CN108396317B - 一种汽轮机叶片合金层的堆焊方法 - Google Patents

一种汽轮机叶片合金层的堆焊方法 Download PDF

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Abstract

一种汽轮机叶片合金层的堆焊方法，属于金属材料领域。本发明采用水雾化或气雾化工艺制备堆焊材料，堆焊主材料成分为35‐39wt％Ni，20‐25wt％Cr，0.5‐0.6wt％C，其余为Fe，筛取粒度为45‐75微米的主材料粉末与平均粒度为2‐3微米的W、Nb和Hf粉末进行球磨混合，得到最终的堆焊混合粉末，然后将堆焊混合粉末采用激光熔覆技术堆焊到叶片最易受蒸汽冲蚀的位置，堆焊完成后再对堆焊层表面进行机加工，使其满足叶片的尺寸要求，并得到最终的带有合金层的叶片。通过激光熔覆的方法，将合金粉末堆焊在叶片的表面，界面结合更好，并且对叶片基体性能的损伤小，在提高叶片抗水蚀性能的同时，叶片本身的性能也不会降低。

Description

一种汽轮机叶片合金层的堆焊方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种汽轮机叶片合金层的堆焊方法。
背景技术
蒸汽在汽轮机内做功伴随着压力和温度的降低，体积的膨胀，由于最后一级的蒸汽压力最低，所需的容积流量也最高，因此末级叶片是汽轮机各级叶片中最长的一级，承受最大的离心力载荷和由此产生的应力。汽轮机低压部分叶片工作在含有水滴的湿蒸汽中，在水滴的作用下叶片产生水蚀，特别是低压末级叶片，由于蒸汽湿度大，且圆周速度又高，使叶片极易遭到水蚀。一般情况下。叶片发生水蚀的区域为顶部进汽边和根部出汽边，叶片的水蚀会导致叶片出现蜂窝状组织，严重者使叶片进出汽边缘呈现锯齿状，形成很多细小的裂纹。这些部位很容易产生应力集中，抗疲劳强度降低，水蚀发展到一定程度还会改变叶片的振动特性，导致机组发生强烈振动等恶性事故。目前提高动叶片抗水蚀能力所采取的方法有两种：一是对末级叶片局部进行高频淬硬、火焰淬硬等，这些方法尽管能够改善叶片的抗水蚀性能，但同时都伴随着叶片部分疲劳强度性能的损失；二是将末级叶片局部通过钎焊的方法镶嵌钴基司太立合金片，该方法能够改善叶片的抗水蚀性能，对叶片的疲劳性能影响也不大，但是存在工艺复杂，司太立合金片制备成本高，叶片与镶嵌的司太立合金片之间易开裂等问题。因此如何通过简单的工艺能够提高叶片的抗水蚀性能，同时对叶片本身的性能无影响，是目前汽轮机行业面临的主要问题。
发明内容
本发明设计了一种铁基合金粉末用来改善末级叶片的抗水蚀性能，其设计思路是以气雾化的Fe‐35‐39wt％Ni‐20‐25wt％Cr‐0.5‐0.6wt％C合金粉末为基础，通过与适量的W、Nb和Hf粉末混合，采用激光熔覆的办法，将混合粉末堆焊到局部叶片的表面。在堆焊的过程中，W、Nb和Hf将与合金粉末中的C发生反应，形成WC、NbC和HfC碳化物，这些碳化物在凝固过程中将弥散分布在Fe‐Ni‐Cr基体中，一方面可以强化基体，提高基体的硬度和耐磨性能，从而提高抗水蒸汽冲击性能，同时基体含有大量的Ni和Cr，本身具有很高的抗水蚀性能。此外，采用激光熔覆的方法，由于能量主要集中在叶片的表面，对内部的性能组织损伤小，因而对叶片的抗疲劳性能影响较小。因此采用本发明设计的合金粉末堆焊到叶片的表面，可以显著改善叶片的抗水蚀性能，同时叶片本身仍然保持原有的抗疲劳性能，更为重要的是所发明的合金粉末为铁基粉末，无钴元素，不但降低成本，也节省了国内的钴资源。
一种汽轮机叶片合金层的堆焊方法，其特征在于，采用水雾化或气雾化工艺制备堆焊材料，堆焊主材料成分为35‐39wt％Ni，20‐25wt％Cr，0.5‐0.6wt％C，其余为Fe，筛取粒度为45‐75微米主材料粉末与平均粒度为2‐3微米的W、Nb和Hf粉末进行球磨混合，得到最终的堆焊混合粉末，然后将堆焊混合粉末采用激光熔覆技术堆焊到叶片最易受蒸汽冲蚀的位置，堆焊完成后再对堆焊层表面进行机加工，使其满足叶片的尺寸要求，并得到最终的带有合金层的叶片。
进一步地，所述W、Nb粉末的含量分别为堆焊混合粉末重量的1‐2％，W和Nb的比例为1：1，而Hf粉末为堆焊混合粉末重量的0.3‐0.5％，
进一步地，所述球磨混合时转速为250‐300转/分，球磨时间30分钟，球磨球料重量比为(5‐8)：1。
进一步地，所述一种汽轮机叶片的堆焊方法，其特征在于堆焊激光功率控制在800‐1000W，扫描速度控制在700‐800mm/min，激光光斑直径控制在1‐1.5mm，送粉速率20‐30g/min。
采用上述工艺获得的堆焊层室温硬度为800‐900HV0.3，是钴基司太立合金硬度的3倍，并且与叶片基体为化学冶金结合，在运行过程中堆焊层不易脱落，可以有效保护叶片，从而大幅度提高叶片的寿命和可靠性。
本发明的优点在于，(1)采用铁基合金粉末通过激光熔覆的方法堆焊在叶片的表面，替代传统的叶片局部镶嵌钴基司太立合金片，该制备工艺更为简单，可靠性更高；(2)所设计的合金粉末为铁基粉末，合金元素成分简单，含量易于控制，并且粉末制备方法简单，无钴等稀缺元素，成本更低；(3)通过激光熔覆的方法，将合金粉末堆焊在叶片的表面，界面结合更好，并且对叶片基体性能的损伤小，因而在提高叶片抗水蚀性能的同时，叶片本身的性能也不会降低。
具体实施方式:
实施例1:在材质为17‐4PH不锈钢的汽轮机叶片上堆焊厚度为1.5mm、成分为Fe‐34.8％Ni‐22.2％Cr‐0.53％C‐1.45％W‐1.45％Nb‐0.38％Hf的合金层
首先采用气雾化工艺制备成分为Fe‐36％Ni‐23％Cr‐0.55％C的合金粉末，然后进一步从中筛选出粒度范围为45‐75微米的合金粉末500g，再称取粒度为2‐3微米的W和Nb粉各7.5g以及粒度为2‐3微米的Hf粉2g，然后将四种粉末进行球磨混合，混合时球磨转速为300转/分，球磨时间30分钟，球磨球料重量比为7：1。将混合好的粉末置于激光熔覆设备中，采用激光同轴送粉工艺将其堆焊在局部叶片的表面，叶片需堆焊部位预先加工出深度为1.5mm的槽，堆焊过程中激光功率为1000W，扫描速度800mm/min，激光光斑直径控制在1.2mm，送粉速率25g/min，堆焊层总厚度控制在1.8‐2mm，堆焊完成后将堆焊层进行机加工去掉表面多余厚度，最终得到厚度为1.5mm，成分为Fe‐34.8％Ni‐22.2％Cr‐0.53％C‐1.45％W‐1.45％Nb‐0.38％Hf的堆焊层。
实施例2:在材质为2Cr12NiMo1W1V钢的汽轮机叶片上堆焊厚度为1mm、成分为Fe‐36.4％Ni‐23.9％Cr‐0.57％C‐2W‐2Nb‐0.5Hf的合金层
首先采用水雾化工艺制备成分为Fe‐38wt％Ni‐25wt％Cr‐0.6wt％C合金粉末，然后进一步从中筛选出粒度范围为45‐75微米的合金粉末500g，再称取粒度为2‐3微米的W和Nb粉各10g以及粒度为2‐3微米的Hf粉2.5g，然后将四种粉末进行球磨混合，混合时球磨转速为250转/分，球磨时间30分钟，球磨球料重量比为7：1。将混合好的粉末置于激光熔覆设备中，采用激光同轴送粉工艺将其堆焊在局部叶片的表面，叶片需堆焊部位预先加工出深度为1mm的槽，堆焊过程中激光功率为800W，扫描速度700mm/min，激光光斑直径控制在1.2mm，送粉速率20g/min，堆焊层总厚度控制在1.3‐1.5mm，堆焊完成后将堆焊层进行机加工去掉表面多余厚度，最终得到厚度为1mm，成分为Fe‐36.4％Ni‐23.9％Cr‐0.57％C‐2W‐2Nb‐0.5Hf的堆焊层。

Claims (3)

1.一种汽轮机叶片合金层的堆焊方法，其特征在于，采用水雾化或气雾化工艺制备堆焊材料，堆焊主材料成分为35-39wt％Ni，20-25wt％Cr，0.5-0.6wt％C，其余为Fe，筛取粒度为45-75微米主材料粉末与平均粒度为2-3微米的W、Nb和Hf粉末进行球磨混合，得到最终的堆焊混合粉末，然后将堆焊混合粉末采用激光熔覆技术堆焊到叶片最易受蒸汽冲蚀的位置，堆焊完成后再对堆焊层表面进行机加工，使其满足叶片的尺寸要求，并得到最终的带有合金层的叶片；
所述W、Nb粉末的含量分别为堆焊混合粉末重量的1-2％，W与Nb的比例为1：1，而Hf粉末为堆焊混合粉末重量的0.3-0.5％。
2.如权利要求1所述一种汽轮机叶片合金层的堆焊方法，其特征在于所述球磨混合时转速为250-300转/分，球磨时间30分钟，球磨球料重量比为(5-8)：1。
3.如权利要求1所述一种汽轮机叶片合金层的堆焊方法，其特征在于堆焊激光功率控制在800-1000W，扫描速度控制在700-800mm/min，激光光斑直径控制在1-1.5mm，送粉速率20-30g/min。
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