CN101956187A - 涡轮机构件的涂层制备方法、该构件及对应机械部分 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造涡轮机叶轮的方法，至少包括以下步骤：用轻合金制造叶轮，在叶轮上涂覆镀镍涂层。

Description

涡轮机构件的涂层制备方法、该构件及对应机械部分

技术领域

本发明涉及一种涡轮机构件涂层的制备方法。本发明还涉及该构件本身及安装有该构件的涡轮机械部分。

背景技术

由于涡轮机叶轮与工艺流体相互作用，且承受着连续的机械，化学以及热应力的作用，因此它是涡轮机的关键构件。

这些构件通常用“重”合金制造，从而在工作期间具有高度的持久性。

“重”合金通常意味着这样的金属基合金，其中金属具有高原子序数，例如铁，镍，钴等。不锈钢和大体上所有的超合金(以镍，钴或许多其它金属为基)都属于重合金。

通常基于特定的用途，构件或制造该构件的材料须经过机械、热和/或化学处理以改善其内部或表面结构，或制造表面涂层，从而提高机械，化学和/或热的耐受性。

通常进行镀镍步骤，形成保护涂层，以抵抗“腐蚀”。“腐蚀”可以简单地被定义为金属发生初始退化，并随之与其它元素进行重组的典型过程。金属比相应的矿物具有更高的能级，正因为如此，在特定环境中，金属易于发生转变或退化，称之为“腐蚀”。腐蚀过程可以依据不同的化学/物理过程，分类为：例如干燥环境中的化学腐蚀，称为“纯化学腐蚀”或晶间/晶界腐蚀；或潮湿环境中的电流/电化学腐蚀，或其它。镀镍是一种特殊表面处理，使得镍原子沉积在待处理表面，其目的是改善待处理材料的表面特性(例如硬度，对其所处外部因素的耐受性)。

镍涂层具有低的孔隙率，从而在上述过程之后，基体材料被牢固的封闭以抵抗外部因素的侵入，避免腐蚀的发生。

因此，该涂层的抗腐蚀保护能力是优良的，即使其还依赖所使用金属的种类，依赖金属的具体的孔隙率，粗糙度和表面状况；高浓度的磷(化学符号“P”)，超过10％，似乎能够提高耐蚀性。

也可通过对于涂覆部分进行热处理(退火)，以提高硬度和耐磨性，但后一种情况会导致耐蚀性的下降。在涡轮机的离心式叶轮表面镀镍的最大缺点是，叶轮在使用时，由于离心力，会发生径向膨胀。因此，镀镍涂层可能膨胀产生小裂纹或裂缝，腐蚀将发生于此。

尽管目前一系列新的钢质三维离心式叶轮正被开发，但出现了使用较轻的合金制造叶轮的需求，特别是在某些应用中，为了降低生产成本和提高安装该构件的机器的机械性能。

另一个引人注意的改进是，在使用具有比钢更高的比电阻的材料时，可以增加相同叶轮的转速；钛基、铝基和镁基轻合金由于较低的密度，均具有上述特征。

使用轻合金制造的离心式叶轮有一个主要的缺点，即它们易于被流体冲蚀，该流体速度很快，可造成磨损，特别是如果该流体包含液体或固体颗粒。在使用传统重合金制造的叶轮时，侵蚀通常并不明显；但对于轻合金的叶轮，由于其材料具有低硬度和不耐侵蚀的特性，侵蚀变得很严重并具有潜在的灾难性危险。

由于叶轮的转速，损伤可进一步加大，转速越高，侵蚀越严重：这个问题限制了轻合金，例如铝在制造高转速叶轮中的应用。

“侵蚀”可以被简要地被定义为一种现象，其伴随着材料逐渐被气体、流体或液体等外部因素除去，该过程可伴随物理或化学过程，也可与之交替发生。“磨损”可被定义为一种具体的侵蚀现象，材料逐渐被固体外部因素除去。

另一个困难是离心式叶轮的涂层通常必须以最容易地且最顺利地“可加工”，以限制制造成本。“可加工”是指可通过特定装置(电化学浴池或其它)被制造的能力，使得具有复杂几何外形的叶轮被完全涂覆；这特别适用于三维封闭叶轮。而且，涂层须保证具有高的表面硬度，以确保在长期工作期间材料的耐受性以及保护涂层本身，同时还要确保对于异物万一冲击的耐受性。

另一个不利因素是，必须仔细控制涂层的沉积，以保证工程公差，同时避免成品中出现不可接受的缺陷，例如污点，涂层分层和破裂，要将其控制在特定涂层的可接受范围内。

因此，目前，涡轮机离心式叶轮的制造仍然面临着技术进步的问题，需要更轻并更具有耐受性，以适应各种特殊应用，同时还需要如“重”合金一样至少同样耐受固体颗粒和液滴的侵蚀。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种生产涡轮机叶轮的简单经济的方法，从而克服至少一部分上述提到的问题。

另一个目的是制造具有更好技术规范的叶轮和安装该叶轮的涡轮机部分。

一个特定目的也是使用特定涂层以消除某些上述缺陷，并同时制造具有比现用产品更好技术规范的最终产品。

在实践中，这些目的可通过权利要求1中的方法，权利要求6和8中的叶轮和涡轮机部分以及权利要求9中的用途来实现。

本发明的技术优势列在下面的权利要求中。

本发明的一个主要方面是一种制造涡轮机叶轮的方法，至少包括以下步骤：

-制造“轻”合金叶轮，

-在叶轮上涂覆至少一层镀镍涂层，

本申请全文和所附权利要求中的“涂层”意味着这样一种涂层，该涂层包括中间层或在其上添加更多的中间层；这样，涂层由许多层组成，一层叠一层，并且每一层的至少一部分渗入另一层中。

“轻”合金表示合金的基体金属具有低原子序数，例如铝，钛，镁等。

根据特定用途，本发明的一个非常合适的应用是轻合金为铝基的情况。

在该应用中，适用于本发明的镀镍是“化学镀镍”。

“化学镀镍”通常是在工艺浴池中将还原剂直接作用在需要沉积的镍离子上的过程，从而激发镍化学还原的自催化过程；该还原反应通过次磷酸钠(NaH₂PO₂×H₂O)发生。浸于工艺浴池中的机械构件可以充当催化剂。沉积可在任何材料(即使不是导电体)上完成，例如金属，玻璃，陶瓷或塑料。

特别是，考虑到工艺浴池中的主要试剂，可以确定以下的化学关系式：

(1)H₂PO_2-+H₂O→H₂PO_3-+H₂

(2)Ni₂₊+H₂PO_2-+H₂O→Ni+H₂PO_3-+2H+

次磷酸盐离子在水溶液中催化氧化变成亚磷酸盐离子并释放气态氢，与此同时，镍阳离子被水中的次磷酸盐离子催化还原为金属镍，并伴随着次磷酸盐离子被氧化成亚磷酸盐离子，同时释放出氢离子。镍在这两个反应中均作为催化剂，该过程是“自触发”。

根据特定应用，工艺浴池可包括更多的元素或物质，例如，有机螯合剂，缓冲溶液，激发剂，稳定剂，PH调节剂或润湿剂，以便获得酸浴或碱浴，或氟化物基或氨基浴，或其它。

该程序使得生产的镍涂层具有恒定厚度(避免沉积后需要修正)，而与该构件的几何形状无关，从而避免电解步骤中的典型缺陷。

在该发明的非常方便的应用中，其涂层保护轻合金叶轮，铝合金叶轮等使其不被侵蚀。在该情况中，该镀镍应用于涡轮机部分中所用的叶轮上，该涡轮机部分包含可导致侵蚀现象的高风险工艺流体，例如其中悬浮有液体或固体颗粒的气体。

本发明可用于工业应用，例如天然气和石油的抽出位置，因为从井中涌出的气体中可能含有液体或固体颗粒。

化学镀镍的用于轻合金叶轮、特别是铝基叶轮的另一个好处是，但非排它性的是，由于基体材料上粘附有涂层，其硬度和耐磨性都很突出；还可通过进一步处理提高涂层部分的硬度(例如，热退火或其它)，这可以提高构件抵抗侵蚀的能力。

根据另一个方面，本发明可被看作轻合金涡轮机叶轮的制造，其上涂覆至少一层保护性镍涂层，优选化学镀镍涂层。

本发明的另一个方面是关于涡轮机部分，该涡轮机部分上装配了至少一个上述相同类型的叶轮。

本发明的另一个方面是关于上述涂层的用途，用于保护涡轮机部分的轻合金叶轮，特别是铝基(但并非必须是铝基)叶轮至少部分地不被侵蚀。

本发明实施方法的一个优点是，可以通过简单和成本高效的方法将保护涂层用于涂覆轻合金机械构件，使其能有效地安装在涡轮机部分中，特别是过程中涉及的流体是高度侵蚀性的时候。

另一个优点是涂层可被容易地涂覆在复杂表面的构件上，例如，离心压缩机或膨胀器的三维叶轮。

另一个优点是生产轻合金离心式叶轮，其明显降低了构件的重量，降低了机械应力和机床转子的振动。减轻重量产生的另一个优点是增加涡轮机的级数目和/或增加转速。

另一个优点是成本和生产时间非常低，从而大大提高生产力。

另一个优点是制造质量提高，这是因为镍的沉积易于控制，非常平均，产生均匀的厚度。

另一个优点是该方法用途很广，其可通过自动化控制与部分制造工作一起完成，例如涂漆或其它。

另一个优点是很容易获得在项目中研究的具有理论流体动力学的最终构件，最终考虑了总比表面积增加系数。

最后，上述发明允许用轻合金，特别是铝基合金，制造离心压缩机或膨胀器的叶轮，并具有上面列出的优点。本发明进一步的合适性能和制造方法在所附权利要求中列出，并在可能应用的一些实施例中进一步如下说明。

附图说明

本领域的技术人员根据附图能够很容易了解本发明的许多目的和优点，但附图所示为实际的非限制性实施例。

在图中：

图1表示本发明的方法制备的保护涂层的示意性剖面，并非按比例绘制；

图2表示根据本发明的方法制造的具有保护性涂层的机械构件的剖视图；

图3表示涡轮机部分的示意性剖面，其中安装有本发明描述的机械构件；

图4表示一组试样的一些侵蚀试验的结果图，其中根据本发明所述方法涂覆涂层的试样，以及作为对比的商业用合金试样。

具体实施方式

在图中，(其中相同数字对应相同部分)，如本发明所指出的(参见图1)，涂层1通过化学镀镍涂覆在离心式叶轮3的被处理表面3S上，该叶轮由轻合金制成。

叶轮可以为各种类型，例如向心型，混流型或其它。图2表示离心压缩机的离心式叶轮3的部分截面，并非按比例绘制，叶轮3表面按照本发明涂覆有上述的涂层1，并安装在轴5上；请注意，叶轮3的表面3S既包括外表面也包括内表面(内部通道)，但不包括用于安装在轴5上的孔3F。特别是，图中的叶轮3是三维封闭式叶轮。很明显，该叶轮可以为任何其它类型，例如，开放三维叶轮，或封闭二维叶轮，或开放二维叶轮，或任何其它类型。需要注意的是，图1和2并非按比例绘制，涂层1的厚度也仅是用于说明书目的。

图3示意性描绘了一个普通的离心压缩机10，其中包括定子盒12，其中的轴5可自由转动；轴置于一组轴承上，其提供了支柱14，一系列离心式叶轮3安装在轴承上。叶轮已涂覆涂层1，它们每一个分别安装在压缩机10的每一级上。在盒子中，定子通道被切开16，工艺流体达到第一个叶轮的出口，通向第二级，等等，直到流体流出压缩机10。

请注意的是，压缩机仅是示例，本发明还可被用于其它类型的离心式压缩机，或其它离心涡轮机，例如泵，或膨胀器，或其它类型的设备。涂覆保护涂层1时，该方法方便地建议将叶轮3浸入包含试剂水溶液的工艺浴池中。

化学浴中至少含有以下试剂：镍盐，与水溶液混合的次磷酸钠还原剂。反应在叶轮浸入浴池中的瞬间触发，开始在叶轮3上覆盖薄的镍基涂层1。

可通过调节叶轮在浴池中的时间，控制涂层的厚度(一旦沉积速度已知)，优选50-100μm或更多。

依赖于特定应用，可在镍基涂层上涂覆更多的涂层，例如油漆或树脂，或其它相似的产品。

依赖于特定应用，还可在化学浴池中加入特定元素或物质，例如碳化钨，DLC，碳化铬，乳酸或其它。可通过以下预处理步骤处理叶轮3表面，例如喷丸以减少应力和提高材料的应力抗力；通过溶剂，或去垢剂，或蒸汽，或浸入构件对叶轮进行化学降解处理；掩盖不需涂覆的表面，例如安装轴的孔，或其它处理。

本发明最方便的应用中，制备机械构件3的轻合金是铝基合金。

作为例子，下表列出了铝合金7175-T74和7050-T7452的成分(依据国际标准ASTM B 247M)，其可用于制备构件3；显然，这只是个示例，轻合金的技术规范允许可使用不同的成分和含量。

成分(ASTM B 247M)	最小含量％	最大含量％
			铝Al	87.82	91.42
铬Cr	0.18	0.28
			铜Cu	1.20	2.00
铁Fe		0.20
			镁Mg	2.10	2.90
锰Mn		0.30
			硅Si		0.10
钛Ti		0.10
			锌Zn	5.10	6.10
其它(每种)		0.05
			其它(总共)		0.15
	铝合金7175-T74

成分(ASTM B 247M)	最小含量％	最大含量％
			铝Al	余量	余量
铬Cr	-	0.04
			铜Cu	2.00	2.60
铁Fe	-	0.15
			镁Mg	1.90	2.60

锰Mn	-	0.10
			硅Si	-	0.12
钛Ti	-	0.06
			锌Zn	5.70	6.70
其它(每种)	-	0.05
				铝合金7050-T7452

图4表示依据标准ASTM D968-93对一些试样进行侵蚀试验的结果的说明性图表，其中：X轴表示使用的以升为单位的沙子量，Y轴表示被侵蚀的试样的厚度，基于归一化值(其中100％表示试验中得到的最大侵蚀值)。

特别是，线4A表示没有涂层的钢基合金试样的试验结果；线4B表示根据本发明涂覆涂层的铝基合金的试样；线4C表示具有通常用于涂覆铝的硬质阳极氧化涂层的铝基合金试样；第四线4D表示没有涂层的铝基合金试样。

需要注意的是，无涂层的铝基合金试样的图线表示出其对于固体颗粒的耐侵蚀系数明显低于钢基合金；同样注意的，按本发明施加涂层后，可以使铝具有接近钢的耐侵蚀性能，并且明显比铝上的硬质阳极氧化涂层具有更高的硬度。

以上实例仅为了说明，但并非以任何方式限制本发明，其形式和方法可在基于本发明的基础上变化。所附权利要求中的引用数字仅仅是为了在涉及前文和附图时便于理解，而非以任何方式限制其保护范围。

Claims (9)

1.一种制造涡轮机叶轮的方法，其特征在于，所述方法至少包括以下过程：

-用轻合金制造所述叶轮；

-在所述叶轮上涂覆至少一层镀镍涂层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镀镍通过化学镀镍进行。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述镀镍至少包括以下步骤：将所述叶轮浸入工艺浴池中，该工艺浴池至少含有水溶液中的次磷酸钠离子。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于需要使用所述叶轮的特定应用，加入更多的元素，例如，有机螯合剂，缓冲溶液，激发剂，稳定剂，PH调节剂或润湿剂。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所使用的所述轻合金是铝或钛或镁，或任何轻金属。

6.一种用于涡轮机部分的叶轮，其特征在于，所述叶轮由轻合金制成，并且所述叶轮上涂覆有至少一层根据上述权利要求中任一项所形成的涂层。

7.根据权利要求6所述的叶轮，其特征在于，所述叶轮与涡轮机部分相关联，该涡轮机部分由于工艺流体，例如含有液体或固体颗粒的气体而工作，该工艺流体引发侵蚀现象。

8.一涡轮机部分，其特征在于，它包括至少一个如权利要求6或7所述的离心式叶轮。

9.化学镍涂层在至少部分地保护涡轮机叶轮方面的用途；所述叶轮由轻合金制成，所述轻合金例如是铝或钛或镁或任何其它轻金属基合金。

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