汽轮机叶片防水蚀超音速现场喷涂技术研究及应用

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2021-11-19 10:43 热度：

　　摘要: 基于便携式超音速喷涂设备，采用超音速火焰喷涂( HVOF) 技术制备抗水蚀涂层，测试涂层的金相组织、孔隙率、硬度、结合强度和耐盐雾腐蚀等性能，筛选出最优化工艺，用于叶片喷涂试验乃至最终投产。结果表明: 超音速火焰喷涂制备的 NiCr - Cr3C2 金属陶瓷涂层均匀致密，孔隙率小于 1. 5% ，硬度为 700HV ～ 1200HV0. 3，结合强度大于 50MPa; 叶片喷涂试验各项指标与试片一致，涂层封孔后耐盐雾腐蚀性能优异。该技术已经应用于机组改造项目叶片现场喷涂。

　　关键词: 超音速火焰喷涂( HVOF) ; 涂层; 叶片防水蚀

　　0 前 言

　　在凝汽式汽轮机、核电汽轮机运行过程中，低压末几级动叶片工作温度和压力都比较低，蒸汽湿度大，部分蒸汽甚至会凝结成水滴，转子高速转动时，在离心力、激振力、蒸汽作用力以及水滴冲刷的共同作用下，低压末级、次末级叶片极易遭到水蚀。叶片受到水蚀后，在水蚀区域形成凹坑，不仅影响汽轮机叶片通流效率，而且水蚀区域坑坑洼洼，型线不再圆滑过渡，很容易形成应力集中甚至萌生裂纹，水蚀损伤加剧扩展，如不及时加以防护或者提前对水蚀区域进行强化，叶片水蚀损伤扩展甚至可能会导致叶片断裂失效，严重危及机组设备的安全运行[1]。

　　超音速火焰喷涂技术是一门新兴的金属表面强化技术，可用于提高金属部件表面对高温、氧化、汽蚀、水蚀、腐蚀、冲击、磨损、擦伤等外部工作环境的耐受能力。目前超音速火焰喷涂技术已经大量应用于汽轮机叶片水蚀防护，前人在这方面已经有了大量的研究[2 - 6]。但是，对于当前流行的供热、切缸、深度调峰和灵活性改造，需要不拆卸转子，利用便携式超音速设备，直接对叶片进行现场喷涂，关于此方面喷涂技术的研究还比较少见。

　　本文利用哈汽公司便携式超音速喷涂设备制备抗水蚀金属陶瓷涂层，测试涂层的金相组织、孔隙率、硬度、结合强度等性能，筛选最优化工艺移植到叶片上，对叶片涂层进行金相组织、孔隙率和硬度测试，为汽轮机叶片防水蚀超音速现场喷涂技术提供理论依据，并对涂层封孔后进行盐雾腐蚀试验，为将来重点工程用汽轮机叶片耐盐雾腐蚀提供试验参考。

　　1 试验材料和方法

　　1. 1 材料设计

　　首先准备与叶片同材质的试片，包括方片、圆片和对偶件，材质为 05Cr17Ni4Cu4Nb，然后使用不同的工艺参数在试片上面喷涂一定厚度的涂层( 0. 2mm ～ 0. 4mm) ，最后对试片进行性能测试。

　　便携式超音速火焰喷涂设备使用丙烷作为燃气，该设备运行变量包括氧气、丙烷、空气和载气( 氮气) 的流量，送粉速率以及喷涂距离等工艺参数，工艺摸索阶段进行了大量的工艺试验，对比各个参数对涂层性能( 包括硬度、结合强度、金相和孔隙率) 的影响，最终确定最优的工艺参数，见表 1。

　　使用优化后的工艺参数对叶片进行喷涂，测试叶片耐水蚀涂层的金相组织、孔隙率和硬度，并对叶片涂层进行封孔，然后进行盐雾腐蚀试验。

　　1. 2 金相组织、孔隙率和硬度测试

　　采用日本奥林巴斯 GX51 型金相显微镜观察涂层微观组织，涂层的孔隙率根据 JB/T 75059 - 1994 来测定。涂层显微硬度依据 GB/T 4340. 1 - 1999 测定，采用 RJX - 5 - 13 型半自动数显维氏显微硬度计测试，样品表面抛光到表面粗糙度小于 1μm，压头载荷选用 300gf，保压时间为 15s，每组试样对 5 个点取平均值。

　　1. 3 结合力测试

　　结合力测试按照标准 HB5476 - 91《热喷涂涂层结合力检测方法》进行试验，拉伸速率: 2mm/s，试样预先使用 FM 1000 粘结胶在 190℃固化 2h。每组进行 5 个对偶件试样的拉伸测试。如图 1 所示。

　　1. 4 盐雾腐蚀试验

　　盐雾腐蚀试验按照 GJB 150. 11 - 86 进行测试，使用质量分数为 5% 的氯化钠溶液，实验温度为 35℃，样品承受连续喷雾的时间为 48h。

　　2 试验结果与讨论

　　2. 1 金相组织、孔隙率和硬度测试

　　涂层的 200 倍金相照片如图 2 所示。由图 2 可见，涂层比较均匀致密。在超音速火焰喷涂过程中，喷涂粉末颗粒有金属和陶瓷两种相，其中 NiCr 合金为金属相，熔点相对较低，能迅速熔化，并对周围熔点较高的 Cr3C2 颗粒起到一定的润湿和溶解作用，在超音速喷涂气流带动下，熔化的涂层撞击到基体上，涂层颗粒受到撞击力后充分扁平化，在基体上铺展形成典型的层状结构。涂层中 NiCr 金属粉末有助于涂层的熔化铺展，能保证可喷涂能力和后续的可加工能力; 同时涂层中存在的碳化物 Cr3C2 含量较高、颗粒细小、均匀分布，且与熔化的 NiCr 金属粉末结合良好，有利于提高涂层的抗磨损性能和抗冲蚀性能。另外，涂层与基体之间结合非常紧密，界面已经有些模糊，有相互扩散的迹象，这说明涂层与基体材料之间除了机械结合以外，还可能存在一定的冶金结合[5]。从图 2( a) 估算孔隙率约为 1. 5% ，图 2( b) 中涂层厚度均匀，约为 0. 22mm。

　　利用显微硬度计测试了涂层的维氏硬度 HV0. 3，3 个试样测试结果见表 2，从表 2 可以看到，所有试样平均硬度均在 700 ～ 1200 范围之内。

　　较高的涂层硬度能保证涂层的耐磨耐蚀性能，有效地提高水蚀防护能力。影响涂层硬度的原因有很多，对于不同材料的涂层来说，材料本身硬度越高，形成涂层的硬度也相应越高。对于特定结构和材料的涂层，涂层的硬度与孔隙率大小有关，涂层结合不充分、孔隙率较大时，涂层的硬度值将会较低[7]。其它条件相同的情况下，粉末加热越充分、速度越高，形成的涂层孔隙率越低，硬度越高，结合强度越大。表 2 中试样 1 的硬度明显较其它两个试样低，可能的原因是操作者手持喷枪速度不同导致的。

　　2. 2 结合强度测试

　　涂层结合强度为涂层颗粒之间的内聚强度，反映涂层的力学性能，是评价涂层性能的重要指标。如果涂层结合力不够大，受力的时候就容易形成开裂甚至脱落。做拉伸测试的时候，涂层与基材、涂层与粘胶之间的结合强度必须高于涂层内聚强度，拉伸时才会从涂层内部断裂，试验结果才是有效的。结合强度测试结果见表 3。

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　　两组试验结合强度平均值均大于 50MPa，涂层结合强度越大，涂层层间以及涂层与叶片基体之间的附着能力越强，本试验的结合强度能有效防止涂层在水汽冲蚀条件下开裂或剥落失效，能够增强涂层抵抗水滴和固体颗粒冲蚀的能力。

　　2. 3 叶片试验

　　叶片试验件喷涂完成后，目视检查外观后，对其进行解剖，检测涂层厚度、硬度、孔隙率等项目，结果如下:

　　( 1) 外观质量: 涂层均匀致密，无裂纹、凹坑、起皮和脱落现象。

　　( 2) 涂层厚度: 使用涂层测厚仪进行多点测量，厚度均匀，符合图纸厚度要求。

　　( 3) 硬度 HV0. 3: 767、750、732、774、881。

　　( 4) 孔隙率: 约为 1. 5% 。经过检查，外观质量、涂层厚度、硬度和孔隙率等性能与试片上的试验结果一致，说明最优化工艺已经完全可以移植到叶片上。

　　对叶片进行封孔处理后，放入盐雾腐蚀试验机中进行试验，试验结果如图 3 所示，在叶片上分 4 个区域进行了对比，结果见表 4。

　　对于叶片基材，无论是否涂覆封孔剂，几乎都不发生腐蚀，区域 4 的零星点状腐蚀是由于表面未处理干净造成的; 对于耐水蚀涂层，由于存在一定的孔隙率( 约 1. 5% ) ，不进行封孔处理的区域 2 发生严重腐蚀，进行封孔处理后的涂层不发生腐蚀。

　　3 现场喷涂应用

　　在前期试验基础上分析认为，超音速火焰喷涂制备的 NiCr - Cr3C2 金属陶瓷涂层均匀致密、硬度高、结合强度高、封孔处理后耐腐蚀性能优异。哈汽公司采用超音速现场喷涂技术，分别于 2020 年 9 月、2020 年 10 月，对大唐绥化电厂 1 号机组 160 只汽轮机低压末级叶片、大唐盘山电厂 4 号机组 392 片汽轮机低压次末级叶片进行了现场喷涂防护，至今汽轮机运行正常，各项技术指标良好。

　　叶片喷涂主要步骤如下:

　　( 1) 确认叶片状态: 确认叶片运行后水蚀状态。

　　( 2) 保护: 使用随型挡板对不需要喷涂的区域进行保护，用夹具固定，以热喷涂胶带进行配合。

　　( 3) 喷砂处理: 使用 20 ～ 40 目白刚玉砂对待喷涂区域进行喷砂粗化。

　　( 4) 喷涂处理: 按工艺试验参数对叶片水蚀区域喷涂 NiCr - Cr3C2 涂层。

　　( 5) 清理: 拆除胶带和保护工装以及挡板，对叶片表面进行擦拭，去除残留的粉末。

　　( 6) 检查: 目视检查叶片表面涂层状态，使用测厚仪对涂层厚度进行测量。

　　现场对叶片涂层进行外观和厚度检查，涂层表面均匀细密，色泽一致，无裂纹、起皮、凹坑、脱落等缺陷; 喷涂过程中对叶片表面进行红外测温，温度低于 120℃，叶片无变形; 涂层厚度均匀，符合设计要求。对挂片进行实验室检测，结果表明，涂层显微硬度为 700 ～ 1200HV0. 3，涂层与基体结合良好，结合强度高于 50MPa。从现场检查和挂片测试结果来看，涂层综合性能优异，硬度和结合强度较高，能起到良好的水蚀防护作用，满足汽轮机末级、次末级叶片运行工况要求。现场喷涂照片如图 4 所示。

　　4 结 论

　　( 1) 采用超音速火焰喷涂( HVOF) 技术制备抗水蚀涂层，测试涂层的金相组织、孔隙率、硬度和结合强度等性能，涂层均匀致密，孔隙率小于 1. 5% ，硬度为 HV700 ～ 1200，结合强度大于 50MPa。

　　( 2) 对叶片进行喷涂试验，测试涂层的金相组织、孔隙率、硬度和耐盐雾腐蚀性能，金相组织、孔隙率和硬度各项指标与试片一致，涂层封孔后耐盐雾腐蚀性能优异，为将来重点工程用汽轮机叶片耐盐雾腐蚀提供实验参考。

　　( 3) 该技术已经应用于大唐绥化 1 号机组和大唐盘山 4 号机组改造项目叶片现场喷涂，可为大型汽轮机低压末级、次末级动叶片抗水蚀喷涂防护提供参考和借鉴。 ——论文作者：邓 超，高艳男，宫伟兴，张小伍

文章名称：汽轮机叶片防水蚀超音速现场喷涂技术研究及应用

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