CN104385703A - 一种叶片表面修复的复合梯度涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种叶片表面修复的复合梯度涂层及其制备方法，包括经真空钎涂的底层和面层；且底层形成于待修复叶片表面，面层形成于底层表面；其中，所述底层的材料包括NiCrBSi镍基自熔合金属粉末；面层的材料包括NiCrMoRE镍基复合金属粉末。将NiCrBSi镍基自熔合金属粉末和粘合剂混合，形成底层料浆，然后将NiCrMoRE镍基复合金属粉末和粘合剂混合，形成面层料浆，将底层料浆涂敷于待修复叶片上，使叶片上的凹坑填平形成底层，干燥后在底层上涂敷面层料浆，并干燥，最后真空钎涂，得到复合梯度涂层。本发明不仅可以恢复损伤叶片的外形尺寸，还可获得高结合强度的耐磨、耐蚀和抗疲劳功能涂层。

Description

一种叶片表面修复的复合梯度涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于叶片再制造领域，具体涉及一种叶片表面修复的复合梯度涂层及其制备方法。
背景技术
钢铁冶炼厂高炉尾气余热余压回收发电透平装置关键部件叶片，其基体材料为不锈钢，经过锻压、热处理、机械加工成形。因叶片长期处于高炉尾气中工作，通常情况下要经受高温高压气流作用，其中含有水蒸气、氧化性和腐蚀性介质，以及固体粉尘颗粒，高炉尾气呈紊流多角度(0～90°)剧烈地冲击叶片，另外叶片受到高频率的振动及扭矩，在这些因素的共同作用下，叶片表面出现裂纹、锈蚀、表层剥落和凹坑，甚至叶片断裂。
对早期失效叶片的修复，现有的方法主要有热喷涂、堆焊、激光熔覆及等，这些方法各自具有特点。
如热喷涂涂层呈层状结构，存在着一定量的氧化物夹杂、气孔、裂纹，结合力较差。堆焊法用于较厚的堆焊层,但受热不均匀，易产生组织应力及热应力，不同程度地存在氧化，烧损和裂纹等问题，并且从工艺上很难以控制。
目前研究最多的是激光熔覆。在激光熔覆过程中，涂层因急剧加热并急剧冷却易产生的热应力易导致裂纹和涂层剥落。另外，对于大面积激光重熔时，由于激光光斑面积小，必须采用多次搭接技术或大面积光斑技术。多次搭接时，每个相邻扫描带存在一个重合区，因此各区域显微硬度值是波动的；从金相组织上看，搭接涂层在整体上呈波浪形变化。对大面积光斑技术而言，当输出功率一定时，光斑面积越大，功率密度越低；增大光束直径，就会削弱激光的高能密度和超快速加热优势。如叶片采用激光熔覆方法来修复，从生产效率、成本分析对企业也是难以接受的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种叶片表面修复的复合梯度涂层及其制备方法，该复合梯度涂层能够与基体材料热性能匹配，并能满足基材热处理要求，具有高结合强度、耐磨、耐蚀及抗疲劳，其制备方法工艺参数精确可控，质量批次稳定，特别适用批量生产。
为了达到上述目的，本发明叶片表面修复的复合梯度涂层，包括经真空钎涂的底层和面层；且底层形成于待修复叶片表面，面层形成于底层表面；其中，所述底层的材料包括NiCrBSi镍基自熔合金属粉末；面层的材料包括NiCrMoRE镍基复合金属粉末。
所述的NiCrBSi镍基自熔合金属粉末以重量百分比计，包括60％～80％的Ni，7％～17％的Cr，0.2％～1.1％的C，1.5％～4.0％的B，2.0％～5.0％的Si，≤5％的Fe，总重量百分比为100％。
所述的NiCrMoRE镍基复合金属粉末，按重量百分比计，包括60％～80％的Ni，7％～18.5％的Cr，0.5％～3.0％的Cu，1.0％～3.0％的Mo，0.2％～1.0％的Nb，0.2％～0.5％的C，1.5％～3.8％的B，2.0％～4.5％的Si，≤5％的Fe，0.25％～0.5％的RE，总重量百分比为100％。
所述的NiCrBSi镍基自熔合金属粉末和NiCrMoRE镍基复合金属粉末的粒度均为150～300目。
一种所述的叶片表面修复的复合梯度涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)对待修复叶片表面进行清洗、除油除锈；
2)向NiCrBSi镍基自熔合金属粉末中加入粘合剂，搅拌成底层料浆；然后将底层料浆涂敷在待修复叶片表面的凹坑型面上，填平凹坑，形成底层料浆覆层，接着烘干并修型，在待修复叶片表面上得到底层；
3)向NiCrMoRE镍基复合金属粉末中加入粘合剂，搅拌成面层料浆；然后将面层料浆涂敷于底层表面，得到面层料浆覆层，接着烘干并修型，在底层表面得到面层；
4)将涂敷好底层和面层的叶片进行真空钎涂，然后转移至冷室进行冷却。
5)整修型面，得到叶片表面修复的复合梯度涂层。
所述的底层料浆和面层料浆中粘合剂的质量分数均为3％～10％。
所述的粘结剂包括聚乙烯醇缩丁醛、聚甲基丙烯酸甲酯或松节油。
所述的步骤1)中底层料浆覆层的厚度为100～150μm，步骤2)中面层料浆覆层的厚度为200～300μm。
所述的步骤1)和步骤2)中底层料浆覆层和面层料浆覆层烘干温度为80～160℃，烘干时间为1～3h。
所述的步骤3)中真空钎涂的工艺参数如下：真空度为1～0.01Pa，升温速率为5～10℃/min，加热温度为1050～1080℃，保温时间为5～15min。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明根据叶片服役工况，针对叶片失效特征，提供一种与基体材料热性能匹配，并能满足基材热处理规范的具有高结合强度、耐磨、耐蚀及抗疲劳的复合梯度涂层。该复合梯度涂层采用真空钎涂技术制备而成，因在真空状态下进行钎涂，涂层中的低熔点合金熔化后对待修复件的表面、孔隙及裂纹浸润性、铺展性、填缝能力更强，在毛细作用下渗透到缝隙中，因此，本发明能够使待修复叶片表明的凹坑、孔隙、微裂纹愈合。涂层与基体界面通过元素互扩散形成冶金结合，使涂层的结合强度大大提高。本发明所采用的真空钎涂是在真空炉中整体加热，采用的温度较低且均匀，获得的涂层及基体组织均匀，热应力小，涂层不易产生变形或开裂，有效阻止了腐蚀介质的传输通道，从而提高抗蚀能力。真空钎涂工艺参数精确可控，质量批次稳定，特别适用批量生产，这些优点是其它修复方法所无法比拟的。
附图说明
图1是本发明复合梯度涂层的显微结构SEM图；其中，A为基体，B为复合梯度涂层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
参见图1，本发明为恢复失效叶片尺寸并提高其性能，主要根据叶片服役工况，针对叶片失效特征，提供一种与基体材料热性能匹配，并能满足基材热处理规范的具有高结合强度、耐磨、耐蚀及抗疲劳的叶片表面修复的复合梯度涂层及其制备方法。
本发明叶片表面修复的复合梯度涂层，是以待修复叶片为基体，包括经真空熔覆处理的底层和面层；底层形成于待修复叶片表面，面层形成于底层表面；
其中，所述底层的材料包括NiCrBSi镍基自熔合金属粉末，粒度150～300目；以重量百分比计，包括60％～80％的Ni，7％～17％的Cr，0.2％～1.1％的C，1.5％～4.0％的B，2.0％～5.0％的Si，≤5％的Fe，总重量百分比为100％。进一步，以重量百分比计，包括68％～80％的Ni，7％～17％的Cr，0.2％～1.1％的C，1.5％～4.0％的B，2.0％～5.0％的Si，1％～5％的Fe，总重量百分比为100％。
面层的材料包括NiCrMoRE镍基复合金属粉末，粒度150～300目；按重量百分比计，包括60％～80％的Ni，7％～18.5％的Cr，0.5％～3.0％的Cu，1.0％～3.0％的Mo，0.2％～1.0％的Nb，0.2％～0.5％的C，1.5％～3.8％的B，2.0％～4.5％的Si，≤5％的Fe，0.25％～0.5％的RE，总重量百分比为100％；其中，RE为稀土元素，如铈(Ce)或钇(Y)，但不仅限于此。进一步，NiCrMoRE镍基复合金属粉末按重量百分比计，包括61％～80％的Ni，7％～18.5％的Cr，0.5％～3.0％的Cu，1.0％～3.0％的Mo，0.2％～1.0％的Nb，0.2％～0.5％的C，1.5％～3.8％的B，2.0％～4.5％的Si，1％～5％的Fe，0.25％～0.5％的RE，总重量百分比为100％。
本发明叶片表面修复的复合梯度涂层的制备方法包括如下步骤：
1)对待修复叶片表面进行清洗、除油除锈；
2)向NiCrBSi镍基自熔合金属粉末中加入粘合剂，搅拌成底层料浆；然后将底层料浆涂敷在待修复叶片表面的凹坑型面上，填平凹坑，形成厚度为100～150μm的底层料浆覆层，接着在烘箱中于80～160℃烘干1～3h，出炉空冷并修型，在待修复叶片表面上得到底层；其中，底层料浆中粘合剂的质量分数均为3％～10％；粘结剂包括聚乙烯醇缩丁醛、聚甲基丙烯酸甲酯或松节油；
3)向NiCrMoRE镍基复合金属粉末中加入粘合剂，搅拌成面层料浆；然后将面层料浆涂敷于底层表面，得到厚度为200～300μm的面层料浆覆层，接着在烘箱中于80～160℃烘干1～3h，出炉空冷并修型，在底层表面得到面层；其中，面层料浆中粘合剂的质量分数均为3％～10％；粘结剂包括聚乙烯醇缩丁醛、聚甲基丙烯酸甲酯或松节油；
4)将涂敷好底层和面层的叶片进行真空钎涂，然后转移至冷室进行冷却。其中，真空钎涂的工艺参数为：真空度为1～0.01Pa，升温速率为5～10℃/min，加热温度为1050～1080℃，保温时间为5～15min。
5)整修型面，得到叶片表面修复的复合梯度涂层。
由图1可以看出，本发明在基体A上制备出了复合梯度涂层。
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
本实施例叶片表面修复的复合梯度涂层，是以待修复叶片为基体，包括经真空钎涂处理的底层和面层；底层形成于待修复叶片表面，面层形成于底层表面；
其中，所述底层的材料包括NiCrBSi镍基自熔合金属粉末，粒度150～300目；以重量百分比计，包括70％的Ni，15％的Cr，1％的C，4.0％的B，5.0％的Si，5％的Fe，总重量百分比为100％。
面层的材料包括NiCrMoRE镍基复合金属粉末，粒度150～300目；按重量百分比计，包括65％的Ni，15％的Cr，3.0％的Cu，3.0％的Mo，1.0％的Nb，0.5％的C，3.5％的B，4.5％的Si，4％的Fe，0.5％的Ce，总重量百分比为100％。
本实施例叶片表面修复的复合梯度涂层的制备方法包括如下步骤：
1)对待修复叶片表面进行清洗、除油除锈；
2)向NiCrBSi镍基自熔合金属粉末中加入乙烯醇缩丁醛，搅拌成底层料浆；然后将底层料浆涂敷在待修复叶片表面的凹坑型面上，填平凹坑，形成厚度为100μm的底层料浆覆层，接着在烘箱中于80℃烘干3h，出炉空冷并修型，在待修复叶片表面上得到底层；其中，底层料浆中乙烯醇缩丁醛的质量分数均为7％；
3)向NiCrMoRE镍基复合金属粉末中加入聚乙烯醇缩丁醛，搅拌成面层料浆；然后将面层料浆涂敷于底层表面，得到厚度为300μm的面层料浆覆层，接着在烘箱中于160℃烘干1h，出炉空冷并修型，在底层表面得到面层；其中，面层料浆中聚乙烯醇缩丁醛的质量分数均为10％；
4)将涂敷好底层和面层的叶片进行真空钎涂，然后转移至冷室进行冷却。其中，真空钎涂的工艺参数为：真空度为1Pa，升温速率为10℃/min，加热温度为1080℃，保温时间为5min。
5)整修型面，得到叶片表面修复的复合梯度涂层。
实施例2：
本实施例叶片表面修复的复合梯度涂层，是以待修复叶片为基体，包括经真空熔覆处理的底层和面层；底层形成于待修复叶片表面，面层形成于底层表面；
其中，所述底层的材料包括NiCrBSi镍基自熔合金属粉末，粒度150～300目；以重量百分比计，包括68％的Ni，17％的Cr，1.1％的C，3.9％的B，5.0％的Si，5％的Fe，总重量百分比为100％。
面层的材料包括NiCrMoRE镍基复合金属粉末，粒度150～300目；按重量百分比计，包括61％的Ni，18.5％的Cr，3.0％的Cu，3.0％的Mo，1.0％的Nb，0.5％的C，3％的B，4.5％的Si，5％的Fe，0.5％的Ce，总重量百分比为100％。
本实施例叶片表面修复的复合梯度涂层的制备方法包括如下步骤：
1)对待修复叶片表面进行清洗、除油除锈；
2)向NiCrBSi镍基自熔合金属粉末中加入聚甲基丙烯酸甲酯，搅拌成底层料浆；然后将底层料浆涂敷在待修复叶片表面的凹坑型面上，填平凹坑，形成厚度为150μm的底层料浆覆层，接着在烘箱中于160℃烘干1h，出炉空冷并修型，在待修复叶片表面上得到底层；其中，底层料浆中聚甲基丙烯酸甲酯的质量分数均为3％；
3)向NiCrMoRE镍基复合金属粉末中加入聚甲基丙烯酸甲酯，搅拌成面层料浆；然后将面层料浆涂敷于底层表面，得到厚度为200μm的面层料浆覆层，接着在烘箱中于80℃烘干3h，出炉空冷并修型，在底层表面得到面层；其中，面层料浆中聚甲基丙烯酸甲酯的质量分数均为6％；
4)将涂敷好底层和面层的叶片进行真空钎涂，然后转移至冷室进行冷却。其中，真空钎涂的工艺参数为：真空度为0.01Pa，升温速率为5℃/min，加热温度为1050℃，保温时间为15min。
5)整修型面，得到叶片表面修复的复合梯度涂层。
实施例3：
本实施例叶片表面修复的复合梯度涂层，是以待修复叶片为基体，包括经真空熔覆处理的底层和面层；底层形成于待修复叶片表面，面层形成于底层表面；
其中，所述底层的材料包括NiCrBSi镍基自熔合金属粉末，粒度150～300目；以重量百分比计，包括80％的Ni，10％的Cr，0.5％的C，2.5％的B，2.0％的Si，5％的Fe，总重量百分比为100％。
面层的材料包括NiCrMoRE镍基复合金属粉末，粒度150～300目；按重量百分比计，包括80％的Ni，10％的Cr，2.0％的Cu，2.0％的Mo，1.0％的Nb，0.25％的C，1.5％的B，2％的Si，1％的Fe，0.25％的Y，总重量百分比为100％。
本实施例叶片表面修复的复合梯度涂层的制备方法包括如下步骤：
1)对待修复叶片表面进行清洗、除油除锈；
2)向NiCrBSi镍基自熔合金属粉末中加入松香/松节油饱和液，搅拌成底层料浆；然后将底层料浆涂敷在待修复叶片表面的凹坑型面上，填平凹坑，形成厚度为120μm的底层料浆覆层，接着在烘箱中于100℃烘干2h，出炉空冷并修型，在待修复叶片表面上得到底层；其中，底层料浆中松香/松节油饱和液的质量分数均为3％；
3)向NiCrMoRE镍基复合金属粉末中加入松香/松节油饱和液，搅拌成面层料浆；然后将面层料浆涂敷于底层表面，得到厚度为250μm的面层料浆覆层，接着在烘箱中于90℃烘干2h，出炉空冷并修型，在底层表面得到面层；其中，面层料浆中松节油的质量分数均为10％；
4)将涂敷好底层和面层的叶片进行真空钎涂，然后转移至冷室进行冷却。其中，真空钎涂的工艺参数为：真空度为0.05Pa，升温速率为7℃/min，加热温度为1070℃，保温时间为10min。
5)整修型面，得到叶片表面修复的复合梯度涂层。
实施例4：
本实施例中除了采用的NiCrBSi镍基自熔合金属粉末和NiCrMoRE镍基复合金属粉末与实施3不同外，其他相同。
本实施例中的NiCrBSi镍基自熔合金属粉末以重量百分比计，包括78％的Ni，7％的Cr，15％的C，4％的B，5％的Si，5％的Fe，总重量百分比为100％；
面层的材料包括NiCrMoRE镍基复合金属粉末，粒度150～300目；按重量百分比计，包括80％的Ni，7％的Cr，3.0％的Cu，3.0％的Mo，0.2％的Nb，0.3％的C，1.5％的B，2％的Si，2.6％的Fe，0.4％的Y，总重量百分比为100％。
实施例5：
本实施例中除了采用的NiCrBSi镍基自熔合金属粉末和NiCrMoRE镍基复合金属粉末与实施3不同外，其他相同。
本实施例中的NiCrBSi镍基自熔合金属粉末以重量百分比计，包括75％的Ni，15％的Cr，0.2％的C，1.5％的B，4.8％的Si，3.5％的Fe，总重量百分比为100％；
面层的材料包括NiCrMoRE镍基复合金属粉末，粒度150～300目；按重量百分比计，包括70％的Ni，18％的Cr，0.5％的Cu，1％的Mo，0.5％的Nb，0.2％的C，3.8％的B，4％的Si，1.5％的Fe，0.5％的Y，总重量百分比为100％。
实施例6：
本实施例中除了采用的NiCrBSi镍基自熔合金属粉末和NiCrMoRE镍基复合金属粉末与实施3不同外，其他相同。
本实施例中的本实施例中的NiCrBSi镍基自熔合金属粉末以重量百分比计，包括80％的Ni，10％的Cr，1％的C，4％的B，4％的Si，1％的Fe，总重量百分比为100％；
面层的材料包括NiCrMoRE镍基复合金属粉末，粒度150～300目；按重量百分比计，包括75％的Ni，15％的Cr，1％的Cu，2％的Mo，1％的Nb，0.5％的C，1.5％的B，2％的Si，2.5％的Fe，0.5％的Y，总重量百分比为100％。
表1为实施例1-6涂层与基体结合强度及在30°攻角下涂层的冲蚀量：
表1

Claims (6)

1.一种叶片表面修复的复合梯度涂层，其特征在于：包括经真空钎涂的底层和面层；且底层形成于待修复叶片表面，面层形成于底层表面；其中，所述底层的材料包括NiCrBSi镍基自熔合金属粉末；面层的材料包括NiCrMoRE镍基复合金属粉末。
2.根据权利要求1所述的叶片表面修复的复合梯度涂层，其特征在于：所述的NiCrBSi镍基自熔合金属粉末以重量百分比计，包括60％～80％的Ni，7％～17％的Cr，0.2％～1.1％的C，1.5％～4.0％的B，2.0％～5.0％的Si，≤5％的Fe，总重量百分比为100％。
3.根据权利要求1所述的叶片表面修复的复合梯度涂层，其特征在于：所述的NiCrMoRE镍基复合金属粉末，按重量百分比计，包括60％～80％的Ni，7％～18.5％的Cr，0.5％～3.0％的Cu，1.0％～3.0％的Mo，0.2％～1.0％的Nb，0.2％～0.5％的C，1.5％～3.8％的B，2.0％～4.5％的Si，≤5％的Fe，0.25％～0.5％的RE，总重量百分比为100％。
4.根据权利要求1所述的叶片表面修复的复合梯度涂层，其特征在于：所述的NiCrBSi镍基自熔合金属粉末和NiCrMoRE镍基复合金属粉末的粒度均为150～300目。
5.一种如权利要求1-4中任意一项权利要求所述的叶片表面修复的复合梯度涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)向NiCrBSi镍基自熔合金属粉末中加入粘合剂，搅拌成底层料浆；然后将底层料浆涂敷在待修复叶片表面的凹坑型面上，填平凹坑，形成底层料浆覆层，接着烘干并修型，在待修复叶片表面上得到底层；
2)向NiCrMoRE镍基复合金属粉末中加入粘合剂，搅拌成面层料浆；然后将面层料浆涂敷于底层表面，得到面层料浆覆层，接着烘干并修型，在底层表面得到面层；
3)将涂敷好底层和面层的叶片进行真空钎涂，然后转移至冷室进行冷却，整修型面，得到叶片表面修复的复合梯度涂层。
6.根据权利要求5所述的叶片表面修复的复合梯度涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤3)中真空钎涂的工艺参数如下：真空度为1～0.01Pa，升温速率为5～10℃/min，加热温度为1050～1080℃，保温时间为5～15min。
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