CN108300955A

CN108300955A - 用于海上船舶柴油机废气涡轮增压器喷嘴环的耐热耐蚀涂层材料工艺

Info

Publication number: CN108300955A
Application number: CN201810154838.4A
Authority: CN
Inventors: 孙家枢; 王连发; 胡鸣
Original assignee: Everracing (tianjin) Haiye Mechanical Engineering Co Ltd
Current assignee: Everracing (tianjin) Haiye Mechanical Engineering Co Ltd
Priority date: 2018-02-23
Filing date: 2018-02-23
Publication date: 2018-07-20

Abstract

本发明涉及用于海上船舶柴油机废气涡轮增压器喷嘴环的耐热耐蚀复合金属陶瓷涂层材料工艺。给出研制的SCNCW复合金属陶瓷粉末的化学成分范围及其制备工艺，用SCNCW复合金属陶瓷粉末以高速氧‑燃料喷涂（High velocity oxygen fuel spraying缩写HVOF)工艺在海上船舶柴油机废气涡轮增压器喷嘴环上制作复合金属陶瓷涂层，可大大提高涡轮增压器喷嘴环抗船舶柴油机燃烧废气的热冲蚀，提高海上船舶柴油机废气涡轮增压器喷嘴环的使用寿命。

Description

用于海上船舶柴油机废气涡轮增压器喷嘴环的耐热耐蚀涂层材料工艺

技术领域：

本项发明属于高新材料与工艺科学技术领域，特别涉及用于海上船舶柴油发动机机废气涡轮增压器喷嘴环的耐热耐蚀涂层材料与工艺技术。

背景技术

废气涡轮增压器是利用内燃发动机排出的燃烧废气的熵和动能驱动涡轮，涡轮带动同轴的压气叶轮，叶轮压送从空气滤清器管道送来的空气，使之增压，将压缩的空气送入燃烧室、进而提高发动机的输出功率。在目前的技术条件下，涡轮增压器是唯一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置，而被广泛使用。涡轮增压器是由涡轮室和叶轮增压器组成，涡轮室进气口与内燃机的排气歧管相连。由内燃机排出的高温燃烧废气（柴油机排出的燃烧废气的温度在800-1000K）经排气歧管，进入涡轮增压器的涡轮室，经喷嘴环驱动涡轮。喷嘴环结构形状复杂（如说明书附图1所示），两个导流片间的间隔空间截面逐渐减小，即其气流通道截面积逐渐缩小，从而使流经的燃烧废气流速度提高。喷嘴环中按一定角度排列的气流通道还起导向作用，使气流按一定方向冲击涡轮，使涡轮高速旋转。同时喷嘴环受到高温燃烧废气的冲蚀作用。

海上船舶的柴油机大多燃烧重油。重油中含有较多的杂质（包括硫化物），海洋大气中有较高的盐分，海上航行船舶柴油机的燃烧废气含有较多的硫化物、氯化物以及颗粒物，这样的燃烧废气使涡轮增压气喷嘴环经受更为严酷的冲蚀。说明书附图2给出海上船舶使用的经受高温燃烧废气冲蚀损坏的涡轮增压气喷嘴环的照片。从附图3看到涡轮增压气喷嘴环上的导流片已被柴油机废气冲蚀严重损伤。

喷嘴环结构形状精密复杂，又多用耐高温的合金制造，价格昂贵，为提高其使用寿命，本项目研制开发了在废气涡轮增压器喷嘴环表面制作复合金属陶瓷涂层的材料-工艺技术。有本发明复合金属陶瓷涂层的喷嘴环在海上船舶的大型柴油机废气涡轮增压器上使用，其使用寿命提高一倍以上。

发明内容

考虑到在海洋大气条件下远洋船舶柴油机燃烧重油产生的废气含有较多的硫化物、氯化物以及颗粒物，与柴油机配套的废气涡轮增压器喷嘴环将经受严酷的热冲蚀、热腐蚀作用。为提高废气涡轮增压器喷嘴环的使用寿命，其表面涂层要有较高的耐热性、较高的硬度、较高的耐腐蚀性，且与喷嘴环合金基体有较好的结合与相容性。为此在实验基础上，确定使用以钨和铬的碳化物、碳氮化物、氮化物、硼化物与Ni-Co-Cr合金相结合的复合金属陶瓷作为涂层材料。将这种复合金属陶瓷材料制成一定粒度范围的粉末，以高速氧-燃料喷涂（High velocity oxygen fuel spraying 缩写HVOF)工艺在喷嘴环上制作复合金属陶瓷涂层。高速氧-燃料喷涂（以下缩写为HVOF）俗称超音速喷涂，焰流速度>1000 m/s，在焰流中被加热加速的粉末粒子的速度也可达到800m/s。以HVOF工艺在耐热合金钢和镍基高温合金工件上制作的金属陶瓷涂层与基体的结合强度高于70MPa。

1.材料：本项发明用于在废气涡轮增压器喷嘴环上的涂层材料是：钨和铬的碳化物、碳氮化物、氮化物、硼化物与Ni-Co-Cr-W合金相结合组成的SCNCW复合金属陶瓷，其化学成分（原子百分数at.%）如下：

钨（W）：20-50at.%；铬(Cr): 10-30at.% ；镍（Ni）：1.0-15at.%；钴（Co）；0.5-15at.%；碳（C）：25-45at.%；氮（N）：1.0-20at.%；硼（B）：0.2-10at.%；

2.HVOF喷涂用SCNCW复合金属陶瓷粉末的制备：HVOF喷涂用钨和铬的碳化物、碳氮化物、氮化物、硼化物与Ni-Co-Cr合金相结合的SCNCW复合金属陶瓷粉末的制备方法：

以粒径在0.5-5μm范围的钨的碳化物粉末、铬的碳化物粉末、钨的碳氮化物粉末、铬的氮化物粉末、铬的硼化物粉末、镍铬（Ni-Cr）合金粉末、纯镍金属粉、纯钴金属粉、纯钨金属粉为原材料，按照确定的化学成分配料，用混粉机混合均匀，团聚-烧结制粒，分选粒径在15-45μm的SCNCW复合金属陶瓷粉末备用。

3．以HVOF喷涂工艺在废气涡轮增压器喷嘴环上制作SCNCW复合金属陶瓷涂层。

附图说明：

附图1 一种海上船舶柴油机配套的废气涡轮增压器喷嘴环照片。

附图2 使用过程经受柴油机废气冲蚀的船舶柴油机配套废气涡轮增压器喷嘴环的照片。

附图3 经受柴油机废气冲蚀的船舶柴油机配套废气涡轮增压器喷嘴环导流片被严重冲蚀损伤的形貌照片。

附图4 制备的SCNCW复合金属陶瓷粉末放大16倍的形貌照片。

附图5 制备的SCNCW复合金属陶瓷粉末放大80倍的形貌照片。

附图6 表面有HVOF喷涂复合金属陶瓷涂层的船舶柴油机配套用废气涡轮增压器喷嘴环的照片。

附图7 表面有HVOF喷涂复合金属陶瓷涂层的船舶柴油机配套用废气涡轮增压器喷嘴环的局部照片。

具体实施方式：

1.制备HVOF喷涂用SCNCW复合金属陶瓷粉末：

1-1.按照确定的化学成分配料，分别称取所需的粒径在0.5-5μm范围的钨的碳化物粉末、铬的碳化物粉末、钨的碳氮化物粉末、铬的氮化物粉末、铬的硼化物粉末、镍铬（Ni-Cr）合金粉末、纯镍金属粉、纯钴金属粉、纯钨金属粉。

1-2.混粉：将称好的各种粉末在容器中搅拌均匀，装入旋转-翻转混粉器混粉罐中，封好，旋转-翻转混粉6小时。

1-3 团聚制粒-烧结。

1-4 筛分：筛分出粒径在15-45μm的SCNCW复合金属陶瓷粉末，以备HVOF喷涂使用。附图4给出SCNCW复合金属陶瓷粉末的形貌照片。

2．在废气涡轮增压器喷嘴环表面经受燃烧废气冲蚀的部位制作SCNCW复合金属陶瓷涂层：

2-1 预处理：对废气涡轮增压器喷嘴环上无需复合金属陶瓷涂层的部位予以屏蔽保护；对需要复合金属陶瓷涂层的部位进行预处理。

2-2 准备HVOF喷涂用的复合金属陶瓷粉末：对要使用的复合金属陶瓷粉末在烘箱中经80^oC-2小时烘干。

2-3 HVOF喷涂在废气涡轮增压器喷嘴环表面经受燃烧废气冲蚀的部位制作复合金属陶瓷涂层：

2-2-1 调整HVOF喷涂系统，将装好屏蔽保护待喷涂的废气涡轮增压器喷嘴环装于HVOF喷涂系统的工件转台。调整-设置工作参数，包括：工件与HVOF喷涂枪的距离；调整行走-运转系统，设置工件与HVOF喷涂枪的相对运动速度；在送粉器内装好准备好的复合金属陶瓷粉末，并设置送粉量速度；压缩空气压力与流量；氮气压力与流量；氧气压力与流量；燃气压力与流量。

2-2-2 HVOF喷涂在废气涡轮增压器喷嘴环表面经受燃烧废气冲蚀的部位制作复合金属陶瓷涂层。涂层厚度为0.25-0.35mm。

2-2-3 检查-验收。

附图5给出HVOF喷涂好SCNCW复合金属陶瓷涂层的废气涡轮增压器喷嘴环的照片。

Claims

1.本项发明涉及的是在海上船舶柴油机废气涡轮增压器喷嘴环表面制作复合金属陶瓷涂层材料与工艺；

用于制作在海上船舶柴油机废气涡轮增压器喷嘴环表面制作复合金属陶瓷涂层的材料为SCNCW复合金属陶瓷粉末。

2.SCNCW复合金属陶瓷粉末的化学成分（原子百分数at.%）为：钨（W）：20-50at.%；铬(Cr): 10-30at.% ；镍（Ni）：1.0-15at.%；钴（Co）；0.5-15at.%；碳（C）：25-45at.%；氮（N）：1.0-20at.%；硼（B）：0.2-10at.%。

3.用于制作SCNCW复合金属陶瓷粉末的原材料是：粒径在0.5-5μm范围的钨的碳化物粉末、铬的碳化物粉末、钨的碳氮化物粉末、铬的氮化物粉末、铬的硼化物粉末、镍铬（Ni-Cr）合金粉末、纯镍金属粉、纯钴金属粉。

4. 以粒径在15-45μm的SCNCW复合金属陶瓷粉末为喷涂材料，用高速氧-燃料喷涂（High velocity oxygen fuel spraying 缩写HVOF)工艺在海上船舶柴油机废气涡轮增压器喷嘴环上制作复合金属陶瓷涂层。