CN114000141A - 汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层及其制备方法，属于材料表面防护与绿色再制造领域，由铁基金属粉末以及添加于铁基金属粉末中的10%WC+4%CeO2颗粒制备而成，10%WC+4%CeO2作为强韧相。铁基金属粉末的成为包括Fe、Cr、Ni和Si，铁基金属粉末颗粒的粒度为200目，球形WC和CeO2复合粉末的粒度为80目。本发明制备的汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层具有高硬度、高强度、高韧性，耐水滴冲蚀性能优异，能够有效的提高汽轮机叶片的使用寿命，并且制备方法简单。
Description
技术领域
本发明属于材料表面防护与绿色再制造领域，具体涉及一种汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层及其制备方法。
背景技术
2Cr12NiMo1W1V属于马氏体不锈钢，汽轮机叶片用钢。汽轮机是把较高温度和压力的蒸汽热能转变为机械能的旋转式动力机械。叶片作为火电和核电站汽轮机最精细、最重要的关键零件之一，长期处于极为恶劣的环境下工作。运行中的叶片事故率占汽轮机总事故率的比例高达40%，其事故次数及事故造成的经济损失均占首位。这些事故主要是在低压部分，特别是低压末级部分，由于蒸汽湿度大，叶片极易遭到水滴冲蚀（简称水蚀）。水滴冲蚀损伤对汽轮机的安全和可靠运行影响非常大，国内外科研机构和汽轮机厂都进行研究，并尝试采用各类表面防护技术延缓叶片水滴冲蚀的技术问题。
表面防护与绿色再制造技术是以优质、高效、节能、节材、环保为目标，以先进表面防护技术和产业化生产为手段，可对金属部件进行预防护处理或者修复损伤部件的一系列技术措施，进而对长期服役后的损伤部件或新部件进行延寿。绿色再制造技术包含修复技术、表面防护技术、先进的无损检测技术、寿命评估技术、质量控制等先进技术。
激光熔覆技术以高功率激光束为热源，运用非接触光加工的方式，可为易磨损和腐蚀的部件进行预防护，或者对损伤部件（或部位）进行再制造修复，而提供解决的技术方案。激光能量密度高度集中，基体与熔覆层为冶金结合，基体受到的热影响较小、不易变形，基体材料对熔覆层的稀释率很小，冷却速度很快，熔覆层组织晶粒细小并且分布均勾。激光熔覆还可以改变工艺参数，能实现控制成分和厚度，具有工艺灵活、自动化程度高等特点；通过搭配不一样的合金粉末，能开发出不同的熔覆材料，根据不同的性能要求选择不同的熔覆材料体系。激光熔覆技术形成的高质量涂层是远优于传统的堆焊修复、热喷涂、气相沉枳、化学镀等表面修复方法，体现了激光熔覆技术的应用广泛和优越性；可用于预防护或再制造修复电站关键部件，尤其汽轮机关键部件（如叶片、叶轮等）面临苛刻的服役条件，影响机组的稳定性。相比镍基和钴基合金，铁基合金熔覆层与基材成分接近，润湿性和匹配性更好，界面结合更加牢固，而且成本低，在铁基粉末中加入10%WC+4%CeO2，可进一步提高熔覆层的力学性能和耐水滴冲蚀性能，延长汽轮机叶片的使用寿命，易用于汽轮机叶片预防护或再制造修复。因此研发一种汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层以及制备方法，以提高易水滴冲蚀部件的使用寿命，具有重大工程应用价值与推广应用价值，可推广应用于浆液循环泵、循环水泵等电站关键部件，以及水电和风电机组关键金属部件的防腐防磨应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层及其制备方法，该86%Fe+10%WC+4%CeO2复合粉末激光熔覆层能够有效的提高汽轮机叶片的使用寿命，并且制备方法简单。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层，其特征是，由铁基金属粉末以及添加于铁基金属粉末中的10%WC+4%CeO2颗粒制备而成，10%WC+4%CeO2作为强韧相。
铁基金属粉末的成为包括Fe、Cr、Ni和Si，铁基金属粉末颗粒的粒度为200目，球形WC和CeO2复合粉末的粒度为80目。
所述汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层的厚度为1.5mm。
所述汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层的制备方法包括以下步骤：
1）采用2Cr12NiMo1W1V叶片用钢为基材、熔覆层选材为86%Fe+10%WC+4%CeO2；
2）进行混粉工作，采用机械式混粉方式，利用电子天平进行称量，将强化相粉末与铁粉进行混粉；
3）混粉完成后将混合的粉末在烘箱中干燥，保证粉末干燥，不会产生块状凝结物；
4）用240、400和600号砂纸处理2Cr12NiMo1W1V钢的表面；然后，用丙酮溶液对基材进行清洗，以进一步去除表面的油和其他杂质；
5）在惰性气体的保护中，采用激光熔覆方式将复合粉末熔覆在汽轮机叶片基材表面得到高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层。
步骤5）的具体操作为：激光熔覆完成后，熔覆层厚度为1.5mm、基体厚度为3.5mm；依次使用90、360、600、1000、1500、2000号水砂纸进行打磨，每道磨光工序的磨痕方向与上道工序的磨痕方向垂直，保证在打磨过程中除去上一道的变形层，保证试样磨面保持平整并平行于原来的磨面；以此类推，直至试样磨面无明显划痕为止；用水溶性金刚石抛光剂抛光至镜面，酒精清洗，冷风吹干，放置干燥箱中备用，用于力学性能和水滴冲蚀性能测试与分析。
步骤5）中，采用激光熔覆的方式将复合粉末熔覆在基材表面的过程中，激光的功率为1500W，激光扫描速度为2.6mm/s，送粉速度为24g/min，激光光斑直径为3mm。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明中汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层由铁基金属粉末以及添加于铁基金属粉末中的10%WC+4%CeO2颗粒制备而成，铁基金属粉末主要构成元素Fe-Cr-Ni-Si，其中，Cr可以细化激光熔覆层中的组织晶粒且能够与C形成碳化物，使激光熔覆层具有良好的耐磨性和耐蚀性，同时提高激光熔覆层的淬透性、硬度、强度及韧性；Si能够增加熔池金属的流动性，减少裂纹倾向性，有利于激光熔覆层表面成形；Ni作为合金中主要组成元素，为面心立方结构，高温下形成稳定的奥氏体相。这些元素使激光熔覆层能够有效的提高使用寿命，并且在制备过程中，通过激光熔覆的方式将铁基金属粉末熔覆在部件表面即可，操作简单、方便。经实验，本发明所形成的汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层外观质量较好、无开裂现象、组织致密且细化，并且力学性能、耐水蚀性能得到较大的提高。
附图说明
图1为本发明中汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层与基材的SEM图；
图2为本发明中汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层与基材的质量损失对比图；
图3为本发明中汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层与基材的显微硬度对比图；
图4为本发明中汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层与基材的冲击性能对比图；
图5为本发明中汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层与基材的抗拉强度对比图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
本实施例中，一种汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层，由铁基金属粉末以及添加于铁基金属粉末中的10%WC+4%CeO2颗粒制备而成，10%WC+4%CeO2作为强韧相。
铁基金属粉末的成分包括Fe、Cr、Ni和Si，铁基金属粉末颗粒的粒度为200目，球形WC和CeO2复合粉末的粒度为80目。
所述汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层的厚度为1.5mm。
所述汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层的制备方法包括以下步骤：
1）采用2Cr12NiMo1W1V叶片用钢为基材、熔覆层选材为86%Fe+10%WC+4%CeO2；
2）进行混粉工作，采用机械式混粉方式，利用电子天平进行称量，将强化相粉末与铁粉进行混粉；
3）混粉完成后将混合的粉末在烘箱中干燥，保证粉末干燥，不会产生块状凝结物；
4）用240、400和600号砂纸处理2Cr12NiMo1W1V钢的表面；然后，用丙酮溶液对基材进行清洗，以进一步去除表面的油和其他杂质；
5）在惰性气体的保护中，采用激光熔覆方式将复合粉末熔覆在汽轮机叶片基材表面得到高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层。
步骤5）的具体操作为：激光熔覆完成后，熔覆层厚度为1.5mm、基体厚度为3.5mm；依次使用90、360、600、1000、1500、2000号水砂纸进行打磨，每道磨光工序的磨痕方向与上道工序的磨痕方向垂直，保证在打磨过程中除去上一道的变形层，保证试样磨面保持平整并平行于原来的磨面；以此类推，直至试样磨面无明显划痕为止；用水溶性金刚石抛光剂抛光至镜面，酒精清洗，冷风吹干，放置干燥箱中备用，用于力学性能和水滴冲蚀性能测试与分析。
步骤5）中，采用激光熔覆的方式将复合粉末熔覆在基材表面的过程中，激光的功率为1500W，激光扫描速度为2.6mm/s，送粉速度为24g/min，激光光斑直径为3mm。
对汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层的形貌表征采用扫描电镜(SEM)进行检测；力学性能基于拉伸试验机、冲击试验机及显微硬度计进行试验与评价；利用水滴冲蚀试验机进行试验与分析。
图1为汽机轮叶片钢2Cr12NiMo1W1V基材与耐水蚀激光熔覆层的SEM图，由图可知，2Cr12NiMo1W1V钢基材的水滴冲蚀损伤比86%Fe+10%WC+4%CeO2熔覆层严重，水滴冲击处存在明显的水滴冲蚀坑和冲击裂纹，表明发生了严重的水滴冲蚀，如图1(a)所示。86%Fe+10%WC+4%CeO2熔覆层主要由少量凹坑组成，熔覆层水滴冲蚀后磨损面相对基体整体比较平整，如图1(b)所示；表明熔覆层良好的硬度和韧性，可以抵抗软化水的冲蚀破坏作用。
图2为汽机轮叶片钢2Cr12NiMo1W1V基材与耐水蚀激光熔覆层的水滴冲蚀后质量变化情况，熔覆层试样1、2和3的质量损失量为0.115g、0.083g、0.102g，而未熔覆基体试样的减少量为0.125g、0.116 g、0.153g。表明在相同水滴冲蚀的条件下，熔覆层试样质量损失量显著低于未熔覆基体试样，熔覆层有效抵御水滴冲蚀作用。
图3为汽轮机叶片耐水滴冲蚀的激光熔覆试样和未熔覆试样的V型缺口冲击试验数据结果。可以发现，激光熔覆层试样的冲击值26.4J高于未熔覆基材的冲击值22.1J，激光熔覆层试样具有良好的冲击性能。
图4为汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层试样和未熔覆试样的显微硬度，熔覆层试样的硬度为586HV，高于未熔覆试样的显微硬度1倍。86%Fe+10%WC+4%CeO2熔覆层组织晶粒细化且组织均匀，硬度提高。
图5为汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层试样和未熔覆试样的拉伸性能对比，对熔覆层试样和未熔覆试样进行室温拉伸试验，熔覆层试样的平均抗拉强度为858.5MPa，未熔覆试样的抗拉强度为646.5MPa，可见熔覆层试样的抗拉强度显著高于未熔覆层试样。
结合图1至图5，汽轮机叶片经86%Fe+10%WC+4%CeO2熔覆层处理后强韧性和耐水滴冲蚀性能提高，这是强化和韧化机制共同作用的结果。在激光熔覆过程中析出的细小碳化物对熔覆层组织起到析出强化作用；4%CeO2可以细化熔覆层组织，二次枝晶的间距减小，提高强度和塑韧性；球形86%Fe+10%WC+4%CeO2流动性好，溶解充分并更均匀的分布在激光熔覆层组织中，提高熔覆层的抗变形、抗冲蚀能力；以上几种因素导致熔覆层的强度、韧性和抗水滴冲蚀能力提高，致使熔覆层的水滴冲蚀导致的质量变化小。
本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层，其特征是，由铁基金属粉末以及添加于铁基金属粉末中的10%WC+4%CeO2颗粒制备而成，10%WC+4%CeO2作为强韧相。
2.根据权利要求1所述的汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层，其特征是，铁基金属粉末的成分包括Fe、Cr、Ni和Si。
3.根据权利要求1或2所述的汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层，其特征是，铁基金属粉末颗粒的粒度为200目，球形WC和CeO2复合粉末的粒度为80目。
4.根据权利要求1所述的汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层，其特征是，所述汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层的厚度为1.5mm。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
1）采用2Cr12NiMo1W1V叶片用钢为基材、熔覆层选材为86%Fe+10%WC+4%CeO2；
2）进行混粉工作，采用机械式混粉方式，利用电子天平进行称量，将强化相粉末与铁粉进行混粉；
3）混粉完成后将混合的粉末在烘箱中干燥，保证粉末干燥，不会产生块状凝结物；
4）用240、400和600号砂纸处理2Cr12NiMo1W1V钢的表面；然后，用丙酮溶液对基材进行清洗，以进一步去除表面的油和其他杂质；
5）在惰性气体的保护中，采用激光熔覆方式将复合粉末熔覆在汽轮机叶片基材表面得到高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层。
6.根据权利要求5所述的汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层的制备方法，其特征是，步骤5）的具体操作为：激光熔覆完成后，熔覆层厚度为1.5mm、基体厚度为3.5mm；依次使用90、360、600、1000、1500、2000号水砂纸进行打磨，每道磨光工序的磨痕方向与上道工序的磨痕方向垂直，保证在打磨过程中除去上一道的变形层，保证试样磨面保持平整并平行于原来的磨面；以此类推，直至试样磨面无明显划痕为止；用水溶性金刚石抛光剂抛光至镜面，酒精清洗，冷风吹干，放置干燥箱中备用，用于力学性能和水滴冲蚀性能测试与分析。
7.根据权利要求5或6所述的汽轮机叶片高强韧耐水滴冲蚀的激光熔覆层的制备方法，其特征是，步骤5）中，采用激光熔覆的方式将复合粉末熔覆在基材表面的过程中，激光的功率为1500W，激光扫描速度为2.6mm/s，送粉速度为24g/min，激光光斑直径为3mm。
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