所述的超音速火焰喷涂的工艺参数为：氧气流量为5～30m³·h^-1，丙烷流量为1000～3000L·h^-1，氮气流量为1000～3000L·h^-1，喷枪移动速度为200～600mm·s^-1，喷涂距离为100～400mm。

4.根据权利要求1或2所述的汽轮机通流部件防固体颗粒侵蚀涂层的制备工艺，其特征在于：所述的喷涂过程中对叶片喷涂部位，采用红外线测温仪进行跟踪测温，记录喷涂时实测温度，保证叶片喷涂基体在喷涂过程中温度为100～300℃；喷涂过程中控制每遍涂层厚度为0.02～0.04mm。