熔盐泵组合式叶轮的制备方法与流程

本发明涉及一种熔盐泵组合式叶轮的制备方法，属于机械泵制备技术领域。

背景技术：

当下的熔盐泵，尤其是用于太阳能光热发电熔盐循环输送的长轴液下熔盐泵的叶轮，都是一体式结构的叶轮。

而所述一体式结构叶轮，都是采用一体式铸件经机加工而制备的。

有鉴于已有叶轮并不具备较高的耐高温、耐磨损、抗氧化和抗腐蚀功能，以致其已经很不适应工作温度达到600℃，流量和流速已有很大提高，工作年限要在25年以上的，现代太阳能热发电用熔盐泵的技术要求，而拖了与日俱进的太阳能高温热利用尤其是太阳能光热发电事业迅猛发展的后腿。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种工作表面镀膜而具备耐高温、耐磨损、抗氧化和抗腐蚀的熔盐泵组合式叶轮的制备方法，以用其所制备的叶轮，来克服已有技术的不足，为太阳能高温热利用事业的提升发展提供装备技术支持。

本发明实现其目的的技术方案是：

一种熔盐泵组合式叶轮的制备方法，所述叶轮由不锈钢锻件制品叶轮主体和不锈钢锻件制品端盖，同中心组合且经钎焊固定连接构成；且在所述叶轮主体和端盖的表面，由内至外依次布设有不锈钢表面重构层、TiN氮化钛膜层和Si₃N₄氮化硅膜层；所述组合式叶轮的制备方法，依次包括以下步骤：

a、选料；按工艺设计要求，分别选取叶轮主体和端盖所需的不锈钢坯料；

b、锻造；将2件所述不锈钢坯料，分别锻造成符合工艺要求的锻造圆饼；

c、热处理；通过热处理消除所述锻造圆饼的内应力和改善其结晶组织；

d、机械加工；采用机械加工方式分别将热处理后的2件锻造圆饼，加工成符合产品设计要求的叶轮主体工件和端盖工件；

e、表面清洗；采用不锈钢清洗液，去除叶轮主体工件和端盖工件表面的氧化物和油污；

f、表层重构处理；在真空镀膜室内采用高能离子轰击方式，分别对经清洗处理的叶轮主体工件和端盖工件两者的表层实施轰击，使之实现再次清洗，去除表面的杂质粒子，改变其晶体结构和提高其结晶致密程度，而构成不锈钢表面重构层；

g、镀膜处理；采用电子束蒸镀方式，分别先在叶轮主体工件和端盖工件表面重构层的表面上，镀布TiN氮化钛膜层，在达到工艺厚度之后再在TiN氮化钛膜层表面，镀布符合工艺厚度要求的Si₃N₄氮化硅膜层，从而形成不锈钢表面重构层- TiN氮化钛膜层-和Si₃N₄氮化硅膜层三层复合膜层；

h、钎焊处理；先将经镀膜处理后的叶轮主体工件和端盖工件两者同中心组合对接面上的TiN氮化钛膜层和Si₃N₄氮化硅膜层清除干净，再在叶轮主体工件和端盖工件组合对接面间，布设镍基硬质钎料箔片，然后在真空加热炉内，通过加热令所述钎料熔化，且钎料溶液在所述组合对接面间铺展，并与不锈钢重构层相互渗透融合，再通过冷凝使叶轮主体工件与端盖工件同中心固定连接，从而制得目标产品熔盐泵组合式叶轮。

在上述技术方案中，本发明还主张：

所述不锈钢坯料是OCr17Ni12Mo2N奥氏体不锈钢圆钢锭。

所述镀膜处理，是在采用电子束蒸镀方式的同时，还采用离子束辅助沉积的方式，而实施所述2种方式结合的镀膜处理，由于离子束辅助沉积方式的使用，而提高了TiN,Si₃N₄镀膜层的坚实性和强度 。

所述TiN氮化钛膜层的厚度在1~3μm范围内，而Si₃N₄氮化硅膜层的厚度在3~5μm的范围内。

所述电子束蒸镀加离子束辅助沉积的工艺策略是，

a、蒸发工作的真空度控制在6×10^-2Pa~5×10^-3Pa范围内，在标准谢射沉积工作参数条件下，本底气体压强在6~8×10^-5Pa；

b、将蒸发料TiN和Si₃N₄，分别存放在2个坩蜗内，且所述2种蒸发料的电子枪蒸发互不干涉而单独进行；

c、当TiN氮化钛膜层的厚度达到工艺要求时，关闭TiN氮化钛电子源，开放Si₃N₄氮化硅坩蜗，实施电子束蒸镀加离子辅助沉积Si₃N₄氮化硅，直到Si₃N₄氮化硅膜层达到工艺厚度；

d、离子束出口直径控制在180mm±5mm范围内，离子能量控制在700~1200KeV范围内，离子束流密度控制在100mA~150mA/cm²范围内，溅射角控制在30°~45°范围内；

e、叶轮主体工件和端盖工件，分别布置在转架上，而转架可作顺时针方向或逆时针方向旋转，且离子束流的方向可调，以确保叶轮主体工件和端盖工件各个方向上镀膜均匀一致。

所述钎焊处理是真空钎焊，其工艺策略是，真空度控制在5×10^-2Pa~6×10^-3Pa范围内，钎焊加热温度控制在1120℃~1150℃范围内。

所述钎料的牌号为BNi-2,其各组分的重量百分含量为：Ni82.3%，Cr7%，Fe3%，Si4.5%，B3.2%。

所述锻造步骤b的加热炉温度控制在1200℃左右，而锻件温度控制在850℃左右，锻造平台和砧面预热至150~450℃；其锻造变形量应＞12%而＜ 20%。

所述热处理它还是奥氏体不锈钢固溶热处理；它是将所述工件加热到固溶温度1050~1100℃，让其所有碳化物及马氏体全部溶入和转变为奥氏体，然后快冷至室温，使之在消除应力的同时，在常温下保持单相奥氏体组织。

而如上述制备方法所制备的叶轮，用于太阳能光热发电储热系统熔盐循环输送的长轴液下熔盐泵。

以上所给出的技术方案得以全面实施后，本发明制备方法所具有的技术方案合理周全，操作易控简便，制成品叶轮耐高温、耐磨损、抗氧化及抗腐蚀性能良好，使用寿命长等特点，是显而易见的。

附图说明

图1为本发明的叶轮主体1的主视示意图。图中所示1-1为叶片；

图2为图1的剖面示意图；

图3为本发明的端盖2的剖面示意图；

图4为本发明制成品熔盐泵组合式叶轮的结构示意图，图中所示6为钎焊层；

图5为叶轮主体1和端盖2表面膜层结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施方式的描述，对本发明作进一步说明。

一种典型的具体实施方式，请参读附图1~5。

一种熔盐泵组合式叶轮的制备方法，所述叶轮由不锈钢锻件制品叶轮主体1和不锈钢锻件制品端盖2，同中心组合且经钎焊固定连接构成；且在所述叶轮主体1和端盖2的表面，由内至外依次布设有不锈钢表面重构层3、TiN氮化钛膜层4和Si₃N₄氮化硅膜层5；所述组合式叶轮的制备方法，依次包括以下步骤：

a、选料；按工艺设计要求，分别选取叶轮主体1和端盖2所需的不锈钢坯料；

b、锻造；将2件不锈钢坯料，分别锻造成符合工艺要求的锻造圆饼；

c、热处理；通过热处理消除所述锻造圆饼的内应力和改善其结晶组织；

d、机械加工；采用机械加工方式分别将热处理后的2件锻造圆饼，加工成符合产品设计要求的叶轮主体1工件和端盖2工件；

e、表面清洗；采用不锈钢清洗液，去除叶轮主体1工件和端盖2工件表面的氧化物和油污；

f、表层重构处理；在真空镀膜室内采用高能离子轰击方式，分别对经清洗处理的叶轮主体1工件和端盖2工件两者的表层实施轰击，使之实现再次清洗，去除表面的杂质粒子，改变其晶体结构和提高其结晶致密程度，而构成不锈钢表面重构层3；

g、镀膜处理；采用电子束蒸镀方式，分别先在叶轮主体1工件和端盖2工件表面重构层3的表面上，镀布TiN氮化钛膜层4，在达到工艺厚度之后，再在TiN氮化钛膜层4表面，镀布符合工艺厚度要求的Si₃N₄氮化硅膜层5，从而形成不锈钢表面重构层3- TiN氮化钛膜层4-Si₃N₄氮化硅膜层5三层复合膜层；

h、钎焊处理；先将经镀膜处理后的叶轮主体1工件和端盖2工件两者组合对接面上的TiN氮化钛膜层4和Si₃N₄氮化硅膜层5清除干净，再在叶轮主体1工件和端盖2工件组合对接面间，布设镍基硬质钎料箔片，然后在真空加热炉内，通过加热令所述钎料熔化，且钎料溶液在所述组合对接面间铺展，并与不锈钢重构层3相互渗融透合，再通过冷凝使叶轮主体1工件与端盖2工件同中心钎焊固定连接，从而制得目标产品熔盐泵组合式叶轮。

而所述不锈钢坯料是OCr17Ni12Mo2N奥氏体不锈钢圆钢锭。

而所述镀膜处理，是在采用电子束蒸镀方式的同时，还采用离子束辅助沉积的方式，而实施所述2种方式结合的镀膜处理 。

而所述TiN氮化钛膜层4的厚度在1~3μm范围内，而Si₃N₄氮化硅膜层5的厚度在3~5μm的范围内。

而所述电子束蒸镀加离子束辅助沉积的工艺策略是，

a、蒸发工作的真空度控制在6×10^-2Pa~5×10^-3Pa范围内，在标准谢射沉积工作参数条件下，本底气体压强在6~8×10^-5Pa；

b、将蒸发料TiN和Si₃N₄，分别存放在2个坩蜗内，且，所述2种蒸发料的电子枪蒸发互不干涉而单独进行；

c、当TiN氮化钛膜层4的厚度达到工艺要求时，关闭TiN氮化钛电子源，开放Si₃N₄氮化硅坩蜗，实施电子束蒸镀加离子辅助沉积Si₃N₄氮化硅，直到Si₃N₄氮化硅膜层5达到工艺厚度；

d、电子枪的离子束出口直径控制在180mm±5mm范围内，离子能量控制在700~1200KeV范围内，离子束流密度控制在100mA~150mA/cm²范围内，溅射角控制在30°~45°范围内；

e、叶轮主体1工件和端盖2工件，分别布置在转架上，而转架可作顺时针方向或逆时针方向旋转，且离子束流的方向可调，以确保叶轮主体1工件和端盖2工件各个方向上镀膜均匀一致。

而所述钎焊处理是真空钎焊，其工艺策略是，真空度控制在5×10^-2Pa~6×10^-3Pa范围内，钎焊加热温度控制在1120℃~1150℃范围内。

而所述钎料的牌号为BNi-2,其各组分的重量百分含量为：Ni82.3%，Cr7%，Fe3%，Si4.5%，B3.2%。

而所述锻造步骤b的加热炉温度控制在1200℃左右，而锻件温度控制在850℃左右，锻造平台和砧面预热至150~450℃；其锻造变形量应＞12%而＜20%。

而所述热处理它还是奥氏体不锈钢固溶热处理；它是将所述工件加热到固溶温度1050~1100℃，让所有碳化物及马氏体全部溶入和转变为奥氏体，然后快冷至室温，使之在消除应力的同时，在常温下保持单相奥氏体组织。

如以上所述制备方法所制备的组合式叶轮，用于太阳能光热发电储热系统熔盐循环输送的长轴液下熔盐泵。

在上述技术方案中，本发明所述机械加工步骤d，建议采用五轴联动加工中心加工叶轮主体1.

而电子束蒸镀加离子束辅助沉积真空镀膜设备是由本申请人专门为本申请特别制造的专用设备。

在镀膜过程中，由放置在镀件附近的膜厚检测器，检测膜厚厚度的变化 和蒸发速率，法拉第筒也放置在镀件附近，用来检测沉积过程中离子束流密度。

本发明若将叶轮主体1和端盖2采用螺栓对栓或铆钉铆合连接的方式来取代钎焊连接，也是可以的。

在组合式叶轮制备成功后，还包括超声波检验和清除钎焊飞边步骤。经检验合格后，一个耐高温抗氧化自润滑组合式的熔盐泵组合式叶轮即可投入使用。

本发明所述制备方法，通过几个月连续试运行，其效果是令人非常满意的。其制品组合式叶轮耐用性实验结果显示，在500次冷热循环条件下，即工作7小时，停运1小时，反复运行500次，未发现叶轮有任何损坏现象。实验仍在继续进行中。据业内专家估计，其使用年限可以达到或超过太阳能热发电装备的公认使用期，具有显著的技术经济效益，实现了本发明所预期的目的。