CN114438489A - Trt叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层、制备方法及trt叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明属于TRT叶片涂层，为解决目前的金属表面激光强化技术，存在无法实现叶片整体耐腐蚀性能、叶片变形量大，以及不适用于三维扭曲结构的技术问题，提供一种TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层、制备方法及TRT叶片，在叶片表面依次制备镍基合金防腐层、过渡层和WC耐磨层，在制备过程中，不同层根据其作用与成分的不同，配置不同的工艺参数，在三维扭曲TRT叶片表面制备出各层厚度不同的梯度涂层。通过本发明的制备方法制备涂层，叶片因熔覆造成的变形量小，涂层厚度均匀无裂纹，叶片表面全包裹防腐耐磨涂层，极大提升了TRT叶片寿命。
Description
技术领域
本发明属于TRT叶片涂层，具体涉及一种TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层、制备方法及TRT叶片。
背景技术
叶片是能量回收透平机组中极为重要的零部件，目前，能量回收透平机组常用的叶片材料为马氏体沉淀硬化不锈钢，常用的表面防腐材料为热喷涂耐蚀合金。但随着炼铁工艺流程的变更，各炼铁高炉用能量回收透平设备的工况逐渐由高温中性介质环境向低温高酸介质环境转变，导致原有的叶片材料及防腐材料不适用于高炉环境，需采用新的叶片表面防腐耐磨工艺。
激光熔覆为新型技术之一，目前，该技术主要用于再制造与表面强化。在叶片结构中，激光熔覆的主要应用领域为激光再制造。而在激光表面强化领域，激光熔覆主要用于规则的金属表面，例如轴、盘等。对三维扭薄叶片结构，因结构扭度大，尺寸薄，要使激光熔覆的送粉角度始终垂直于工件表面，就会使叶片表面变形的控制难度很大。此外，激光熔覆镍基合金涂层耐磨性差，采用WC颗粒强化时，存在高含量WC易引起涂层开裂问题。
综上所述，目前的叶片表面激光强化存在若局部强化则需要牺牲整体可靠性、变形量大需要二次加工、防腐耐磨功能差等问题。例如，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，实现耐磨抗蚀效果，但其并非叶身全包裹，不能实现叶片整体耐腐蚀性能。公开号为CN103668188A的中国发明专利在叶片表面制备激光熔覆涂层，但工艺实施后叶片变形量为2mm，改变了叶片原始型线。公开号为CN110424010A的中国发明专利，采用固定的激光熔覆参数，在金属基体表面制备了连续相镍基合金材料与弥散强化相碳化钨颗粒激光熔覆涂层，但该方法仅能应用于形状规则的金属基板，不适用于三维扭曲结构的叶片。
发明内容
本发明为解决目前的金属表面激光强化技术，存在无法实现叶片整体耐腐蚀性能、叶片变形量大，以及不适用于三维扭曲结构的技术问题，提供一种TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层的制备方法、使用该方法制备的防腐耐磨涂层及具有该防腐耐磨涂层的TRT叶片。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1，根据叶片型线数据，在氮气或惰性保护气体氛围下，采用镍基合金粉末通过激光熔覆，在叶片表面制备镍基合金防腐层；
S2，待叶片冷却至室温且表面打磨抛光后，根据叶片型线数据，在氮气或惰性保护气体氛围下，采用镍基合金粉末与WC粉末混合物通过激光熔覆，在镍基合金防腐层表面制备过渡层，其中，WC粉末的含量为8-15wt％；
S3，待叶片冷却至室温且表面打磨抛光后，根据叶片型线数据，在氮气或惰性保护气体氛围下，采用镍基合金粉末与WC粉末混合物通过激光熔覆，在过渡层表面制备WC耐磨层，其中，WC粉末的含量为20-30wt％，完成由镍基合金防腐层、过渡层和WC耐磨层组成的防腐耐磨涂层的制备；
其中，步骤S1至步骤S3中，激光熔覆的功率依次增大，且镍基合金防腐层、过渡层和WC耐磨层的厚度依次降低。
进一步地，步骤S1、步骤S2和步骤S3中，所述激光熔覆的激光功率和送粉量，随叶片型面变化量增大而减小。
进一步地，步骤S2和步骤S3中，所述激光熔覆的激光功率随WC粉末的含量增大而增大。
进一步地，步骤S1、步骤S2和步骤S3中，所述激光熔覆的扫描速度为2-4r/min，搭接率为1.4-1.8，光斑直径为3-4mm。
进一步地，步骤S1、步骤S2和步骤S3中，所述激光熔覆具体为，
所述叶片型线数据中，若叶片沿三维直角坐标系X轴方向每前进1mm，沿Z轴方向变化小于1mm时：步骤S1中，所述激光熔覆的功率为1250W，送粉速度为30g/min；步骤S2中，所述激光熔覆的功率为1350W，送粉速度为30g/min；步骤S3中，所述激光熔覆的功率为1450W，送粉速度为30g/min；
所述叶片型线数据中，若叶片沿三维直角坐标系X轴方向每前进1mm，沿Z轴方向变化大于等于1mm时：步骤S1中，所述激光熔覆的功率为1200W，送粉速度为25g/min；步骤S2中，所述激光熔覆的功率为1350W，送粉速度为25g/min；步骤S3中，所述激光熔覆的功率为1400W，送粉速度为25g/min。
进一步地，步骤S1中、步骤S2中和步骤S3中，所述镍基合金粉末，包括以下组分：
C为0.08-11wt.％，Si为0.30-63wt.％，Mo为7.9-8.62wt.％，Cr为19.2-20.35wt.％，Nb为3.31-3.90wt.％，其余为Ni；
且镍基合金粉末的粒径为150-300目。
进一步地，步骤S2和步骤S3中，所述WC粉末的粒径为150-300目。
进一步地，所述镍基合金防腐层的厚度为0.3-0.5mm，所述过渡层的厚度为0.2-0.4mm，所述WC耐磨层的厚度为0.1-0.15mm。
同时，本发明还提供了一种TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层，其特殊之处在于，由上述TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层的制备方法制得；
所述防腐耐磨涂层的硬度为200-700Hv。
另外，本发明还提供了一种TRT叶片，其特殊之处在于，叶片表面具有上述TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层，且叶片变形量小于1％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层制备方法，在叶片表面依次制备镍基合金防腐层、过渡层和WC耐磨层，在制备过程中，不同层根据其作用与成分的不同，配置不同的工艺参数，在三维扭曲TRT叶片表面制备出各层厚度不同的梯度涂层。通过本发明的制备方法制备涂层，叶片因熔覆造成的变形量小，涂层厚度均匀无裂纹，叶片表面全包裹防腐耐磨涂层，极大提升了TRT叶片寿命。
2.本发明涂层中的各层在制备过程中，激光熔覆的激光功率和送粉量，随叶片型面变化量增大而减小，过渡层和WC耐磨层制备时，激光功率随WC粉末的含量增大而增大，由于叶片为三维扭曲结构，若整个工件工艺参数一致，则无法始终保持叶片表面熔覆总热输入量一致，为防止出气边或叶型变化剧烈的地方因圆弧小而引起变形和过烧，这样的加工方法，可根据涂层中各层的成分及叶片型线曲率，调整激光功率和送粉速度。
3.本发明中根据叶片型线数据，调整激光熔覆的具体工艺参数，使得涂层在制备时能够根据叶片型线进行调整，更具有针对性，涂层的制备效果更佳。
4.本发明还对涂层制备中的镍基合金粉末组成、镍基合金粉末粒径、WC粉末粒径，以及涂层中各层厚度进行了研究，得到了最优的结论，与本发明制备方法中的其他工艺参数相结合，能够得到效果更优的涂层。
5.本发明TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层，经验证，涂层硬度能够达到200-700Hv，相较现有TRT叶片涂层，表面硬度提升了100-300Hv。
6.本发明TRT叶片，通过上述的制备方法在叶片表面制备了防腐耐磨涂层，除了使叶片表面具备高硬度能够防腐耐磨的涂层，叶片因涂层制备的变形量还能够控制在小于1％的水平，极大提升了叶片寿命。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
针对现有金属表面激光强化技术应用于叶片时存在的众多问题，本发明提供一种TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层的制备方法，该制备方法可实现三维扭曲薄叶片的叶身全包裹镍基合金防腐层、过渡层与WC耐磨层组成的梯度涂层，涂层均匀无裂纹，镍基合金防腐层的厚度为0.3-0.5mm，过渡层厚度为0.2-0.4mm，WC耐磨层厚度为0.1-0.15mm，整个涂层的硬度为200-700Hv，涂层表面硬度有效提升了100-300Hv，且叶片变形量小于1％，极大提升了叶片寿命。
本发明的制备方法，首先扫描叶片型线数据并转化输入机械控制系统，将叶片表面清洁至无污后装夹于可两轴联动的变位台上，采用同轴送粉五轴联动激光熔覆机械臂，根据叶片型线空间位置变换情况，设置不连续变化工艺参数，在氮气或其它惰性气体保护氛围下，对三维扭曲叶片表面进行激光熔覆，在能量回收透平设备叶片表面制备出具有一定厚度的梯度涂层，该涂层的底层为镍基合金防腐层，中部为过渡层，表面为WC耐磨层。因叶片为三维扭曲结构，若整个叶片表面涂层制备时工艺参数一致，则无法始终保持叶片表面熔覆总热输入量一致，为防止出气边或叶型变化剧烈的地方因为圆弧小而引起变形和过烧情况，本发明的制备方法中，涂层根据成分及叶片型线曲率，调整激光功率和送粉速度，当叶片型面变化大时，为防止过烧和变形，降低激光功率，减少送粉量。在过渡层和WC耐磨层制备时，当WC含量增大，为防止WC过量析出，增大激光功率。具体的制备方法如下：
将叶片装夹于二维变位台上，采用氮气或惰性气体进行保护。将镍基合金粉末置于激光熔覆设备配套送粉器中，启动激光熔覆，完成后，待叶片冷却至室温，将叶片表面打磨抛光后，选取镍基合金粉末与WC粉末混合物，其中，WC粉末含量为8-15wt％，混合后置于激光熔覆配套送粉器中，启动激光熔覆。完成后，待叶片冷却至室温，将叶片表面打磨抛光后，选取镍基合金粉末与WC粉末，其中，WC粉末含量为20-30wt％，混合后置于激光熔覆配套送粉器中，启动激光熔覆。激光熔覆完成后，即完成TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层制备。
本发明的制备方法通过众多实施例验证，如下示出涂层中各层激光熔覆具体方法的优选实施例，其中，制备过程在相应的激光熔覆设备和叶片夹持设备上进行，本发明中仅涉及制备方法，不涉及相关硬件设备：
实施例一
选取透平膨胀机常用叶片，扫描叶片型线数据并导入设备的离线编程软件，将叶片型线数据转化为激光熔覆的熔覆头实施路径数据，编制镍基合金防腐层、过渡层和WC耐磨层激光熔覆的程序，程序对应具体的制备工艺参数，制备过程中使激光熔覆头与叶片表面加工处夹角保持90℃。依次采用镍基合金粉末通过激光熔覆，在叶片表面制备镍基合金防腐层；采用镍基合金粉末与WC粉末混合物通过激光熔覆，在镍基合金防腐层表面制备过渡层，WC粉末粉末的含量为8wt％；采用镍基合金粉末与WC粉末混合物通过激光熔覆，在镍基合金防腐层表面制备WC耐磨层，WC粉末的含量为25wt％。
扫描本实施例中的叶片型线数据时，叶片沿空间直角坐标系X轴方向每前进1mm，Z轴方向的值变化小于1mm的部分，制备镍基合金防腐层时，激光熔覆功率为1250W，送粉速度为30g/min，制备过渡层时，激光熔覆功率为1350W，送粉速度为30g/min，制备WC耐磨层时，激光熔覆功率为1450W，送粉速度为30g/min。叶片沿X轴方向前进1mm，Z轴方向的值变化大于1mm的部分，制备镍基合金防腐层时，激光熔覆功率为1200W，送粉速度为25g/min，制备过渡层时，激光熔覆功率为1350W，送粉速度为25g/min，制备WC耐磨层时，激光熔覆功率为1400W，送粉速度为25g/min。该两部分共同的，扫描速度为4r/min，搭接率为1.4，光斑直径3mm。
其中，镍基合金粉末，包括以下组分：
C为6wt％，Si为20wt％，Mo为8wt％，Cr为20wt％，Nb为3.5wt％，其余为Ni。
且镍基合金粉末的粒径为150-300目，WC粉末的粒径为150-300目。
对得到的涂层和叶片均进行了检测，得到了三维扭曲薄叶片叶身全包裹镍基合金防腐层、过渡层和WC耐磨层组成的梯度涂层，涂层均匀无裂纹，底层的镍基合金防腐层厚度为0.3mm，过渡层厚度为0.2mm，面层的WC耐磨层厚度为0.15mm，涂层硬度为500Hv，叶片变形量为0.8％，涂层表面硬度提升了300Hv，极大提升了叶片寿命。
实施例二
与实施例一的区别在于：
制备过渡层时，WC粉末粉末的含量为15wt％，制备WC耐磨层时，WC粉末粉末的含量为20wt％。
激光熔覆的扫描速度为2r/min，搭接率为1.8，光斑直径4mm。
镍基合金粉末，包括以下组分：
C为11wt％，Si为50wt％，Mo为8.62wt％，Cr为20.35wt％，Nb为3.9wt％，其余为Ni。
得到的涂层中，底层的镍基合金防腐层厚度为0.4mm，过渡层厚度为0.3mm，面层的WC耐磨层厚度为0.1mm，涂层硬度为450Hv，叶片变形量为0.9％。
实施例三
本发明实施例三与实施例一的区别在于：
制备过渡层时，WC粉末粉末的含量为10wt％，制备WC耐磨层时，WC粉末粉末的含量为30wt％。
激光熔覆的扫描速度为3r/min，搭接率为1.5，光斑直径3.6mm。
镍基合金粉末，包括以下组分：
C为4wt％，Si为12wt％，Mo为7.9wt％，Cr为19.2wt％，Nb为3.31wt％，其余为Ni。
得到的涂层中，底层的镍基合金防腐层厚度为0.5mm，过渡层厚度为0.4mm，面层的WC耐磨层厚度为0.15mm，涂层硬度为700Hv，叶片变形量为0.7％。
实施例四
本发明实施例四与实施例一的区别在于：
制备过渡层时，WC粉末粉末的含量为12wt％，制备WC耐磨层时，WC粉末粉末的含量为22wt％。
激光熔覆的扫描速度为3.5r/min，搭接率为1.6，光斑直径3.5mm。
镍基合金粉末，包括以下组分：
C为0.08wt％，Si为8wt％，Mo为8.62wt％，Cr为20.35wt％，Nb为3.9wt％，其余为Ni。
得到的涂层中，底层的镍基合金防腐层厚度为0.4mm，过渡层厚度为0.3mm，面层的WC耐磨层厚度为0.1mm，涂层硬度为600Hv，叶片变形量为0.9％。
实施例五
本发明实施例五与实施例一的区别在于：
制备过渡层时，WC粉末粉末的含量为8wt％，制备WC耐磨层时，WC粉末粉末的含量为28wt％。
激光熔覆的扫描速度为4r/min，搭接率为1.5，光斑直径3mm。
镍基合金粉末，包括以下组分：
C为2wt％，Si为0.3wt％，Mo为7.9wt％，Cr为19.5wt％，Nb为3.6wt％，其余为Ni。
得到的涂层中，底层的镍基合金防腐层厚度为0.3mm，过渡层厚度为0.2mm，面层的WC耐磨层厚度为0.1mm，涂层硬度为300Hv，叶片变形量为0.8％。
实施例六
本发明实施例六与实施例一的区别在于：
制备过渡层时，WC粉末粉末的含量为15wt％，制备WC耐磨层时，WC粉末粉末的含量为26wt％。
激光熔覆的扫描速度为2r/min，搭接率为1.5，光斑直径3mm。
镍基合金粉末，包括以下组分：
C为9wt％，Si为63wt％，Mo为8.3wt％，Cr为20.2wt％，Nb为3.4wt％，其余为Ni。
得到的涂层中，底层的镍基合金防腐层厚度为0.5mm，过渡层厚度为0.3mm，面层的WC耐磨层厚度为0.15mm，涂层硬度为200Hv，叶片变形量为0.6％。
实施例七
本发明实施例七与实施例一的区别在于：
制备过渡层时，WC粉末粉末的含量为10wt％，制备WC耐磨层时，WC粉末粉末的含量为25wt％。
激光熔覆的扫描速度为4r/min，搭接率为1.6，光斑直径4mm。
镍基合金粉末，包括以下组分：
C为0.1wt％，Si为1.5wt％，Mo为8.4wt％，Cr为19.6wt％，Nb为3.8wt％，其余为Ni。
得到的涂层中，底层的镍基合金防腐层厚度为0.4mm，过渡层厚度为0.3mm，面层的WC耐磨层厚度为0.1mm，涂层硬度为400Hv，叶片变形量为0.7％。
本发明的涂层制备方法，能够在叶片表面通过激光熔覆的您发制备厚度均匀、变形微小的防腐耐磨梯度涂层，具有较高的硬度，且叶片变形量小，极大提高了TRT叶片的寿命。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据叶片型线数据，在氮气或惰性保护气体氛围下，采用镍基合金粉末通过激光熔覆，在叶片表面制备镍基合金防腐层；
S2，待叶片冷却至室温且表面打磨抛光后，根据叶片型线数据，在氮气或惰性保护气体氛围下，采用镍基合金粉末与WC粉末混合物通过激光熔覆，在镍基合金防腐层表面制备过渡层，其中，WC粉末的含量为8-15wt％；
S3，待叶片冷却至室温且表面打磨抛光后，根据叶片型线数据，在氮气或惰性保护气体氛围下，采用镍基合金粉末与WC粉末混合物通过激光熔覆，在过渡层表面制备WC耐磨层，其中，WC粉末的含量为20-30wt％，完成由镍基合金防腐层、过渡层和WC耐磨层组成的防腐耐磨涂层的制备；
其中，步骤S1至步骤S3中，激光熔覆的功率依次增大，且镍基合金防腐层、过渡层和WC耐磨层的厚度依次降低。
2.如权利要求1所述TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤S1、步骤S2和步骤S3中，所述激光熔覆的激光功率和送粉量，随叶片型面变化量增大而减小。
3.如权利要求1或2所述TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤S2和步骤S3中，所述激光熔覆的激光功率随WC粉末的含量增大而增大。
4.如权利要求3所述TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤S1、步骤S2和步骤S3中，所述激光熔覆的扫描速度为2-4r/min，搭接率为1.4-1.8，光斑直径为3-4mm。
5.如权利要求4所述TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述根据叶片型线数据具体为：
若叶片沿三维直角坐标系X轴方向每前进1mm，沿Z轴方向变化小于1mm时：步骤S1中，所述激光熔覆的功率为1250W，送粉速度为30g/min；步骤S2中，所述激光熔覆的功率为1350W，送粉速度为30g/min；步骤S3中，所述激光熔覆的功率为1450W，送粉速度为30g/min；
若叶片沿三维直角坐标系X轴方向每前进1mm，沿Z轴方向变化大于等于1mm时：步骤S1中，所述激光熔覆的功率为1200W，送粉速度为25g/min；步骤S2中，所述激光熔覆的功率为1350W，送粉速度为25g/min；步骤S3中，所述激光熔覆的功率为1400W，送粉速度为25g/min。
6.如权利要求4所述TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤S1中、步骤S2中和步骤S3中，所述镍基合金粉末，包括以下组分：
C为0.08-11wt.％，Si为0.30-63wt.％，Mo为7.9-8.62wt.％，Cr为19.2-20.35wt.％，Nb为3.31-3.90wt.％，其余为Ni；
且镍基合金粉末的粒径为150-300目。
7.如权利要求6所述TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层的制备方法，其特征在于：步骤S2和步骤S3中，所述WC粉末的粒径为150-300目。
8.如权利要求7所述TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述镍基合金防腐层的厚度为0.3-0.5mm，所述过渡层的厚度为0.2-0.4mm，所述WC耐磨层的厚度为0.1-0.15mm。
9.一种TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层，其特征在于：由权利要求1至8任一所述TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层的制备方法制得。
10.一种TRT叶片，其特征在于：叶片表面具有权利要求9所述TRT叶片表面激光熔覆防腐耐磨涂层。
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