CN110424010B - 提高钎焊司太立合金抗水蚀性能的激光熔覆涂层及制备方法 - Google Patents

提高钎焊司太立合金抗水蚀性能的激光熔覆涂层及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高钎焊司太立合金抗水蚀性能的激光熔覆涂层及制备方法，在钎焊于汽轮机叶片的司太立合金基体表面激光熔覆涂层，涂层由连续相镍基合金材料与弥散强化相碳化钨颗粒组成，其中WC颗粒为球形，有效消除了尖角引起的应力集中，涂层不会发生开裂，而且WC颗粒表面具有一定厚度的氧化钨，避免了WC被熔化的镍基合金过度溶解，实现了对镍基合金相的最优弥散强化，涂层利用激光熔覆技术制备，效率高易操作，制备得到的涂层致密、无裂纹、孔隙率低。本发明提供的一种抗水蚀激光熔覆WC镍基涂层及其制备方法可用于大型核电汽轮机、火电汽轮机叶片表面抗水蚀涂层及制造和修复再制造，有效提高部件的服役性能和使用寿命。

Description

提高钎焊司太立合金抗水蚀性能的激光熔覆涂层及制备方法
技术领域
本发明涉及抗水蚀涂层技术领域，特别涉及一种提高钎焊司太立合金抗水蚀性能的激光熔覆涂层及制备方法。
背景技术
核电机组、火电机组汽轮机叶片长期在湿蒸汽下工作，极易遭受水蚀，汽轮机每级叶片的工作温度都不相同，第一级叶片所处的温度最高，最高达580℃左右，随后由于蒸汽做功，温度逐步降低，当温度低于100℃，蒸汽中产生水滴，对高速运转的叶片进气侧产生水蚀损伤。随着我国越来越多的机组开展深度调峰，经过灵活性改造的机组，在深度调峰过程中蒸汽湿度更大，回流的蒸汽携带水滴冲击高速旋转的动叶片下半部的出汽边，对汽轮机末级叶片出汽边也产生严重的水蚀损伤。水蚀问题的存在不仅降低了汽轮机的热效率，而且极易在水蚀区域造成应力集中萌生裂纹，如不及时加以防护，叶片水蚀损伤扩展可能会导致叶片的断裂失效，造成机组设备损坏的严重事故。
目前防止汽轮机水蚀最普遍的方法是在叶片背弧侧钎焊司太立合金片，然而，钎焊部位存在未结合区，接缝处会产生应力腐蚀，导致叶片沿司太立合金片间隙处产生横向裂纹，且在高速运行时还可能发生合金片脱落，对机组造成破坏性影响。为此，在叶片表面制备一层抗水蚀涂层成为提高叶片防水蚀性能和安全可靠性能的关键。然而，目前的等离子喷涂、火焰喷涂等技术制备的涂层结合强度低，为机械结合，难以达到较好的防水蚀效果，而激光熔覆技术作为一种高效可靠的表面改性技术，被应用于部件表面处理与防护涂层制备，涂层与基体可实现冶金结合。公开号为CN102453896A的中国发明专利申请给出了一种汽轮机末级叶片进气边表面耐磨抗蚀合金涂层的制备方法，利用激光熔覆技术在叶片表面制备钴基合金涂层，实现耐磨抗蚀的效果。公开号为CN103276391B的中国发明专利给出了一种末级长叶片耐水蚀涂层的制造方法，同样是利用激光熔覆技术在叶片表面制备钴基合金涂层，实现叶片耐水蚀的效果。以上专利所保护技术内容尽管能实现冶金结合，但激光熔覆Co基合金层与传统司太立合金的块材相比，其抗水蚀性能未能得到明显提高与改善；在激光熔覆过程中加入碳化钨(WC)颗粒是表面工程中一种常用的技术手段以抬高涂层的耐磨性能，然而仍然存在以下问题：①高含量及具有尖角的的WC易引起涂层开裂，导致涂层失效，通常当WC含量超过30％涂层制备过程中不可避免的会形成裂纹；②WC易被高温熔化分解导致其耐磨性不足。
发明内容
针对核电机组、火电机组汽轮机叶片抗水蚀的关键难题，本发明的目的在于提供一种提高钎焊司太立合金抗水蚀性能的激光熔覆涂层及制备方法，进一步解决激光熔覆过程中的开裂和耐磨性能降低的问题，提高司太立合金抵抗水蚀侵害的能力，从而大幅度提高汽轮机叶片服役性能、延长服役寿命。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种提高钎焊司太立合金抗水蚀性能的激光熔覆涂层，在钎焊于汽轮机叶片的司太立合金基体表面激光熔覆涂层，涂层由镍基合金材料与碳化钨WC颗粒组成，其中镍基合金材料为连续相，WC颗粒均匀分布在连续相中，涂层厚度0.5mm-6mm，孔隙率小于1％，涂层内孔隙为球形，最大孔隙尺寸≤30m，无横向与纵向联通孔隙；涂层无裂纹，涂层大幅提高司太立合金抗水蚀功能；其中，WC颗粒为球形以消除尖角引起的应力集中，WC颗粒表面具有一定厚度的氧化钨层以避免WC颗粒被熔化的镍基合金过度溶解以及粘结相增碳引起开裂。
进一步的，镍基合金材料为NiCrBSi(Ni25)、Ni625和、25％NiCr-Cr2C3合金中的一种或两种，粒径为5～125m。
进一步的，WC颗粒为球形，椭圆度1～1.5，粒径为5～125m。
进一步的，WC颗粒表面具有氧化钨层，厚度为0.01m～1m。
进一步的，涂层中WC质量含量为30wt％～60wt％，具体可为30wt％、45wt％、60wt％。
进一步的，涂层内孔隙为球形，最大孔隙尺寸≤30μm，无横向与纵向联通孔隙。
为了实现上述涂层，本发明提供了如下制备方法，包含以下步骤：
(1)将镍基合金粉末与WC颗粒干燥，按一定质量百分比均匀混合；对司太立合金表面进行预处理后，水平放置；
(2)选用半导体激光器，设定激光输出功率与激光扫描轨迹，调整光斑直径与搭接量，设置激光扫描速度；
(3)铺粉与激光熔覆同时进行，使铺粉焦点位置与激光焦点位置重合，调节铺粉速度与激光扫描速度同步，调节冷却气体流量与清扫体气流量，进行混合粉末熔覆；
(4)重复步骤(3)经多层熔覆后，制备得到所述抗水蚀激光熔覆涂层。
进一步的，镍基合金粉末的粒径为5～125m。
进一步的，步骤(1)中，镍基合金粉末与WC干燥温度为80℃～120℃，干燥时间0.5h～2h；司太立合金表面预处理包括表面污染物去除、喷砂、清洗与干燥。
进一步的，步骤(2)中，激光熔覆过程中出光功率为1000W～5000W，光斑直径1mm～5mm，搭接量1mm～4mm，激光扫描速度100mm/min～800mm/min。
进一步的，步骤(3)中，铺粉速度与激光扫描速度相同，铺粉量2g/min～50g/min，冷却气体流量10～20L/min，清扫气体流量5～15L/min。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明基于提高汽轮机叶片抗水蚀性能的迫切需求，在利用钎焊司太立合金提高汽轮机叶片抗水性的同时，在司太立合金表面激光熔覆抗水蚀WC涂层，从涂层结构设计与性能出发，首先，选用球形WC颗粒为第二相材料，有效消除了无规则多边形颗粒尖角引起的应力集中，从而避免了涂层的开裂；其次，控制颗粒表面氧化钨厚度，成功避免了WC被熔化的镍基合金过度溶解，同时防止了涂层中基体相的增碳硬化现象，实现对镍基合金相的最优弥散强化；最后，在不影响涂层力学性能的前提下通过简单易行的激光熔覆方法制备这种致密的抗水蚀涂层，涂层无裂纹，孔隙率≤1％，进一步提高了司太立合金抗水蚀性能，大幅提高了汽轮机叶片的服役性能和寿命。本发明可用于大型核电汽轮机、火电汽轮机叶片表面抗水蚀涂层及制造和修复再制造。
附图说明
图1为WC质量含量为30wt％的抗水蚀激光熔覆WC镍基涂层。
图2为WC质量含量为45wt％的抗水蚀激光熔覆WC镍基涂层。
图3为WC质量含量为60wt％的抗水蚀激光熔覆WC镍基涂层。
具体实施方式
以下是发明人给出的具体实施例，需要说明的是，这些实施例是本发明较优的例子，用于本领域的技术人员理解本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1：
(1)选用粒径为5m～30m的Ni625粉末与粒径为5m～125m的球形WC颗粒，均匀混合后在120℃下干燥0.5h，其中，WC颗粒表面氧化钨厚度0.05m～1m，椭圆度1～1.5，WC颗粒质量占Ni625粉末与WC颗粒总质量的30wt％；
(2)利用丙酮溶液清洗司太立合金基体表面污染物，对司太立合金基体表面进行喷砂处理，喷砂后司太立合金基体粗糙度为10m，利用乙醇溶液将司太立合金基体洗净并干燥，将司太立合金基体夹持在移动式平台上；
(3)激光熔覆采用通快Trulaser 4006激光器进行熔覆，激光熔覆过程中出光功率为1000W，光斑直径5mm，搭接量4mm，激光扫描速度800mm/min；
(4)铺粉速度为800mm/min，铺粉量为2g/min，冷却气体流量10L/min，清扫气体流量5L/min；
(5)将混合粉末通过铺粉器送入激光辐照的熔池中，在司太立合金表面凝固形成与司太立合金为冶金结合的熔覆层；
(6)重复步骤(5)15次，制备得到厚度为6mm的抗水蚀激光熔覆WC镍基涂层，如图1所示。
实施例2：
(1)选用粒径为30m～80m的25％NiCr-Cr2C3粉末与粒径为5m～125m的球形WC颗粒，均匀混合后在100℃下干燥1h，其中，WC颗粒表面氧化钨厚度0.05m～1m，椭圆度1～1.5，WC颗粒质量占Ni625粉末与WC颗粒总质量的45wt％；
(2)利用丙酮溶液清洗司太立合金基体表面污染物，对司太立合金基体表面进行喷砂处理，喷砂后司太立合金基体粗糙度为10m，利用乙醇溶液将司太立合金基体洗净并干燥，将司太立合金基体夹持在移动式平台上；
(3)激光熔覆采用通快Trulaser 4006激光器进行熔覆，激光熔覆过程中出光功率为2500W，光斑直径3mm，搭接量2mm，激光扫描速度500mm/min；
(4)铺粉速度为500mm/min，铺粉量为30g/min，冷却气体流量16L/min，清扫气体流量9L/min；
(5)将混合粉末通过铺粉器送入激光辐照的熔池中，在司太立合金表面凝固形成与司太立合金为冶金结合的熔覆层；
(6)重复步骤(5)6次，制备得到厚度为6mm的抗水蚀激光熔覆WC镍基涂层，如图2所示。
实施例3：
(1)选用粒径为80m～125m的NiCrBSi粉末与粒径为5m～125m的球形WC颗粒，均匀混合后在80℃下干燥2h，其中，WC颗粒表面氧化钨厚度0.05m～1m，椭圆度1～1.5，WC颗粒质量占Ni625粉末与WC颗粒总质量的60wt％；
(2)利用丙酮溶液清洗司太立合金基体表面污染物，对司太立合金基体表面进行喷砂处理，喷砂后司太立合金基体粗糙度为10μm，利用乙醇溶液将司太立合金基体洗净并干燥，将司太立合金基体夹持在移动式平台上；
(3)激光熔覆采用通快Trulaser 4006激光器进行熔覆，激光熔覆过程中出光功率为5000W，光斑直径1mm，搭接量1mm，激光扫描速度100mm/min；
(4)铺粉速度为100mm/min，铺粉量为50g/min，冷却气体流量20L/min，清扫气体流量15L/min；
(5)将混合粉末通过铺粉器送入激光辐照的熔池中，在司太立合金表面凝固形成与司太立合金为冶金结合的熔覆层；
(6)重复步骤(5)3次，制备得到厚度为6mm的抗水蚀激光熔覆WC镍基涂层，如图3所示。
实施例4：
(1)选用粒径为15m～45m的NiCrBSi/Ni625混合合金粉末与粒径为5m～125m的球形WC颗粒，均匀混合后在100℃下干燥1h，其中，WC颗粒表面氧化钨厚度0.05m～1m，椭圆度1～1.5，WC颗粒质量占Ni625粉末与WC颗粒总质量的60wt％；
(2)利用丙酮溶液清洗司太立合金基体表面污染物，对司太立合金基体表面进行喷砂处理，喷砂后司太立合金基体粗糙度为10μm，利用乙醇溶液将司太立合金基体洗净并干燥，将司太立合金基体夹持在移动式平台上；
(3)激光熔覆采用通快Trulaser 4006激光器进行熔覆，激光熔覆过程中出光功率为3000W，光斑直径2mm，搭接量2.5mm，激光扫描速度550mm/min；
(4)铺粉速度为550mm/min，铺粉量为20g/min，冷却气体流量12L/min，清扫气体流量8L/min；
(5)将混合粉末通过铺粉器送入激光辐照的熔池中，在司太立合金表面凝固形成与司太立合金为冶金结合的熔覆层；
(6)重复步骤(5)5次，制备得到厚度为4mm的抗水蚀激光熔覆WC镍基涂层。
实施例5：
(1)选用粒径为45m～60m的NiCrBSi/25％NiCr-Cr2C3混合合金粉末与粒径为5m～125m的球形WC颗粒，均匀混合后在100℃下干燥1h，其中，WC颗粒表面氧化钨厚度0.05m～1m，椭圆度1～1.5，WC颗粒质量占Ni625粉末与WC颗粒总质量的60wt％；
(2)利用丙酮溶液清洗司太立合金基体表面污染物，对司太立合金基体表面进行喷砂处理，喷砂后司太立合金基体粗糙度为10m，利用乙醇溶液将司太立合金基体洗净并干燥，将司太立合金基体夹持在移动式平台上；
(3)激光熔覆采用通快Trulaser 4006激光器进行熔覆，激光熔覆过程中出光功率为1500W，光斑直径4mm，搭接量1mm，激光扫描速度600mm/min；
(4)铺粉速度为600mm/min，铺粉量为5g/min，冷却气体流量14L/min，清扫气体流量12L/min；
(5)将混合粉末通过铺粉器送入激光辐照的熔池中，在司太立合金表面凝固形成与司太立合金为冶金结合的熔覆层；
(6)重复步骤(5)1次，制备得到厚度为0.5mm的抗水蚀激光熔覆WC镍基涂层。

Claims (7)

1.一种提高钎焊司太立合金抗水蚀性能的激光熔覆涂层，其特征在于：在钎焊于汽轮机叶片的司太立合金基体表面激光熔覆涂层，该涂层由镍基合金材料与碳化钨WC颗粒组成，其中镍基合金材料为连续相，WC颗粒以弥散强化相均匀分布在连续相中，涂层厚度0.5mm-6mm，孔隙率小于1％，涂层内孔隙为球形，最大孔隙尺寸≤30μm，无横向与纵向联通孔隙；涂层无裂纹，涂层大幅提高司太立合金抗水蚀性能；其中，WC颗粒为球形以消除尖角引起的应力集中，WC颗粒表面具有一定厚度的氧化钨层以避免WC颗粒被熔化的镍基合金过度溶解以及粘结相增碳引起的开裂。
2.根据权利要求1所述的一种提高钎焊司太立合金抗水蚀性能的激光熔覆涂层，其特征在于：所述镍基合金材料为NiCrBSi、Ni625和25％NiCr-Cr2C3合金中的一种或两种混合。
3.根据权利要求1所述的一种提高钎焊司太立合金抗水蚀性能的激光熔覆涂层，其特征在于：所述WC颗粒表面的氧化钨层厚度为0.05μm～1μm。
4.根据权利要求1所述的一种提高钎焊司太立合金抗水蚀性能的激光熔覆涂层，其特征在于：所述WC颗粒为球形，椭圆度1～1.5，粒径为5～125μm。
5.根据权利要求1所述的一种提高钎焊司太立合金抗水蚀性能的激光熔覆涂层，其特征在于：所述涂层中WC颗粒的质量含量为30wt％～60wt％。
6.一种提高钎焊司太立合金抗水蚀性能的激光熔覆涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将镍基合金粉末与表面具有氧化钨层WC颗粒干燥，按一定质量百分比均匀混合；对司太立合金表面进行预处理后，水平放置；所述镍基合金粉末为NiCrBSi、Ni625和25％NiCr-Cr2C3合金中的一种或两种混合，镍基合金粉末的粒径为5～125μm；所述表面具有氧化钨层WC颗粒为球形，粒径为5～125μm；
(2)选用半导体激光器，设定激光输出功率与激光扫描轨迹，调整光斑直径与搭接量，设置激光扫描速度；
(3)铺粉与激光熔覆同时进行，使铺粉焦点位置与激光焦点位置重合，调节铺粉速度与激光扫描速度同步，调节冷却气体流量与清扫体气流量，进行混合粉末熔覆；
(4)重复步骤(3)经多层熔覆后，制备得到所述抗水蚀激光熔覆涂层，涂层中WC颗粒的质量含量为30wt％～60wt％；
步骤(2)中，激光熔覆过程中出光功率为1000W～5000W，光斑直径1mm～5mm，搭接量1mm～4mm，激光扫描速度100mm/min～800mm/min；
步骤(3)中，铺粉速度与激光扫描速度相同，铺粉量2g/s～50g/s，冷却气体流量10～20L/min，清扫气体流量5～15L/min。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，镍基合金粉末与WC颗粒的干燥温度为80℃～120℃，干燥时间0.5h～2h；司太立合金表面预处理包括表面污染物去除、喷砂、清洗与干燥。
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