CN102021559B

CN102021559B - 用于汽轮机末级叶片激光熔覆的钴基合金粉末

Info

Publication number: CN102021559B
Application number: CN2009101872923A
Authority: CN
Inventors: 陈常义; 陈江
Original assignee: DALU LASER TECHNOLOGY Co Ltd SHENYANG
Current assignee: Chengdu continental Laser Technology Co., Ltd.
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2029-09-09
Also published as: CN102021559A

Abstract

用于汽轮机末级叶片激光熔覆的钴基合金粉末，其组成包括有Cr、W、Co、Zr、Hf，其特点是还包括有Ni、Mn、Si、C，其中各组分的质量百分数为：C：0.4～0.9％；Cr：24～30％；W：6～10％；Ni：8～14％；Mn：0.3～0.8％；Si：0.5～1.0％；Zr：0.02～0.06％；Hf：0.25～0.5％；Co：余量。本发明通过激光熔覆的加工方式熔覆在失效的汽轮机末级叶片上，形成硬度较高、抗氧化、耐腐蚀、耐冲刷磨损、具有较高强度且熔覆性能优越的钴基合金覆层，从而解决了汽轮机末级叶片修复的技术难题。

Description

用于汽轮机末级叶片激光熔覆的钴基合金粉末

技术领域：

本发明涉及一种适合于激光熔覆的合金粉末材料，特别是涉及一种用于汽轮机末级叶片激光熔覆的钴基合金粉末，属于国际专利分类表中的C23C24/10(2006.01)I技术领域。

背景技术：

叶片是汽轮机最精细、最重要的零件之一，汽轮机叶片的安全可靠运行状况对机组的安全可靠起决定性的影响，直接关系到汽轮机和整个电厂的安全、满发。由于种种原因汽轮机叶片，特别是末级叶片不可避免地存在出汽边水冲蚀损伤，外来硬质异物击伤和固体粒子侵蚀等现象，导致叶片发生断裂、结垢、汽蚀及其它失效损伤，进而引起机组振动、通流部分动、静摩擦，同时损失效率；若没有及时发现或及时处理，将引起事故扩大，可能导致整台机组毁坏，其经济损失巨大。

汽轮机的末级叶片是电厂汽轮机组的最末级叶片，是长度最长、重量最大的一组。汽轮机的工作介质是水蒸汽，当气流流到末级叶片时，水蒸汽中已含有一定量的液体水珠，这些水珠就会对高速旋转的末级叶片造成冲刷，使汽轮机末级叶片的强度、平衡状态、工作效率和寿命等受到很大影响。鉴于汽轮机末级叶片长度最长、重量最重、所受的离心力最大，就需要汽轮机末级叶片整体必须要有较好的耐冲刷性能、良好的持久强度和较好的抗热疲劳及断裂性能。

对于失效的末级叶片，厂家只能选择更换或修复的办法，使其尽快恢复使用功能。更换叶片既大幅增加成本，又耗时费力。汽轮机叶片表面缺陷的传统修复方法有真空钎焊、真空涂层法、钨极惰性气体保护(TIG)焊和等离子体熔覆修复等方法。但这些方法在修复过程中热输入量较大，热影响区极易出现热裂纹，TIG焊修复过程中引起的收缩变形使叶片的安装精度难以保证，这些修复叶片的方法均具有很大的局限性，操作风险极大，不易成功。

激光熔覆是近年来新兴的高科技加工技术，作为一种先进的再制造技术，随着激光器功率和稳定性的不断提高，得到了迅速推广和广泛应用。

激光熔覆是在金属表面获得与基体牢固冶金结合，且无气孔、裂纹等缺陷的高性能表面覆层的先进再制造技术，它可以将高熔点的合金材料熔覆在低熔点的基材表面，也可以在低成本基材上制备出高性能的表面涂层，以取代大量高级、高性能的整体材料，节约贵重金属，降低零部件成本。

激光熔覆技术解决了振动焊、氩弧焊、喷涂、镀层等传统修理方法无法解决的材料选用局限性、工艺过程热应力、热变形、材料晶粒粗大、基体材料结合强度难以保证的矛盾，为产品再制造和失效零部件的修复提供了一种新的途径。

采用激光熔覆再制造技术，选择适当的耐氧化腐蚀耐磨损钴基合金粉末，就可以对失效的末级叶片进行成功修复，使其恢复并提高使用功能，然而，关键问题是能否寻求或提供出激光熔覆所需要的合适的合金粉末材料。

目前，国内外市场上没有激光熔覆专用的合金粉末材料出售，多数是采用热喷涂或喷焊用的金属粉末，或是在现有金属粉末基础上按不同成分配比、采取机械混粉方式制备激光熔覆所需的合金粉末材料。

近年来人们在研究利用激光熔覆技术进行设备部件修复所需的合金粉末材料方面取得了一些进展，例如，

公开号为CN1854317的中国发明专利申请给出的《一种移动式激光熔覆现场加工合金粉末材料》，该合金粉末材料利用以下元素成分强化镍基合金：Cr、W、Mo、Al、Ti、Co，还可以添加Co、C、N、Nb、Cu、B、Si和微量稀土元素，其中，稀土元素可以是Ce、Y、Hf。

公开号为CN101381868的中国发明专利申请给出的《一种激光熔覆用高硬度不锈钢合金粉末及制备工艺》，该合金粉末各成份重量百分比为：C：0.5-0.8％；Cr：18-24％；Ni：11-17％；B：2.0-5.5％；Si：2.0-6.0％；Mo：4-9％；CeO₂：1-5％；Fe余量。合金粉末的制备工艺包括：配料、熔炼、造渣与脱氧、雾化制粉、粉末收集与成分检测、筛分六个步骤。

公开号为CN101381869的中国发明专利申请给出的《激光熔覆高硬无裂铁基合金专用合金粉末》，该专用合金粉末的配方，重量百分含量：碳(C)：0.3-0.5；硅(Si)：1.2-2.0；硼(B)：0.4-1.0；镍(Ni)：1.5-2.5；铬(Cr)：1.0-1.5；锰(Mn)：1.0-1.5；钼(Mo)：1.5-2.5；钒(V)：0.15-0.7；铌(Nb)：0.15-0.7余量为铁(Fe)，其重量之和为100％。

公开号为CN101187022的中国发明专利申请给出的《一种激光熔覆导电辊用钴基合金粉末》，该合金粉末的化学成分的重量百分比为：Cr：24～30％；W：6～10％；Mo：3～6％；Ni：6～12％；Fe：2～10％；Mn：0.5～2％；Si：0.2～2％；V：0.1～0.6％；B：0.3～1.5％；C：0.5～2.5％；Y₂O₃：0～0.5％；Hf：0～0.5％；La₂O₃：0～0.5％；Ce：0～0.5％；余量为Co。

上述技术方案给出的这些用于激光熔覆的合金粉末虽能在修复特定的设备部件上取得一定的技术效果，但由于具有自身工艺特征，还不能满足和适用于其它特定基材激光熔覆的工艺要求，特别是在修复诸如汽轮机末级叶片这样的特殊设备部件上仍然存在诸如裂纹、夹杂、气孔、成分不均匀、性能不稳定等缺陷。

在像汽轮机末级叶片这种特殊设备部件上，能否采用激光熔覆工艺进行无裂纹、无气孔缺陷和均质的修复，关键在于能否配制出适合于激光熔覆的合金粉末。经本申请人检索查证：国内外尚无这方面的相关报道。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种硬度较高、抗氧化、耐腐蚀、耐冲刷磨损并具有优越熔覆性能的钴基合金粉末，使其结合激光熔覆技术，可以有效地用来修复或再制造汽轮机末级叶片。该钴基合金粉末是在现有钴铬钨高温合金粉末基础上，通过添加微量稀土元素Hf和元素Zr进行基体晶粒细化和晶界强化，特别是通过添加Ni、Si等元素进行合金基体强化并改善熔覆性能、形成适合于激光熔覆的粉末材料。该钴基合金粉末通过激光熔覆的加工方式熔覆在失效的汽轮机末级叶片上，形成硬度较高、抗氧化、耐腐蚀、耐冲刷磨损、具有较高强度且熔覆性能优越的钴基合金覆层，从而解决了汽轮机末级叶片修复的技术难题。

本发明给出的技术方案是：用于汽轮机末级叶片激光熔覆的钴基合金粉末，其组成包括有Cr、W、Co、Zr、Hf，其特点是还包括有Ni、Mn、Si、C，其中各组分的质量百分数为：

C：0.4～0.9％；Cr：24～30％；W：6～10％；Ni：8～14％；

Mn：0.3～0.8％；Si：0.5～1.0％；Zr：0.02～0.06％；Hf：0.25～0.5％；

Co：余量。

本发明通过大量的试验和创造性的工作，精选合金基体强化元素、晶粒细化晶界强化元素，并优选各组成元素的百分比含量，使合金粉末获得优越的综合性能，特别是实现了合金粉末在具有较高硬度和强度的同时，又降低了合金熔点，增加了抗氧化、耐腐蚀和耐冲刷磨损性能，从根本上解决并提高了合金粉末在熔覆层中的抗裂性、成型性、工艺稳定性和成分均匀性，满足了汽轮机末级叶片对熔覆层耐高温、耐腐蚀、耐冲刷磨损和较高强度硬度等的特殊性能要求。

本发明给出的汽轮机末级叶片激光熔覆用钴基合金粉末材料是通过真空熔炼、真空气雾化、筛选等工序精心制备的，粒度是-100+270目。

本发明给出的汽轮机末级叶片激光熔覆用钴基合金粉末，在实际熔覆操作中采用2000～5000W横流连续CO₂激光器，在汽轮机末级叶片上熔覆所述粉末材料的工艺参数是：功率：2500～3500W，焦距：300～400mm，光斑直径：3～6mm，扫描速度：240～400mm/min，置粉厚度：0.3～1.0mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.所述材料末级叶片激光熔覆用钴基合金粉末是在钴铬钨合金基础上，添加合金基体强化元素、晶粒细化和晶界强化元素，并调整各元素的百分比含量。通过多种强化手段，强化合金基体，又改进了晶界质量，使合金获得良好的综合性能。从而实现了合金在具有较高硬度和较高强度的同时，又降低了合金熔点，增加了抗氧化、耐腐蚀、耐冲刷磨损性能，从根本上解决并提高了合金粉末在激光熔覆层中的抗裂性、成型性、工艺稳定性和成分均匀性。

2.该粉末材料适用于汽轮机末级叶片激光熔覆，通过熔覆该合金粉末材料，使末级叶片不仅恢复了使用，而且提高了抗氧化、耐腐蚀、耐冲刷磨损，有效解决了失效的汽轮机末级叶片修复难题，为电力行业成功修复失效后的汽轮机末级叶片提供了一种行之有效、经济适用的便捷方法，经济效益和社会效益显著。

具体实施方式：

实例1：

用熔覆性能稳定的5000W CO₂激光器，对失效的汽轮机末级叶片(材质是2Cr13)进行激光熔覆。设计的钴基合金粉末合金元素的质量百分数是：

C：0.6％；Cr：26％；W：7％；Ni：10％；Mn：0.5％；Si：0.6％；Zr：0.03％；

Hf：0.3％；Co：余量。

其熔覆工艺参数是：功率：2500～3500W，焦距：300～400mm，光斑直径：3～6mm，扫描速度：240～400mm/min，置粉厚度：0.3～1.0mm。

实例2：

用熔覆性能稳定的5000W CO₂激光器，对失效的汽轮机末级叶片进行激光熔覆。设计的钴基合金粉末合金元素的质量百分数是：C：0.7％；Cr：28％；W：8％；Ni：11％；Mn：0.4％；Si：0.8％；Zr：0.04％；Hf：0.4％；Co：余量。

实例3：

用熔覆性能稳定的5000W CO₂激光器，对失效的汽轮机末级叶片进行激光熔覆。设计的钴基合金粉末合金元素的质量百分数是：

C：0.8％；Cr：29.5％；W：8.8％；Ni：11.6％；Mn：0.5％；Si：0.85％；Zr：0.05％；Hf：0.45％；Co：余量。

Claims

1.一种用于汽轮机末级叶片激光熔覆的钴基合金粉末，其组成包括有Cr、W、Co、Zr、Hf，其特征在于还包括有Ni、Mn、Si、C，其中各组分的质量百分数为：

C：0.6～0.8％；Cr：26～29.5％；W：7～8.8％；

Ni：10～11.6％；Mn：0.4～0.5％；Si：0.6～0.85％；

Zr：0.03～0.05％；Hf：0.3～0.45％；Co：余量。

2.根据权利要求1所述的用于汽轮机末级叶片激光熔覆的钴基合金粉末，其特征在于较好的合金粉末组成的各组分的质量百分数为：

C：0.6％；Cr：26％；W：7％；Ni：10％；Mn：0.5％；Si：0.6％；Zr：0.03％；Hf：0.3％；Co：余量。

3.根据权利要求1所述的用于汽轮机末级叶片激光熔覆的钴基合金粉末，其特征在于较好的合金粉末组成的各组分的质量百分数为：

C：0.7％；Cr：28％；W：8％；Ni：11％；Mn：0.4％；Si：0.8％；Zr：0.04％；Hf：0.4％；Co：余量。

4.根据权利要求1所述的用于汽轮机末级叶片激光熔覆的钴基合金粉末，其特征在于较好的合金粉末组成的各组分的质量百分数为：