一种具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的TRT透平机的制作方法

本发明涉及一种炼钢厂的高炉顶压回收透平机发电装置，尤其涉及一种具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机。

背景技术：

trt是topgaspressurerecoveryturbine英语缩写，中文译为“高炉顶压回收透平机发电装置”。是一种利用高炉煤气顶压来进行发电的装置，该技术是利用高压煤气压力能拖动trt的透平机转子进行旋转作功，并由与之串联的发电机将机械能转换成电能。工作转速为3000rpm(第一阶临界转数设计为1800rpm；第二阶临界转数设计为6400rpm)。

叶片是转子系统的主要零件，叶片材料为2cr13，并进行过调质处理。trt叶片在高速、含有高炉炉尘及有腐蚀气体介质的条件下工作，工况复杂，工作周期厂。经除尘后，大部分炉尘得以除去，但在气相介质中仍残留一定数量的炉尘、水气以及因高炉原料不纯而产生的多种酸性气体，如h2s、hcl、co2等。由于冲刷和腐蚀的存在，煤气管线中的一些腐蚀产物也会混在煤气中，最终进入trt装置的是气-汽-固组成的多相流；高炉煤气进入trt装置后，因膨胀做功，温度逐渐降低，煤气中酸性气体溶解在凝结水中，会在叶片表面形成一层酸性水膜，对叶片表面透水腐蚀。

炉尘在气流带动下，流过金属表面时会产生滑动磨损和直射磨损。滑动磨损主要是由微观切割所引起，部件表面磨损后会留下一道沟槽。直射磨损主要是金属材料部件表面疲劳磨损，灰尘被压入金属材料部件中形成一个个塑性变形凹坑，在大量灰粒反复作用下，凹坑渐渐形成一个塑性变形的薄层，当灰粒的作用负荷超过此塑性变形的极限强度时，这层表面被破坏、掉落，从而形成磨损。

叶片过快的磨损、腐蚀会给机组带来负面影响，其表现主要是例如：机组效率过快地降低、叶片过快地磨损和腐蚀给转子系统带来整体振动过大(转子系统的振动对叶片会产生一定的负面影响，并降低其使用寿命)。特别是在煤气干式除尘运行模式下，煤气温度较湿式除尘模式下提高了近150℃，煤气中析出的氯离子严重腐蚀透平机动、静叶片，使得动叶片运行寿命在8个月左右。由于叶片的异常，经常迫使机组无法正常运行。综上所述，现有的高炉顶压回收透平机发电装置效率低，使用寿命短等缺陷。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术中炼钢厂的trt透平机所存在的缺陷，提供一种具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机，包括trt透平机动叶片及静叶片，所述trt透平机动叶片及静叶片的外表面均设置有一层纳米保护层。

进一步地，在所述的具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机上，所述动叶片表面的纳米保护层采用等离子喷涂wc纳米陶瓷材料涂层。

进一步地优选地，在所述的具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机上，所述动叶片表面的纳米保护层的厚度为200-300μm。

进一步地，在所述的具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机上，所述静叶片表面的纳米保护层采用超音速喷涂纳米陶瓷-金属复合材料co-wc涂层。

进一步地优选地，在所述的具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机上，所述静叶片表面的纳米保护层的厚度为150-240μm。

进一步地，在所述的具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机上，所述trt透平机透平共分为2级(即2级动叶片、2级可调节角度的静叶片)，其中：

第1级静叶片数：20-30片；第2级静叶片数：20-30片；

第1级动叶片数：20-30片；第2级动叶片数：20-30片。

进一步地，在所述的具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机上，动叶片、静叶片不同的使用需求采用不同的原始材料、工艺技术制备纳米涂层，以达到风机的综合使用性能，抵御工作条件下的失效。

进一步地，在所述的具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机上，所述纳米涂保护层是一种采用纳米陶瓷复合材料所制备的具有耐磨损、耐酸碱腐蚀、耐高温、抗汽蚀的纳米结构的功能性涂层。

进一步地，在所述的具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机上，所述纳米保护层为掺杂了纳米氧化镧(la2o3)颗粒的复合涂层，所述纳米氧化镧的添加量为复合涂层的3-10％。

进一步优选地，所述动叶片表面的纳米保护层采用等离子喷涂掺杂8-10％纳米氧化镧颗粒的wc纳米陶瓷材料。

进一步优选地，所述静叶片表面的纳米保护层采用超音速喷涂掺杂3-5％纳米氧化镧颗粒的纳米陶瓷-金属复合材料co-wc涂层。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明提供的具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机，通过在trt透平机的动叶及静叶表面设置由纳米材料构成的一层保护层，其使用周期可达36个月以上，且透平机不用报废，同时提高了发电量；大大长于现有技术中trt透平机的使用周期及使用效果；且使得trt透平机可以长时间的持续工作，降低了生产成本，提高了工作效率，改善了现有技术的缺陷，填补了国内国外的空白。

附图说明

图1为本发明具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机的动叶片、静叶片结构图；

图2为本发明具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机的动叶片的俯视结构图；

图3为本发明优选实施例的耐磨损耐腐蚀纳米涂层的结构图；

图4为喷涂功率与硬度的线性关系图；

图5为喷涂功率与结合强度的线性关系图；

图6为工作气体流量与粉末沉积率的线性关系图；

图7为未经喷涂过的叶片运行10个月下线后的腐蚀、磨损情况；其中，图7a-7d分别为未经喷涂过的叶片表面示意图；

图8为本发明产品运行12个月后检修时情况；其中，图8a-8d分别为经喷涂过的叶片表面示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。

如图1-2所示，本发明实施例提供了一种具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机，包括trt透平机上设置于主轴1上的动叶片3及设置在机壳2上的静叶片4，trt透平机上的动叶片3及静叶片4的外表面均设置有一层纳米保护层5，该纳米涂保护层5是一种采用纳米陶瓷复合材料所制备的具有耐磨损、耐酸碱腐蚀、耐高温、抗汽蚀的纳米结构的功能性涂层。该纳米保护层5具有良好的耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗汽蚀的性能，在trt透平机的动叶片3及静叶4外表面加上纳米保护层5之后，能够使平透机的使用周期达到36个月以上，大大长于现有技术中trt平透机的使用周期，使得trt透平机可以长时间的持续工作，降低了生产成本，提高了工作效率，改善了现有技术的缺陷。

在本发明具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机上，动叶片3、静叶片4不同的使用需求采用不同的原始材料、工艺技术制备纳米涂层，以达到风机的综合使用性能，抵御工作条件下的失效。需要满足trt苛刻的技术要求如下：1)、叶片喷涂工艺不允许给叶片根部以及其它部位产生二次应力；2)、经过喷涂后不允许破坏叶片轮廓以及叶片曲线的原设计精度；3)、透平机在正常运行(n＝3000rpm)时不会造成叶片涂层脱落；4)、保证叶片在运行中稳定可靠、安全。

于上述技术方案的基础上，在该具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机上，trt透平机透平共分为2级，即2级动叶片、2级可调节角度的静叶片，其中：第1级静叶片数：20-30片；第2级静叶片数：20-30片；第1级动叶片数：20-30片；第2级动叶片数：20-30片。

作为本发明的一个优选实施例，在该具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机上，动叶片3表面的纳米保护层采用等离子喷涂wc纳米陶瓷材料涂层，该动叶片3表面的纳米保护层的厚度为200-300μm，优选为220-280μm，更优选为240-260μm。此外，由于wc的抗氧化能力差，因此可采用抗氧化性能好的金属合金粉末(如钴基、镍基等)做包裹层或粘结相，以此来提高该wc纳米陶瓷保护层的抗氧化性能。

作为本发明的另一个优选实施例，如图3所示，在该trt透平机的具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机上还包括依次喷涂在动叶片3表面的金属底层7、中间过渡层6，金属底层7采用包括ni、cr、al的ni基材料，如牌号为0cr17ni7al材质；中间过渡层6采用包括ni、cr、al、w的的ni基材料，其厚度分别为80-100μm、50-80μm，如ni-al-hf-cr-w系合金材质，本发明中所采用的ni基材料均市售可得；而wc纳米陶瓷材料则喷涂在中间过渡层6的上表面。

本实施例所采用的等离子喷涂技术是一种材料表面强化和表面改性的技术，它采用等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层，赋予基体表面耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。该技术特点主要表现在：超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂，喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高，使用惰性气体作为工作气体，喷涂材料不易氧化，工作效率高，基体温度低，基体无变形。通过等离子工艺条件的控制达到与基材的高结合力，喷涂的工艺条件包括氢气和氩气流量、喷涂距离、喷涂角度、供粉率及载气的流量、电弧的功率、电流电压的调节控制、等离子水的流量及基体温度的控制，来制备高结合力、高耐磨、充分满足使用要求的保护层。

作为本发明的另一个较为优选的实施例，在具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机上，静叶片4表面的纳米保护层5采用超音速等离子喷涂纳米陶瓷-金属复合材料co-wc涂层，该静叶片表面的纳米保护层的厚度为150-240μm，优选为160-210μm，更优选为180-200μm。

本实施例采用的纳米陶瓷-金属复合材料co-wc粉末是由wc纳米粒子和co金属相形成的合金形式，所制备的涂层具有高硬度、高耐磨性、耐腐蚀性能、高韧性等。该涂层在硬度提高的同时，韧性也随之提高。采用超音速喷涂技术，通过工艺条件的控制到达与基材的高结合力，通过工艺条件的控制达到与基材的高结合力，喷涂的工艺参数包括氧气与氮气的比率及总流量、煤油燃料的流量、供粉率及载气条件、喷涂距离、喷涂角度及基体的温度控制，制备综合性能优异的涂层，抵御叶片在工作环境中的失效。

作为本发明一个优选的实施例，在该具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机上，所述纳米保护层为掺杂了粒径为60-100nm的纳米氧化镧(la2o3)的复合涂层，所述纳米氧化镧的添加量为复合涂层的3-10％，采用x射线衍射表征了掺杂纳米氧化镧的复合涂层高温摩擦磨损前后的微结构，结合复合涂层的摩擦磨损机理，研究结果表明，采用等离子喷涂纳米氧化镧掺杂wc纳米陶瓷材料的动叶片，其表面的复合涂层的硬度和耐磨损性能在纳米氧化镧含量为6.5％时较好，摩擦系数为0.12；采用超音速喷涂纳米氧化镧掺杂纳米陶瓷-金属复合材料co-wc的静叶片，其表面的复合涂层的硬度和耐磨损性能在纳米氧化镧含量为3.5％时较好，摩擦系数为0.1。通过引入纳米la2o3可有效地改善动叶片和静叶片的摩擦学性能，其磨损机理主要为磨粒磨损、粘着磨损和氧化耐腐磨损的复合磨损。

如图4和图5所示，等离子喷涂功率对涂层沉积率、硬度及涂层与基体的结合强度等性能都有一定的影响。当等离子喷涂功率过小，粉末粒子没有达到熔融或半熔融状态，这将增加粉末的飞溅损耗，导致粉末沉积率低，涂层与基体的结合力小，涂层组织疏松，孔隙度大，因此，涂层的硬度和结合强度都会较低。

随着等离子喷涂功率的增加，粉末沉积率也增加，粉末可以达到完全熔融状态，涂层的硬度和密度得到显著提高，因此，涂层的结合强度也达到最佳状态。而当等离子喷涂功率过大时，粉末粒子熔化后，由于温度过高，部分粉末气化，粉末氧化加重，导致涂层的结合强度下降。图4和图5也可以看到，等离子喷涂功率过大时，涂层硬度和结合强度都会下降。

如图6所示，在热喷涂中，工作气体的流量是最重要的参数之一，它直接影响到最终的喷涂效果。粉末沉积率随着气体流量的增加而有所增加，但当流量过大时，粉末被大量的气流带走，致使沉积率下降，因此，合理的气体流量影响的粉末沉积率，也同样影响到涂层的孔隙率。

以本发明具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机为测试组，以未涂覆耐磨损耐腐蚀纳米涂层的trt透平机为对照组，分别进行耐腐蚀、耐磨损性能测试：

未经喷涂过的叶片运行10个月下线后的腐蚀、磨损情况如图7所示，由图7a-7d所示叶片的腐蚀、磨损情况可知，叶片俯视、磨损严重，机组已无法正常运行，使得现有的未涂覆耐磨损耐腐蚀纳米涂层的高炉顶压回收透平机发电装置效率低，使用寿命短等。

采用本发明具有耐磨损耐腐蚀纳米涂层的叶片运行12个月后检修时的情况如图8所示，由附图8a-8d所示的叶片情况可知，叶片表面无明显腐蚀和磨损现象，叶片完好，可继续使用，其使用周期由现有的7-10个月提高到36个月以上，且透平机不用报废，同时提高了发电量。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。