CN107254650A - 一种风机叶片表面修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风机叶片表面修复方法，属于风机的修复技术领域。本发明的一种风机叶片表面修复方法，通过步骤叶片表面预处理→喷涂前的预热→喷涂材料准备→超音速喷涂→封孔处理，喷涂材料选择了用NiAl材料打底，能够消除耐磨工作层与叶片基层之间材料热膨胀系数不匹配的问题，以减小由工作层和叶片基层膨胀系数不匹配而引起的热应力，改善工作层与叶片基层间的力学匹配和物理相容性；工作层为WC‑12Co复合涂层或NiCr‑Cr3C2复合涂层。本发明通过优化修复步骤、多元合金涂层成分及分布，具有良好的耐冲蚀磨损性能，解决了风机叶片冲蚀磨损影响风机效率的技术问题。

Description

一种风机叶片表面修复方法
技术领域
本发明涉及风机的修复技术领域，尤其涉及一种风机叶片表面修复方法。
背景技术
磨损是金属零件失效的三种主要原因(磨损、腐蚀和疲劳)之一。它所造成的经济损失是十分巨大的，如美国1981年公布的数字，每年由于磨损而造成的损失高达1000亿美元。其中材料消耗约为200亿美元，相当于材料年产量的7％。由于材料耐磨性较差，我国大量基础零件的损失寿命普遍大幅度低于国外先进产品的水平，因此直接及间接的经济损失也是十分惊人的。仅就冶金矿山、农机、煤炭、电力、和建材五个工业部门不完全的统计，每年仅由于磨料磨损而需要补充的备件就达100万吨钢材，相当于15～20亿人民币。又如机械工业每年所用的钢材，约有一半是消耗在备件的生产上，而备件中的大部分是由于磨损寿命不高而失效的，如约40％的农机具备件是由于磨料磨损消耗的，约30％的锅炉钢管是由于腐蚀磨损失效的。叶片因高速作业，在循环热应力作用下，易发生因热疲劳而引起的热龟裂、表层剥落以及叶轮轴断裂、表面磨损等。
大型风机，是电站锅炉煤粉制造系统中输送煤粉的主要设备。而风机叶轮又是风机的“心脏”，风机叶轮在生产过程中受到煤粉的冲刷，造成磨损，当磨损积累到一定的程度，将严重影响风机的效率，引起风机震动，缩短风机的使用寿命，带来风机的频繁维修或更新，提高生产成本。目前修复风机叶轮的主要工艺方法有手工堆焊耐磨焊条粘贴陶瓷片和氧气、乙炔火焰喷等。这些方法，在一定程度上提高了风机的使用寿命，但也存在一些缺点，耐磨效果不太理想。热喷涂技术，特别是超音速喷涂技术，制备的涂层具有耐腐蚀、耐磨损的特性，是一种解决电力工业中大型风机叶轮耐腐蚀、耐磨损问题有效而经济的手段。风机输送含有5％～10％的煤粉的介质空气，在工作过程中，由于叶轮的转速高，煤粉颗粒易趋向于叶片的工作面，从而增大叶片的磨损(以冲蚀磨损为主)，因此，不但要求风机叶轮叶片表面的涂层，具有较高的结合强度，良好的耐磨性，而且，涂层与叶片基体也具有较好的结合强度。
除磨损失效外，具有涂层结构的轧辊还面临因涂层与基体结合不良而引起的剥落等失效形式。当涂层与基体存在气泡、夹渣、分层，常会在正常磨损失效之前，引发表面裂纹或表面剥落等失效。由于叶片在自身残余拉应力以及循环热应力影响下，涂层结合强度以及涂层表面成分均匀性不足引起轧辊涂层材料抗热冲击性能欠佳。有时，在实际制造轧辊过程中，涂层材料与基体结合不良时往往出现微裂纹，微裂纹在循环热应力条件下发生蔓延扩展，以致发生剥落，甚至辊身断裂。因此，涂层材料选择以及制备工艺是非常重要的影响因素。
美国Rutger大学的Sadangi等人利用“喷雾干燥→还原分解→气相碳化”工艺制备了粒度为0.6μm的Cr3C2粉末(参见R.K.Sadangi，L.E.McCandlish，B.H.Kear，P.Seegopaul.Synthesisandcharacterizationofsubmicronvanadiumandchromiumcarbidegraingrowthinhibitors.AdvancesinPowderMetallurgy&ParticularMaterials，1998：P9-P15)。其工艺过程为：首先制备含Cr的前驱体溶液，然后进行喷雾干燥，再将喷雾干燥的粉末进行热解，将热解后的产物用CH4/H2混合气体进行气相碳化。该方法存在的主要问题是工艺较复杂，并且制得的碳化铬粉末的粒度偏大，不能满足碳化铬粉末在现代工业中的应用。
经检索，中国专利申请，公开号：CN105506616A，公开日：2016.04.20，公开了一种修复受损鼓风机叶片的激光熔覆镍基合金粉末及修复方法，包括质量百分比的原料：Cr12.0～18.0％；Ni 40～47％；W 1.0～3.0％；Mo 2.0～4.0％；Fe 30.0～40.0％；Co 2.0～4.0％。修复方法包括：首先对受损鼓风机叶片进行熔覆前预处理；采用数控激光熔覆机，以氩气气氛下，采用CO2激光器为发射激光源，以及锥形粉束同轴送粉方式，将配制的混合粉体对受损鼓风机叶片进行多道搭接激光熔覆。该发明创新采用Co和Cr两种元素稳定主相，添加W和Mo提高韧性和耐冲蚀性，减少熔覆层多道搭接时开裂现象。在保证轴流风机叶轮修复质量的前提下，能有效的提高叶轮表面的抗冲刷腐蚀能力，为延长风机的使用寿命提供了一种高性能、高可靠性的熔覆粉末材料。但该发明镍基合金粉末和叶片亲和力不强，结合强度不高，很容易因应力变化而发生剥落而失效。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对现有技术中存在风机叶片冲蚀磨损影响风机效率的问题，本发明提供了一种风机叶片表面修复方法。它通过优化修复步骤、多元合金涂层成分及分布，具有良好的耐冲蚀磨损性能，并达到了提高粘结底层与风机叶片基层的结合强度的目的。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
一种风机叶片表面修复方法，步骤为：
步骤一、叶片表面预处理：
A、将叶片的磨损部位进行打磨，损坏的部分用新的材料焊接好后修磨，使得各部位均达到规定要求；
B、去除叶片表面的油污、锈渍、氧化皮焊渣颗粒；
C、用清洁剂清洗待喷涂面；
D、对所有的焊缝进行磁粉探伤处理，以确定叶片无裂纹等致命缺陷；
E、叶片进行喷涂前的粗化处理，以提高涂层附着力；
步骤二、喷涂前的预热：将叶片置于预热装置内进行预热处理，以消除待喷涂表面的水分和湿气，提高喷涂粒子与工件接触的界面温度，减少因工件热膨胀造成的涂层应力，提高涂层与基体的结合强度；
步骤三、超音速喷涂：
A、喷涂底层用NiAl材料打底后用钢丝刷去除打底层表面的浮灰粉；
B、喷涂工作层；
步骤四、封孔处理：采用刷或喷涂的方法对金属喷涂层进行封孔处理。为降低涂层孔隙，提高涂层的耐磨性、耐腐蚀性、耐冲击性，必须对金属喷涂层进行封孔处理。可以选择用空气干燥型酚醛树脂作为封孔材料，其连续工作温度在145～205℃。采用刷或喷的方法，喷涂时要用甲酮、芳香烃和无水乙醇作稀释剂进行稀释，然后在空气干燥30～60min，1～5h实现完全固化。
进一步的技术方案，步骤一的E步骤中，用24#热喷涂专用金刚砂进行粗化处理；步骤二中，预热的温度控制在80～100℃；步骤三中，用NiAl材料打底，其厚度为0.08～0.12mm，能够消除耐磨工作层与叶片基层之间材料热膨胀系数不匹配的问题，以减小由工作层和叶片基层膨胀系数不匹配而引起的热应力，改善工作层与叶片基层间的力学匹配和物理相容性；工作层为WC-12Co复合涂层，0.15～0.18mm，耐磨损、耐腐蚀性强；或NiCr-Cr3C2复合涂层，0.20～0.22mm，NiCr合金具有优异的耐热、耐腐蚀、抗高温氧化等性能，还起到粘结相的作用，Cr3C2具有较好的高温硬度和抗高温氧化性，起硬质相的作用，在涂层中还主要起到第二相粒子弥散强化的作用，能够解决叶片在冲蚀磨损的复杂工况下极易损耗、使用寿命偏低的问题。而且，NiCr-Cr3C2具有与叶片相近的线膨胀系数，从而可大大降低因热冲击而造成的涂层剥落甚至失效。
进一步的技术方案，NiAl材料中，Ni含量为93～97％，Al含量为3～7％，Al可以抑制合金层的氧化，但过高Al量会带来额外的脆性，Ni与Al发生反应，生成金属间化合物，并释放出大量热量，使粘结底层与叶片基层表面形成微冶金结合，从而提高粘结底层与叶片基层的结合强度；所述NiCr-Cr3C2复合涂层中，Cr3C2含量为70～80％，NiCr为20～30％，这两个百分比范围的NiCr粘结层与NiCr-Cr3C2金属陶瓷具有较好的互熔性，其中Cr3C2含量多为75％，NiCr为25％，后续通过耐磨性等表征方法的检测，可以证明是最佳比例。
进一步的技术方案，Cr3C2的制备方法为：
1)混合：将重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体置于蒸馏水或去离子水中，混合搅拌均匀呈流体状，加入模具中压制成型呈前驱体；压制后呈块状，以方便进行急冻；
2)急冻：将前驱体快速转入急冻空间中进行急冻，急冻的目的是在尽可能短的时间里让流体冻结，重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体搅拌均匀后迅速定位，以防止块状流体由于密度的不同而分层，造成后续冻干处理后铬源和碳源的分布不均，而造成碳化反应不均衡的不良后果；
3)冻干：将急冻好的前驱体快速转入真空冷冻干燥仓中进行冻干，冻干后的块状体只是水分子升华后形成的多微孔状蜂窝块，体积变化微小，均匀的铬源和碳源定位不会发生变化，而且，冻干过程中，重铬酸铵粉体在低温下干燥过程中发生下列反应：
(NH4)2Cr2O7(s)＝Cr2O3(s)+N2↑+4H2O (2-1)；
4)碳化：关闭真空冷冻干燥仓冷阱，随着温度的升高，碳逐渐将铬的高价氧化物还原成铬的低价氧化物，位置固定的碳源和其周围位置也相对固定的铬源进行反应，最终生成均匀的碳化铬，而且还是纳米级的碳化铬；由于冻干后块状体微孔孔隙的均匀性，反应中热量的吸收也比较均匀，从而实现制得粒度均匀的纳米级的碳化铬的目的；
3Cr2O3(s)+13C(s)＝2Cr3C2(s)+9CO (2-2)；
3(NH4)2Cr2O7(s)+13C(s)＝2Cr3C2(s)+9CO+12H2O+3N2↑ (2-3)(整体反应过程)。
进一步的技术方案，步骤1)中，重铬酸铵和纳米碳黑粉体的配比为1：(0.17～0.21)，以防止碳源或铬源过多的残留；蒸馏水或去离子水用量为：粉体总重的55％～60％，对于重铬酸铵和纳米碳黑粉体的均匀混合来说，是适宜的流体成型状态范围；步骤2)中急冻温度为-100～-140℃，时间为30～150min，以达到迅速和彻底形成块状体的效果；步骤4)中，升温至900～1200℃进行碳化还原。
进一步的技术方案，步骤3)中，冻干工艺曲线为：
A、初期：板温0℃～100℃，升温斜率2℃/min，100℃保持30～40分钟，抽真空至60Pa以内；
B、中期：板温降温至80～85℃/min，保持50～60分钟，真空控制在100Pa以内；
C、后期，板温降温至50～65℃/min，保持80～200分钟，真空控制在80Pa以内；冻干过程中，保持物料的相对低温状态，防止反应过于强烈而导致反应不均匀。
进一步的技术方案，WC-12Co复合涂层的喷涂方法参数为：氧气流量：1800～1900SCFH；煤油流量：22～23LPH；送粉速度为：4.5～5.5RPM；喷涂距离350～370mm，以保证喷涂层的均匀度，效果更加明显，制得的合金涂层附着力更强，涂层的孔隙率更小，经检测，涂层硬度HRC：55～60，结合强度高于70MPa，可有效对磨损叶片进行修复，并提升部件性能。
进一步的技术方案，步骤一的叶片表面预处理中，A步骤的打磨使用800#～1000#砂纸对叶片表面进行打磨；B步骤用丙酮脱脂；C步骤用无水乙醇清洗；E步骤表面粗糙度到达Ra7～9。
进一步的技术方案，超音速喷涂中：
NiAl的喷涂方法参数为：氧气流量：1900～2000SCFH；煤油流量：20～21LPH；送粉速度为：4.5～5.5RPM；喷涂距离360～380mm；
NiCr-Cr3C2的喷涂方法参数为：氧气流量：1800～1900SCFH；煤油流量：22～23LPH；送粉速度为：4.5～5.5RPM；喷涂距离350～370mm。
进一步的技术方案，还包括步骤五：封孔后用激光器进行激光重熔工艺处理，激光功率为900～1000W，扫描速度为550～600mm/min，光斑大小10×3mm。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的一种风机叶片表面修复方法，在叶片基层喷涂NiAl作为金属粘结层即过渡层，能够消除耐磨耐热工作层与叶片基层之间材料热膨胀系数不匹配的问题，以减小由工作层和叶片基层膨胀系数不匹配而引起的热应力，改善工作层与叶片基层间的力学匹配和物理相容性；NiCr合金还具有优异的耐热、耐腐蚀、抗高温氧化等性能，还起到粘结相的作用，Cr3C2具有较好的抗冲蚀磨损性，起硬质相的作用，在涂层中还主要起到第二相粒子弥散强化的作用，能够解决叶片在高温复杂工况下极易损耗、使用寿命偏低的问题。而且，NiCr-Cr3C2具有与叶片相近的线膨胀系数，从而可大大降低冲蚀磨损冲击而造成的涂层剥落甚至失效；
(2)本发明的一种风机叶片表面修复方法，可以根据不同涂层成分配比和喷涂方法调节不同的涂层厚度，以适应不同规格的叶片，通用性强；
(3)本发明的一种风机叶片表面修复方法，膜层成分配比的限定，Al可以抑制合金层的氧化，但过高Al量会带来额外的脆性，Ni与Al发生反应，生成金属间化合物，并释放出大量热量，使粘结底层与叶片基层表面形成微冶金结合，从而提高粘结底层与叶片基层的结合强度，Al含量为3～7％的限定兼顾了两方面的因素；而Al含量6.5％的涂层，经对比试验，效果更佳；Cr3C2含量为70～80％，NiCr为20～30％，这两个百分比范围限定的NiCr粘结层与NiCr-Cr3C2金属陶瓷具有较好的互熔性，其中Cr3C2含量多为75％，NiCr为25％，后续通过耐磨性等表征方法的检测，可以证明是最佳比例；
(4)本发明的一种风机叶片表面修复方法，尤其是Cr3C2的冻干工艺制备方法，冻干后的前驱块状体只是水分子升华后形成的多微孔状蜂窝块，体积变化微小，均匀的铬源和碳源定位不会发生变化，位置固定的碳源和其周围位置也相对固定的铬源进行反应，最终生成均匀的碳化铬，而且还是纳米级的碳化铬；由于冻干后块状体微孔孔隙的均匀性，反应中热量的吸收也比较均匀，从而实现制得粒度均匀的纳米级的碳化铬的目的；
(5)本发明的一种风机叶片表面修复方法，冻干工艺的使用，使重铬酸铵和纳米碳黑粉体的配比限定范围可以根据化学反应式进行尽量精确的确定，避免了过多的杂质，能够防止碳源或铬源过多的残留而影响膜层质量；
(6)本发明的一种风机叶片表面修复方法，冻干过程中，加热板温度的范围限定，能够保持物料的相对低温状态(低于加热板温)，防止反应过于强烈而导致反应不均匀；
(7)本发明的一种风机叶片表面修复方法，用HVOF方法进行喷涂，由于本发明的多元合金涂层中的各种成分，均能够制得纳米级的粒度，因此，用HVOF(超音速喷涂)方法进行喷涂，效果更加明显，制得的合金涂层附着力更强，涂层的孔隙率更小；
(8)本发明的一种风机叶片表面修复方法，喷涂前处理以及喷涂中的各种工艺参数，均是发明人结合本发明制得的纳米级粉料，在进行了各种数据采集、分析、总结等创造性劳动的基础上获得，制得的涂层的强度达到80MPa以上，硬度达到1200HV以上，孔隙率1％以下，使用寿命较常规涂层提高1倍以上；而且，在硬度试验：NiCr/Cr3C2-20NiCr涂层由界面至面层表面，显微硬度逐步升高，最高达1363.3HV；
(9)本发明的一种风机叶片表面修复方法，激光重熔工艺可使涂层与基材形成冶金结合，其合金层的金相组织均有细密的针状或枝状的共晶组织，提高了金属原子的亲和力，进而进一步提高了涂层与基材结合程度。
附图说明
图1为实施例中对比例的NiCr/1Cr13涂层横截面显微硬度分布图；
图2为本发明的NiCr/Cr3C2-20NiCr涂层横截面显微硬度分布图；
图3为涂层截面显微硬度分布统计图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述(注：如未特别注明，实施例中含量表示为重量含量)。
实施例1
本实施例的风机叶片表面修复方法，应用于大型风机叶片的修复，步骤为：
步骤一、叶片表面预处理：
A、将叶片的磨损部位进行打磨，损坏的部分用新的材料焊接好后修磨，使得各部位均达到规定要求；
B、去除叶片表面的油污、锈渍、氧化皮焊渣颗粒；
C、用清洁剂清洗待喷涂面；
D、对所有的焊缝进行磁粉探伤处理，以确定叶片无裂纹等致命缺陷；
E、叶片进行喷涂前的粗化处理，以提高涂层附着力；
步骤二、喷涂前的预热：将叶片置于预热装置内进行预热处理，以消除待喷涂表面的水分和湿气，提高喷涂粒子与工件接触的界面温度，减少因工件热膨胀造成的涂层应力，提高涂层与基体的结合强度；预热的温度可控制在100℃左右；
步骤三、超音速喷涂：
A、喷涂底层用Ni95Al材料打底，厚度为0.10mm左右，喷涂后用钢丝刷去除打底层表面的浮灰粉；
B、喷涂工作层；工作层为WC-12Co复合涂层，喷涂厚度为0.15mm；超音速喷涂工艺参数如表1：
表1超音速喷涂工艺参数
步骤四、封孔处理：采用刷涂的方法对金属喷涂层进行封孔处理。为降低涂层孔隙，提高涂层的耐磨性、耐腐蚀性、耐冲击性，必须对金属喷涂层进行封孔处理。可以选择用空气干燥型酚醛树脂作为封孔材料，其连续工作温度在145～205℃。
经检测，实施例1制得的合金涂层附着力较强，涂层的孔隙率较小，涂层硬度HRC：55～60，结合强度70MPa左右，可有效对磨损叶片进行修复。
实施例2
本实施例的风机叶片表面修复方法，基本步骤同实施例1，不同和改进之处在于：步骤一的E步骤中，用24#热喷涂专用金刚砂进行粗化处理；步骤二中，预热的温度控制在80℃左右；步骤三中，用NiAl材料打底，其厚度为0.08mm，能够消除耐磨工作层与叶片基层之间材料热膨胀系数不匹配的问题，以减小由工作层和叶片基层膨胀系数不匹配而引起的热应力，改善工作层与叶片基层间的力学匹配和物理相容性；工作层为WC-12Co复合涂层，厚度为0.18mm；
经检测，实施例2制得的合金涂层附着力较强，涂层的孔隙率较小，涂层硬度HRC：60以上，结合强度70MPa以上，可有效对磨损叶片进行修复，并提升叶片的性能，并避免风机的振动，风机使用寿命提高到2年以上。
实施例3
本实施例的风机叶片表面修复方法，基本步骤同实施例1，不同和改进之处在于：步骤四、封孔处理：采用喷涂的方法对金属喷涂层进行封孔处理。喷涂时要用甲酮、芳香烃和无水乙醇作稀释剂进行稀释，喷涂后在空气干燥30～60min，1～5h实现完全固化。
工作层采用NiCr-Cr3C2复合涂层，厚度为0.20mm，NiCr合金具有优异的耐热、耐腐蚀、抗高温氧化等性能，还起到粘结相的作用，Cr3C2具有较好的高温硬度和抗高温氧化性，起硬质相的作用，在涂层中还主要起到第二相粒子弥散强化的作用，能够解决叶片在冲蚀磨损的复杂工况下极易损耗、使用寿命偏低的问题。而且，NiCr-Cr3C2具有与叶片相近的线膨胀系数，从而可大大降低因热冲击而造成的涂层剥落甚至失效。
经检测，实施例3制得的合金涂层附着力较强，涂层的孔隙率较小，涂层硬度HRC：65左右，结合强度75MPa左右，进一步提升了叶片的性能，并避免风机的振动，风机使用寿命经破坏性疲劳试验，预计能提高到3年左右。
实施例4
本实施例的风机叶片表面修复方法，基本步骤同实施例3，不同和改进之处在于：NiAl喷涂层厚度为0.08mm，Ni含量为93％，Al含量为7％；NiCr-Cr3C2复合涂层厚度为0.22mm，Cr3C2含量为70％，NiCr为30％，这个百分比范围的NiCr粘结层与NiCr-Cr3C2金属陶瓷具有较好的互熔性。
本实施例的风机叶片表面修复方法中材料准备：NiAl纳米粉，NiCr-Cr3C2混合纳米粉，其中，纳米Cr3C 2粉的制备方法为：
1：混合：将重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体按重量比1：0.17的配比置于粉体总重55％的蒸馏水中，混合搅拌均匀呈流体状，加入方形模具中压制成型呈前驱体；压制后呈块状，以方便进行急冻；
2：急冻：将前驱体快速转入-100℃急冻空间中进行急冻150min；急冻的目的是在尽可能短的时间里让流体冻结，重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体搅拌均匀后迅速定位，以防止块状流体由于密度的不同而分层，造成后续冻干处理后铬源和碳源的分布不均；
3：冻干：将急冻好的前驱体快速转入真空冷冻干燥仓中进行冻干，板温控制在100℃以下，冻干后的块状体只是水分子升华后形成的多微孔状蜂窝块，体积变化微小，均匀的铬源和碳源定位不会发生变化，而且，冻干过程中，重铬酸铵粉体在低温下干燥过程中发生下列反应：
(NH4)2Cr2O7(s)＝Cr2O3(s)+N2↑+4H2O (2-1)；
4：碳化：关闭真空冷冻干燥仓冷阱，随着温度的升高，碳逐渐将铬的高价氧化物还原成铬的低价氧化物，位置固定的碳源和其周围位置也相对固定的铬源进行反应，最终生成均匀的碳化铬，而且还是纳米级的碳化铬；由于冻干后块状体微孔孔隙的均匀性，反应中热量的吸收也比较均匀，从而实现制得粒度均匀的纳米级的碳化铬的目的；
3Cr2O3(s)+13C(s)＝2Cr3C2(s)+9CO (2-2)(碳化反应)；
3(NH4)2Cr2O7(s)+13C(s)＝2Cr3C2(s)+9CO+12H2O+3N2↑ (2-3)(整体反应过程)；
本实施例一种风机叶片表面修复方法：
步骤一的叶片表面预处理中，A步骤的打磨使用800#～1000#砂纸对叶片表面进行打磨；B步骤用丙酮脱脂；C步骤用无水乙醇清洗；E步骤表面粗糙度到达Ra7～9。
步骤二、喷涂前的预热：将叶片置于预热装置内进行预热处理，以消除待喷涂表面的水分和湿气，提高喷涂粒子与工件接触的界面温度，减少因工件热膨胀造成的涂层应力，提高涂层与基体的结合强度；预热温度可以控制在90℃左右。
步骤三、超音速喷涂，工艺参数如表2：
表2HVOF喷涂工艺参数
本实施例一种风机叶片表面修复方法，经检测：
涂层结合强度测试：根据GB/T 8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定方法：制得的涂层的强度达到89MPa；
涂层硬度分析：HRC：80左右；
涂层孔隙率采用涂膏法：将含有试液的膏状物均匀涂敷在经过清洁和干燥处理的试样表面。膏状物中的试液渗入涂层孔隙，与基体金属作用，生成具有特征颜色的斑点，对膏体上有色斑点数目进行计数，即可得到涂层孔隙率，测得孔隙率0.77％；
使用寿命检测：风机使用寿命较常规1Cr13涂层提高1倍以上。
实施例5
本实施例的风机叶片表面修复方法，基本步骤同实施例4，不同和改进之处在于：NiAl喷涂层厚度为0.12mm，Ni含量为97％，Al含量为3％；NiCr-Cr3C2复合涂层厚度为0.20mm，Cr3C2含量为75％，NiCr为25％。
本实施例的风机叶片表面修复方法材料准备：NiCr纳米粉，NiCr-Cr3C2混合纳米粉，其中，纳米Cr3C 2粉的制备方法为：
1：混合：将重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体按重量比1：0.21的配比置于粉体总重60％的蒸馏水中，混合搅拌均匀呈流体状，加入方形模具中压制成型呈前驱体；用2Mpa压力压制后呈块状，压至厚度为3cm，以方便进行急冻；
2：急冻：将前驱体快速转入-140℃急冻空间中进行急冻30min；
3：冻干：将急冻好的前驱体快速转入真空冷冻干燥仓中进行冻干，冻干工艺曲线为：
A、初期：板温0℃～100℃，升温斜率2℃/min，100℃保持30分钟，抽真空至60Pa以内；
B、中期：板温降温至80℃/min，保持60分钟，真空控制在100Pa以内；
C、后期，板温降温至50℃/min，保持200分钟，真空控制在80Pa以内。
4：碳化：关闭真空冷冻干燥仓冷阱，采用快速升温后再阶段式降温的模式，30分钟内升温至1200℃保持30分钟，10分钟内降温至1100℃再保持40分钟，10分钟内再降温至1000℃保温20分钟，10分钟内再降温至900℃保持10分钟，这种阶段式降温的优点是，保持反应的稳定性，进而可以保证碳化反应的均匀性以及实现制得粒度更加均匀的纳米级的碳化铬，经SEM扫描电镜检测，颗粒尺寸大约为35-40nm之间，粒度差距较小。
步骤三、超音速喷涂，工艺参数如表3：
表3 HVOF喷涂工艺参数
本实施例一种风机叶片表面修复方法，经检测：
涂层结合强度测试：根据GB/T 8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定方法：制得的涂层的强度达到97MPa；
涂层硬度分析：HRC：85以上；
涂层孔隙率采用涂膏法：将含有试液的膏状物均匀涂敷在经过清洁和干燥处理的试样表面。膏状物中的试液渗入涂层孔隙，与基体金属作用，生成具有特征颜色的斑点，对膏体上有色斑点数目进行计数，即可得到涂层孔隙率，测得孔隙率0.87％；
检测时，发明人还研究了涂层在500℃(每隔10min淬火一次)高温条件下的热震性能，NiCr/Cr3C2-25NiCr涂层经50余次循环而不发生剥落，说明有很强的抗冲蚀磨损性能；
强度试验：采用E-7胶作为粘结剂，固化后开展拉伸实验，以0.1mm/min速率拉伸，拉伸强度为97.5MPa时，粘结试样发生断裂，断裂面为胶结层内，表明涂层结合强度大于97.5MPa。
实施例6
本实施例的风机叶片表面修复方法，基本步骤同实施例5，不同和改进之处在于：NiAl喷涂层厚度为0.10mm，Ni含量为95％，Al含量为5％；NiCr-Cr3C2复合涂层厚度为0.21mm，Cr3C2含量为80％，NiCr为20％。
本实施例的风机叶片表面修复方法，材料准备：NiAl纳米粉，NiCr-Cr3C2混合纳米粉，其中，纳米Cr3C 2粉的制备方法为：
1：混合：将重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体按重量比1：0.19的配比置于粉体总重60％的蒸馏水中，混合搅拌均匀呈流体状，加入方形模具中压制成型呈前驱体；用1.2Mpa压力压制后呈块状，压至厚度为2cm，以方便进行急冻；
2：急冻：将前驱体快速转入-120℃急冻空间中进行急冻80min；
3：冻干：将急冻好的前驱体快速转入真空冷冻干燥仓中进行冻干，冻干工艺曲线为：
A、初期：板温0℃～100℃，升温斜率2℃/min，100℃保持40分钟，抽真空至60Pa以内；
B、中期：板温降温至85℃/min，保持50分钟，真空控制在100Pa以内；
C、后期，板温降温至55℃/min，保持120分钟，真空控制在80Pa以内。
4：碳化：关闭真空冷冻干燥仓冷阱，采用快速升温后再阶段式降温的模式，40分钟内升温至1200℃保持25分钟，10分钟内降温至1100℃再保持45分钟，10分钟内再降温至1000℃保温30分钟，5分钟内再降温至900℃保持5分钟，这种阶段式降温的优点是，保持反应的稳定性，进而可以保证碳化反应的均匀性以及实现制得粒度更加均匀的纳米级的碳化铬，经SEM扫描电镜检测，颗粒尺寸大约为35-40nm之间，粒度差距较小。
本实施例一种风机叶片表面修复方法，经检测：
涂层结合强度测试：根据GB/T 8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定方法：制得的涂层的强度达到103.6MPa；
涂层硬度分析：HRC：90以上；
涂层孔隙率采用涂膏法：将含有试液的膏状物均匀涂敷在经过清洁和干燥处理的试样表面。膏状物中的试液渗入涂层孔隙，与基体金属作用，生成具有特征颜色的斑点，对膏体上有色斑点数目进行计数，即可得到涂层孔隙率，测得孔隙率0.87％；
检测时，发明人还研究了涂层在500℃(每隔10min淬火一次)高温条件下的热震性能，NiCr/Cr3C2-25NiCr涂层经60余次循环而不发生剥落。
强度试验：采用E-7胶作为粘结剂，固化后开展拉伸实验，以0.1mm/min速率拉伸，拉伸强度为107.5MPa时，粘结试样发生断裂，断裂面为胶结层内，表明涂层结合强度大于107.5MPa。
实施例7
本实施例的风机叶片表面修复方法，基本步骤同实施例1，不同和改进之处在于：NiAl喷涂层厚度为0.12mm，Ni含量为93％，Al含量为7％；NiCr-Cr3C2复合涂层厚度为0.21mm，Cr3C2含量为80％，NiCr为20％。
本实施例的风机叶片表面修复方法，材料准备：NiAl纳米粉，NiCr-Cr3C2混合纳米粉，其中，纳米Cr3C 2粉的制备方法为：
1：混合：将重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体按重量比1：0.20的配比置于粉体总重60％的蒸馏水中，混合搅拌均匀呈流体状，加入方形模具中压制成型呈前驱体；用1.4Mpa压力压制后呈块状，压至厚度为2.5cm，以方便进行急冻；
2：急冻：将前驱体快速转入-110℃急冻空间中进行急冻90min；
3：冻干：将急冻好的前驱体快速转入真空冷冻干燥仓中进行冻干，冻干工艺曲线为：
A、初期：板温0℃～100℃，升温斜率2℃/min，100℃保持35分钟，抽真空至60Pa以内；
B、中期：板温降温至80℃/min，保持50分钟，真空控制在100Pa以内；
C、后期，板温降温至60℃/min，保持100分钟，真空控制在80Pa以内。
4：碳化：关闭真空冷冻干燥仓冷阱，采用快速升温后再阶段式降温的模式，40分钟内升温至1200℃保持25分钟，10分钟内降温至1100℃再保持45分钟，10分钟内再降温至1000℃保温30分钟，5分钟内再降温至900℃保持5分钟，这种阶段式降温的优点是，保持反应的稳定性，进而可以保证碳化反应的均匀性以及实现制得粒度更加均匀的纳米级的碳化铬，经SEM扫描电镜检测，颗粒尺寸大约为30-35nm之间，粒度差距较小。
步骤五：冷却后用激光器进行激光重熔工艺处理，激光功率为900W，扫描速度为550mm/min，光斑大小10×3mm。
对比试验：NiCr/1Cr13涂层，粒度、厚度及工艺参数相同，制得的NiCr/1Cr13涂层，采用金相显微硬度分析，如图1所示，由界面至面层表面，维氏硬度为236.5、271.5、361.2、525.4、608.7和844.7。
本实施例的多元合金涂层采用金相显微硬度分析，如图2所示，由界面至面层表面，维氏硬度为253.4、334.1、751.2、1004.4、1122.9和1363.3。
两种涂层截面硬度多点数据采集整理结果如图3所示，可以看出，本发明的NiCr/Cr3C2-20NiCr涂层由界面至面层表面，显微硬度逐步升高，最高达1363.3HV。
强度试验：采用E-7胶作为粘结剂，固化后开展拉伸实验，以0.1mm/min速率拉伸，拉伸强度为115.0MPa时，粘结试样发生断裂，断裂面为胶结层内，表明涂层结合强度大于115.0MPa。
实施例8
本实施例的风机叶片表面修复方法，基本步骤同实施例7，不同和改进之处在于：NiAl喷涂层厚度为0.10mm，Ni含量为95％，Al含量为5％；NiCr-Cr3C2复合涂层厚度为0.22mm，Cr3C2含量为75％，NiCr为25％。
本实施例的风机叶片表面修复方法，材料准备：NiAl纳米粉，NiCr-Cr3C2混合纳米粉，其中，纳米Cr3C 2粉的制备方法为：
1：混合：将重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体按重量比1：0.18的配比置于粉体总重60％的蒸馏水中，混合搅拌均匀呈流体状，加入方形模具中压制成型呈前驱体；用1.1Mpa压力压制后呈块状，压至厚度为3cm，以方便进行急冻；
2：急冻：将前驱体快速转入-130℃急冻空间中进行急冻100min；
3：冻干：将急冻好的前驱体快速转入真空冷冻干燥仓中进行冻干，冻干工艺曲线为：
A、初期：板温0℃～100℃，升温斜率2℃/min，100℃保持40分钟，抽真空至60Pa以内；
B、中期：板温降温至85℃/min，保持50分钟，真空控制在100Pa以内；
C、后期，板温降温至55℃/min，保持120分钟，真空控制在80Pa以内。
4：碳化：关闭真空冷冻干燥仓冷阱，采用快速升温后再阶段式降温的模式，40分钟内升温至1200℃保持25分钟，10分钟内降温至1100℃再保持45分钟，10分钟内再降温至1000℃保温30分钟，5分钟内再降温至900℃保持5分钟，这种阶段式降温的优点是，保持反应的稳定性，进而可以保证碳化反应的均匀性以及实现制得粒度更加均匀的纳米级的碳化铬，经SEM扫描电镜检测，颗粒尺寸大约为35-40nm之间，粒度差距较小。
本实施例一种风机叶片表面修复方法，经检测：
涂层结合强度测试：根据GB/T 8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定方法：制得的涂层的强度达到104.2MPa；
涂层硬度分析：采用维氏硬度计进行测量，硬度达到1310HV以上，
涂层孔隙率采用涂膏法：将含有试液的膏状物均匀涂敷在经过清洁和干燥处理的试样表面。膏状物中的试液渗入涂层孔隙，与基体金属作用，生成具有特征颜色的斑点，对膏体上有色斑点数目进行计数，即可得到涂层孔隙率，测得孔隙率1.37％；
实施例9
本实施例的风机叶片表面修复方法，基本步骤同实施例8，不同和改进之处在于：本实施例的风机叶片表面修复方法材料准备：NiAl纳米粉，NiCr-Cr3C2混合纳米粉，其中，纳米Cr3C2粉的制备方法为：
1：混合：将重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体按重量比1：0.20的配比置于粉体总重60％的蒸馏水中，混合搅拌均匀呈流体状，加入方形模具中压制成型呈前驱体；用1.4Mpa压力压制后呈块状，压至厚度为2.5cm，以方便进行急冻；
2：急冻：将前驱体快速转入-110℃急冻空间中进行急冻90min；
3：冻干：将急冻好的前驱体快速转入真空冷冻干燥仓中进行冻干，冻干工艺曲线为：
A、初期：板温0℃～100℃，升温斜率2℃/min，100℃保持35分钟，抽真空至60Pa以内；
B、中期：板温降温至80℃/min，保持50分钟，真空控制在100Pa以内；
C、后期，板温降温至60℃/min，保持100分钟，真空控制在80Pa以内。
4：碳化：关闭真空冷冻干燥仓冷阱，采用快速升温后再阶段式降温的模式，40分钟内升温至1200℃保持25分钟，10分钟内降温至1100℃再保持45分钟，10分钟内再降温至1000℃保温30分钟，5分钟内再降温至900℃保持5分钟，这种阶段式降温的优点是，保持反应的稳定性，进而可以保证碳化反应的均匀性以及实现制得粒度更加均匀的纳米级的碳化铬，经SEM扫描电镜检测，颗粒尺寸大约为30-35nm之间，粒度差距较小。
步骤五：冷却后用激光器进行激光重熔工艺处理，激光功率为1000W，扫描速度为550mm/min，光斑大小10×3mm。
实施例10
本实施例的风机叶片表面修复方法，基本步骤同实施例9，不同和改进之处在于：步骤五：冷却后用激光器进行激光重熔工艺处理，激光功率为950W，扫描速度为580mm/min，光斑大小10×3mm。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风机叶片表面修复方法，其特征在于，步骤为：
步骤一、叶片表面预处理：
A、将叶片的磨损部位进行打磨，损坏的部分用新的材料焊接好后修磨；
B、去除叶片表面的油污、锈渍、氧化皮焊渣颗粒；
C、用清洁剂清洗待喷涂面；
D、对所有的焊缝进行磁粉探伤处理；
E、叶片进行喷涂前的粗化处理；
步骤二、喷涂前的预热：将叶片置于预热装置内进行预热处理；
步骤三、超音速喷涂：
A、喷涂底层用NiAl材料打底后用钢丝刷去除打底层表面的浮灰粉；
B、喷涂工作层；
步骤四、封孔处理：采用刷或喷涂的方法对金属喷涂层进行封孔处理。
2.根据权利要求1所述的风机叶片表面修复方法，其特征在于：步骤一的E步骤中，用24#热喷涂专用金刚砂进行粗化处理；步骤二中，预热的温度控制在80～100℃；步骤三中，用NiAl材料打底，其厚度为0.08～0.12mm；工作层为WC-12Co复合涂层，0.15～0.18mm；或NiCr-Cr3C2复合涂层，0.20～0.22mm；步骤四中，封孔材料为空气干燥型酚醛树脂，喷涂时要用甲酮、芳香烃和无水乙醇作稀释剂进行稀释。
3.根据权利要求2所述的风机叶片表面修复方法，其特征在于：所述NiAl材料中，Ni含量为93～97％，Al含量为3～7％；所述NiCr-Cr3C2复合涂层中，Cr3C2含量为70～80％，NiCr为20～30％。
4.一种根据权利要求3所述的风机叶片表面修复方法，其特征在于：所述Cr3C2的制备方法为：
1)混合：将重铬酸铵粉体和纳米碳黑粉体置于蒸馏水或去离子水中，混合搅拌均匀呈流体状，加入模具中压制成型呈前驱体；
2)急冻：将前驱体快速转入急冻空间中进行急冻；
3)冻干：将急冻好的前驱体快速转入真空冷冻干燥仓中进行冻干；
4)碳化：关闭真空冷冻干燥仓冷阱，升温进行碳化还原反应制得纳米Cr3C2粉。
5.根据权利要求4所述的风机叶片表面修复方法，其特征在于：所述步骤1)中，重铬酸铵和纳米碳黑粉体的配比为1：(0.17～0.21)；蒸馏水或去离子水用量为：粉体总重的55％～60％；步骤2)中急冻温度为-100～-140℃，时间为30～150min；步骤4)中，升温至900～1200℃进行碳化还原。
6.根据权利要求4所述的风机叶片表面修复方法，其特征在于：步骤3)中，冻干工艺曲线为：
A、初期：板温0℃～100℃，升温斜率2℃/min，100℃保持30～40分钟，抽真空至60Pa以内；
B、中期：板温降温至80～85℃/min，保持50～60分钟，真空控制在100Pa以内；
C、后期，板温降温至50～65℃/min，保持80～200分钟，真空控制在80Pa以内。
7.一种根据权利要求2所述的风机叶片表面修复方法，其特征在于，所述WC-12Co复合涂层的喷涂方法参数为：氧气流量：1800～1900SCFH；煤油流量：22～23LPH；送粉速度为：4.5～5.5RPM；喷涂距离350～370mm。
8.根据权利要求1至7任一所述的风机叶片表面修复方法，其特征在于，所述步骤一的叶片表面预处理中，A步骤的打磨使用800#～1000#砂纸对叶片表面进行打磨；B步骤用丙酮脱脂；C步骤用无水乙醇清洗；E步骤表面粗糙度到达Ra7～9。
9.根据权利要求6所述的风机叶片表面修复方法，其特征在于，所述超音速喷涂中：
NiAl的喷涂方法参数为：氧气流量：1900～2000SCFH；煤油流量：20～21LPH；送粉速度为：4.5～5.5RPM；喷涂距离360～380mm；
NiCr-Cr3C2的喷涂方法参数为：氧气流量：1800～1900SCFH；煤油流量：22～23LPH；送粉速度为：4.5～5.5RPM；喷涂距离350～370mm。
10.根据权利要求9所述的风机叶片表面修复方法，其特征在于，还包括步骤五：封孔后用激光器进行激光重熔工艺处理，激光功率为900～1000W，扫描速度为550～600mm/min，光斑大小10×3mm。
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