CN117512470A - 一种用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料和激光熔覆工艺 - Google Patents

一种用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料和激光熔覆工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料和激光熔覆工艺，涂层材料的各组分质量百分比如下：C：0.65～0.80wt％、Cr：3.00～6.50wt％、Mn：0.22～0.55wt％、Nb：0.30～0.80wt％、Mo：4.00～8.50wt％、Si：0.1～0.3wt％、W：5.00～8.00wt％、V：1.50～2.50wt％、Al：0.40～0.60wt％，余量为Fe和少量杂质元素。熔覆过程中激光功率密度100～150W/mm2，采用氩气对熔池进行保护，送粉量40～60r/min，多道搭接率30～50％。本发明提供的涂层材料具有韧性高、不易产生气孔、抗水蚀性能优异的特点。该涂层材料制备的熔覆层抗水蚀性能高、综合力学性能好。

Description

一种用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料和激光熔覆工艺
技术领域
本发明涉及汽轮机叶片抗水蚀涂层技术领域，尤其涉及一种用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料和激光熔覆工艺。
背景技术
随着我国电站汽轮机向着大容量、高参数的方向发展，叶片的安全性、可靠性显得尤为重要。叶片的水蚀，对汽轮机运行的热经济性和安全可靠性影响较大。汽轮机动叶片水蚀是指工作在湿蒸汽区的动叶片与汽流中夹带的二次水滴高速碰撞，导致叶片表面材料损伤并剥离的现象。通常认为水蚀损伤的形成过程包括：从静叶表面到出口边的水膜，因受到汽流的作用而破碎，并形成直径为数十至数百微米的水滴。这种水滴与动叶表面碰撞时，由球状变成了膜状，在水滴与动叶接触部分内部产生了很高的压力。其应力超过材料的屈服极限，使叶片材料产生局部的塑性变形和应变硬化。在这种压力的反复作用下，当叶片达到材料的疲劳极限时便开始产生疲劳裂纹。水滴冲击到这种裂纹的内部时，水滴内部的压力将使裂纹向更深处发展，致使叶片材料从叶片表面脱离而形成水蚀。
一般情况下，汽轮机低压末级动叶片发生水蚀的区域位于叶顶进汽边，少数叶片会发生在叶片叶顶出汽侧甚至叶片根部。水蚀损伤会导致叶片水蚀区域表面呈蜂窝状形貌特征，边缘逐渐呈锯齿状，水蚀的进一步扩展会导致该区域形成缺口。汽轮机叶片的水蚀是一种常见现象，特别是对末级动叶片长度超过1m的现代大功率汽轮机而言，其叶顶线速度高达500～600m/s，导致水滴与叶片的相对碰撞速度达到300m/s以上。即使采取了钎焊硬质合金等防护措施，叶片水蚀依然会普遍出现，尤其是机组偏离设计工况运行后，水蚀问题会进一步加剧。造成汽轮机叶栅的流动效率降低，削弱了叶片基体强度，并产生裂纹源；改变叶片的振动特性，容易引发叶片振动甚至开裂、断裂。
针对汽轮机叶片的水蚀，通常由多种表面防护方法可以进行水蚀治理，如镶嵌司太立合金片、热喷涂、堆焊等传统方法。近年来，激光熔覆因其低热输入，热影响区小，冶金结合强度高等优点，成为汽轮机叶片抗水蚀防护的新型表面防护手段。然而根据发明人的大量试验以及文献资料公开的数据，常规的抗水蚀涂层材料如司太立合金粉末、H13钢粉末、含WC颗粒的金属陶瓷粉末材料等即便采用激光熔覆进行涂层制备，其抗水蚀性能仍然无法突破司太立合金块材的抗水蚀性能。伴随我国电力市场蓬勃发展，越来越多的汽轮机参与深度调峰，水蚀成为越来越严重的问题，需要开发一种新型涂层材料，使其形成熔覆涂层后突破司太立合金块材的抗水蚀性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料和激光熔覆工艺，解决了现有表面工程用涂层材料抗水蚀性能低的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料，涂层材料的各组分质量百分比如下：C：0.65～0.80wt％、Cr：3.00～6.50wt％、Mn：0.22～0.55wt％、Nb：0.30～0.80wt％、Mo：4.00～8.50wt％、Si：0.1～0.3wt％、W：5.00～8.00wt％、V：1.50～2.50wt％、Al：0.40～0.60wt％，余量为Fe和少量杂质元素。
进一步地，杂质元素中的S≤0.02wt％、P≤0.008wt％。
进一步地，涂层材料的材料粒度为15-53μm。
进一步地，涂层材料的各组分质量百分比为：C：0.70wt％、Cr：6.50wt％、Mn：0.45wt％、Nb：0.34wt％、Mo：6.50wt％、Si：0.20wt％、W：7.00wt％、V：2.00wt％、Al：0.50wt％，S≤0.02wt％、P≤0.008wt％，余量为Fe元素。
进一步地，涂层材料的各组分质量百分比为：C：0.70wt％、Cr：6.50wt％、Mn：0.45wt％、Nb：0.50wt％、Mo：6.50wt％、Si：0.30wt％、W：7.00wt％、V：2.00wt％、Al：0.60wt％，S≤0.02wt％、P≤0.008wt％，余量为Fe元素。
进一步地，涂层材料的各组分质量百分比为：C：0.70wt％、Cr：5.00wt％、Mn：0.45wt％、Nb：0.50wt％、Mo：4.00wt％、Si：0.30wt％、W：7.00wt％、V：1.50wt％、Al：0.60wt％，S≤0.02wt％、P≤0.008wt％，余量为Fe元素。
一种用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料的激光熔覆工艺，熔覆过程中激光功率密度100～150W/mm2，采用氩气对熔池进行保护，送粉量40～60r/min，多道搭接率30～50％。
与现有技术相比，本发明提供的用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料和激光熔覆工艺具有以下有益效果：
本发明提供的涂层材料具有韧性高、不易产生气孔、抗水蚀性能优异的特点。该涂层材料制备的熔覆层抗水蚀性能高、综合力学性能好。
本发明可在叶片表面形成冶金结合的熔覆涂层，结合力强，不会脱落。
在合适的热输入下，激光熔覆涂层不易产生孔隙及裂纹。
材料为铁基材料，因此价格相比其他钴基、镍基或钛合金等材料经济性更好。
在应用过程中，配合其他工装，易实现自动化，工艺稳定性好。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明。
本发明提供的一种用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料，化学成分为C：0.65～0.80wt％、Cr：3.00～6.50wt％、Mn：0.22～0.55wt％、Nb：0.30～0.80wt％、Mo：4.00～8.50wt％、Si：0.1～0.3wt％、W：5.00～8.00wt％、V：1.50～2.50wt％、Al：0.40～0.60wt％，余量为Fe和少量杂质元素，其中杂质元素中的S≤0.02wt％、P≤0.008wt％。
本发明合金粉末成分采用如下设计思路：汽轮机叶片发生水蚀的区域工作温度低，低于100℃，为降低成本，采用激光熔覆工艺性能较好的Fe元素作为基础，添加Cr、W等碳化物形成元素，提高熔覆后的涂层的硬度，同时Cr能增加淬透性使材料在快速激光冷却后具有较高的硬度并可提升材料的抗腐蚀性能。添加Al元素作为弥散氧化物生成元素，同时由于其氧化所需的吉布斯自由能低，优先与熔池中的氧发生反应，从而降低其他元素中氧的含量，降低涂层中孔隙率。添加Si同样具有脱氧造渣的功能，有助于降低涂层中的孔隙率。添加V、Mo、Nb等晶粒细化元素，提高熔覆涂层的韧性，降低涂层开裂趋势，同时将V的含量降低，防止涂层中形成较为严重的夹渣或气孔。
C的作用主要是与大量碳化物元素W、Cr、V、Nb形成合金碳化物。在激光熔覆高温阶段，一部分碳化物溶于奥氏体，从而保证了马氏体的硬度，另一部分未溶的碳化物，起细化晶粒及耐磨的作用，含量控制在0.65～0.80wt％。
W是强碳化物形成元素，钨的碳化物在激光熔覆时难溶于奥氏体，未溶碳化物可阻止晶粒长大和提高钢的耐磨性，含量控制在5.00～8.00wt％。
Mo与W是同类元素，钼用于本材料中可以部分代替钨。钼也是提高硬度的重要元素之一。钼能降低熔池结晶时的共晶反应温度，使铸态组织细化，碳化物不均匀程度减轻，从而使熔覆层的塑性及韧性改善，含量控制在4.00～8.50wt％。
Mn具有良好的脱氧、脱硫效果，消除或减弱钢中S的危害，含量控制在0.22～0.55wt％。
Cr也是碳化物形成元素，降低马氏体转变温度，能增加淬透性，使材料在快速激光冷却后具有较高的硬度，含量控制在3.00～6.50wt％。
V是更强的碳化物形成元素，它形成的碳化物稳定，硬度很高，熔覆后形成的VC比M2C和M6C具有更优异的耐磨性，故V增加了熔覆后涂层的耐磨性。同时钒有细化铸态组织的晶粒的作用，V的含量控制在1.50～2.50wt％。
Al是非碳化物形成元素，但是脱氧材料，可改善涂层中的气孔和氧化倾向，提高硬度，但铝的含量不易太高，控制在0.40～0.60wt％。
Si固溶在基体中，有提高硬度的作用，硅还能消除有害的棒状钼或钨碳化物，从而提高材料的性能，但含量太高会显著降低塑性和韧性，控制在0.1～0.3wt％。
Nb在高速钢中形成稳定的碳化物。加适量的铌可提高钢的耐磨性，可降低钢的过热敏感性及细化晶粒，从而可以改善其韧性。铌的用量如过大，容易形成大块的含铌碳化物，铌的含量控制在0.30～0.80wt％。
通过在价格低廉的铁基材料中加入Cr、Mn、Nb、Mo、Si、W、V、Al等元素，材料的激光熔覆工艺性能得到大幅提升，涂层中组织致密，无孔隙、涂层晶粒细小，韧性高，硬度高，抗水蚀性能优异，经发明人测试，抗水蚀能力相比司太立合金块材得到明显提高，适用于汽轮机转子叶片水蚀损伤防护。
本发明提供的用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料为粉体材料，材料粒度为15μm-250μm。
此外，本发明提供了一种用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料的激光熔覆工艺。本发明主要控制参数为涂层的化学成分及激光熔覆过程中的热输入控制。为降低熔覆层内孔隙率，激光熔覆过程中需降低热输入，熔覆过程中激光功率密度100～150W/mm2，采用氩气对熔池进行保护，送粉量40～60r/min，多道搭接率30～50％。除激光熔覆外上述材料还可采用等离子熔覆工艺制备涂层。
实施例1
一种用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料，材料组分为C：0.70wt％、Cr：6.50wt％、Mn：0.45wt％、Nb：0.34wt％、Mo：6.50wt％、Si：0.20wt％、W：7.00wt％、V：2.00wt％、Al：0.50wt％，S≤0.02wt％、P≤0.008wt％，余量为Fe元素。一种用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料的，粉末采用气雾化工艺制成球形粉末，粉末粒度为15-53μm，采用高速激光熔覆，功率密度为100W/mm2进行激光熔覆。
实施例2
一种用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料，材料组分为C：0.70wt％、Cr：6.50wt％、Mn：0.45wt％、Nb：0.50wt％、Mo：6.50wt％、Si：0.30wt％、W：7.00wt％、V：2.00wt％、Al：0.60wt％，S≤0.02wt％、P≤0.008wt％，余量为Fe元素。粉末采用气雾化工艺制成球形粉末，粉末粒度为15-53μm，采用高速激光熔覆，功率密度为100W/mm2进行激光熔覆。
实施例3
一种用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料，材料组分为C：0.70wt％、Cr：5.00wt％、Mn：0.45wt％、Nb：0.50wt％、Mo：4.00wt％、Si：0.30wt％、W：7.00wt％、V：1.50wt％、Al：0.60wt％，S≤0.02wt％、P≤0.008wt％，余量为Fe元素。粉末采用气雾化工艺制成球形粉末，粉末粒度为100-250μm，采用常规激光熔覆，功率密度为150W/mm2进行激光熔覆。
因此，本发明的材料为耐水蚀性能优异的合金材料，通过对各个合金成分的配比进行优化，并在制备过程中严格控制激光熔覆过程中的功率密度，可制备出生产成本低、硬度高、韧性好、不易开裂、涂层致密无孔隙、抗水蚀性能优异的涂层材料。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料，其特征在于，涂层材料的各组分质量百分比如下：C：0.65～0.80wt％、Cr：3.00～6.50wt％、Mn：0.22～0.55wt％、Nb：0.30～0.80wt％、Mo：4.00～8.50wt％、Si：0.1～0.3wt％、W：5.00～8.00wt％、V：1.50～2.50wt％、Al：0.40～0.60wt％，余量为Fe和少量杂质元素。
2.根据权利要求1所述的用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料，其特征在于，杂质元素中的S≤0.02wt％、P≤0.008wt％。
3.根据权利要求1所述的用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料，其特征在于，涂层材料的材料粒度为15-53μm。
4.根据权利要求1所述的用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料，其特征在于，涂层材料的各组分质量百分比为：C：0.70wt％、Cr：6.50wt％、Mn：0.45wt％、Nb：0.34wt％、Mo：6.50wt％、Si：0.20wt％、W：7.00wt％、V：2.00wt％、Al：0.50wt％，S≤0.02wt％、P≤0.008wt％，余量为Fe元素。
5.根据权利要求1所述的用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料，其特征在于，涂层材料的各组分质量百分比为：C：0.70wt％、Cr：6.50wt％、Mn：0.45wt％、Nb：0.50wt％、Mo：6.50wt％、Si：0.30wt％、W：7.00wt％、V：2.00wt％、Al：0.60wt％，S≤0.02wt％、P≤0.008wt％，余量为Fe元素。
6.根据权利要求1所述的用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料，其特征在于，涂层材料的各组分质量百分比为：C：0.70wt％、Cr：5.00wt％、Mn：0.45wt％、Nb：0.50wt％、Mo：4.00wt％、Si：0.30wt％、W：7.00wt％、V：1.50wt％、Al：0.60wt％，S≤0.02wt％、P≤0.008wt％，余量为Fe元素。
7.一种用于汽轮机叶片抗水蚀的涂层材料的激光熔覆工艺，其特征在于，熔覆过程中激光功率密度100～150W/mm2，采用氩气对熔池进行保护，送粉量40～60r/min，多道搭接率30～50％。
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