专利名称：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
技术领域：
本发明涉及一种发电设备部件表面制备耐磨抗蚀合金涂层的方法，特别是涉及一种采用激光熔覆技术制备汽轮机末级叶片进气边表面耐磨抗蚀合金涂层的方法，属于激光熔覆技术领域。
背景技术：
叶片是汽轮机最精细、最重要的零件之一。汽轮机叶片的安全可靠直接关系到汽轮机和整个电厂的安全、满发。如果叶片发生断裂，将引起机组振动、通流部分动、静摩擦， 同时损失效率；若没有及时发现或及时处理，将引起事故扩大，可能导致整台机组毁坏，其经济损失数以万计。汽轮机末级叶片型线下部普遍存在出汽边蒸汽冲蚀损伤，外来硬质异物击伤和固体粒子侵蚀，叶片断裂、结垢及其它损伤。蒸汽冲蚀形成的锯齿状毛刺造成应力集中以及减小叶型根部截面的面积，还会影响到叶片的振动特性，大大地削弱叶片的强度，这就增加了末级叶片断裂的危险性。由于形成的蚀坑具有形状不规则，难以维修的特点。因此，末级叶片材料的抗疲劳性能如何，特别是在湿蒸汽工作条件下的材料抗腐蚀能力，对末级叶片的可靠性非常关键。对汽轮机末级叶片采取防护措施所用的材料必须从两方面着手一是寻找抗热疲劳性能和耐磨性好的合金材料，二是对叶片进行表面处理，以提高其抗热疲劳性能和耐磨性。采用传统的钎焊技术时，涂层与基体之间为物理结合，结合力小，涂层厚度受限，组织致密性差，稀释率大，缺陷多，易造成局部应力过大。因此，汽轮机末级叶片经过长时间水蚀后，合金层剥落非常严重，并且影响机组效率。因此，选择适当的制备汽轮机末级叶片进气边表面耐磨抗蚀合金涂层的工艺，进一步提高其性能和使用寿命十分重要，，是所属领域当前亟待解决的课题。激光熔覆技术作为一种先进的再制造技术，近年来得到了迅速推广和广泛应用。激光熔覆技术利用高能量激光束聚集能量极高的特点，瞬间将在基材表面预置或与激光同步自动送置的、具有特殊物理、化学或力学性能的合金粉末完全熔化，同时基材部分熔化，形成一种新的复合型材料，激光束扫描后快速凝固，获得与基体冶金结合的致密覆层，以达到恢复几何尺寸和表面强化的目的。目前，关于利用激光熔覆工艺制备设备部件耐磨合金覆层的专利和报道很多例如，公开号为CN1932082的中国发明专利申请给出的《在结晶器表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺》，其特点在于利用高功率激光器，通过激光快速扫描在结晶器铜板表面熔覆与基体成冶金结合的良好的韧性打底过渡层，并通过激光宽带熔覆在打底合金表面制备耐磨及抗热性能优良的钴基合金。公开号为CN1786272的中国发明专利申请给出的《激光熔覆镍基纳米WC/Co预涂层的制备方法》，该制备方法包括下列步骤①按每克重的虫胶与10 20克重的无水乙醇称量虫胶和无水乙醇，然后将所述的虫胶加入无水乙醇中制成粘结剂；②根据需要按每克镍基纳米WC/Co粉末与0. 1毫升 0. 25毫升的粘结剂的比例，称量镍基纳米WC/Co粉末和所述的粘结剂并混合，充分搅拌均勻制成预涂胶；③将上述预涂胶均勻地涂在待激光熔覆处理的工件表面，制成预涂层；④烘干。采用自制的粘结剂制备镍基纳米WC/Co预涂层，然后再采用激光熔覆工艺，制备出了表面较平整，较细密、基本消除了裂纹与孔隙并与基体呈冶金结合的镍基纳米WC/Co复合涂层。公开号为CN101338427的中国发明专利申请给出的《液压支架立柱缸筒、活塞杆耐磨抗蚀涂层的激光熔覆工艺》，包括以下工艺过程首先立柱缸筒、活塞杆表面预处理室温下对立柱缸筒、活塞杆表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净；然后合金粉末的选择和自动送粉装置的调节选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的铁基合金粉末，铁基合金粉末的成份中主要含有Fe、C、Cr、Ni、Mo、Si、N、Nb、Ta、B ；最后自动送粉装置的调节调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0. 6-1. 2mm。公开号为CN101338425的中国发明专利申请给出的《铁路道岔滑床板表面耐磨抗蚀合金涂层激光熔覆工艺》，包括以下工艺过程首先滑床板表面预处理，即在室温下对滑床板表面进行除油除锈，并用酒精清洗干净；然后是合金粉末的预置，即把待熔覆的铁基、 镍基或钴基合金粉末预置于上述处理后的滑床板表面，并用带有导轨的刮尺来调整预制合金粉末，使之均勻分布在滑床板表面并具有适当的厚度，以满足熔覆后涂层厚度的要求；最后是光熔覆强化滑床板，选用气体CO2激光器，工作台为数控机床，在滑床板表面进行激光熔覆强化。公开号为CN101338428的中国发明专利申请给出的《镐形截齿齿体头部激光熔覆耐磨涂层强化工艺》，包括以下工艺过程首先是截齿齿体头部表面预处理；然后是合金粉末的选择和自动送粉装置的调整；最后是截齿头部激光熔覆耐磨合金涂层。现有技术给出的上述技术方案虽能利用激光熔覆工艺对部分设备部件进行耐磨覆层处理，取得一定的技术效果。但对其他特定的设备部件，例如像汽轮机末级叶片进气边这样的特定结构，现有激光熔覆工艺所提供的工艺参数已明显不能适应。经本申请人检索查证采用激光熔覆工艺在汽轮机末级叶片进气边表面制备耐磨抗蚀合金涂层，国内尚无先例，国外也没有见到相关报道。因此，寻找出适当的采用激光熔覆在汽轮机末级叶片进气边表面制备耐磨抗蚀合金涂层的工艺参数，仍需所属领域的技术人员进一步作出创造性的研究工作。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术对在汽轮机末级叶片进气边表面制备耐磨抗蚀合金涂层处理难的课题，通过反复研究改进，给出了一种新的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。该方法采用具有良好的抗腐蚀性和耐磨性的合金粉末作为激光熔覆合金材料，采取激光熔覆方法将具有耐磨抗蚀性能的合金粉末均勻地熔覆在汽轮机叶片上，形成均勻致密的冶金结合涂层，耐蚀性能达到不锈钢的水平，熔覆层与基体形成牢固的冶金结合，不产生剥落。本发明给出的技术方案是这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，其特点是工艺过程如下(1)汽轮机末级叶片进气边表面预处理，室温下对叶片进气边表面加工表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净，用着色探伤法对叶片进气边表面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。(2)合金粉末的选择和自动送粉装置的调节，选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的钴基合金粉末，其化学成份按重量百分含量为c :1. 0-1. 5%、Cr 25-30%、Ni 0. 4-0. 9%、Mn 0. 1-0. 16%、Si 1. 0-1. 5%、W 3. 5-5. 5%、Fe 0. 6-0. 85%，余量为 Co。调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0. 8 2mm。(3)光束调节，选用10*lmm宽带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸长*宽=(8-10)* (1-1. 5) mm;或选用3*lmm窄带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸长*宽=(2.5-3.5)* (1-1. 5) mm。(4 )耐磨抗蚀涂层激光熔覆，选用DL — HL — T5000型(X)2激光器，工作台为SIMENS 数控激光加工机。采用同步送粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，高功率聚焦激光束和自动送粉头沿叶片进气边表面指定方向进给，在叶片表面加工形成均勻致密的激光熔覆层。熔覆工艺参数如下。激光功率P = 3000 5000W，涂层厚度0. 8 2mm，聚焦矩形光斑尺寸长*宽= (8-10) * (1-1. 5) mm,或长 * 宽=(2. 5-3. 5) * (1-1. 5) mm，扫描速度 V = 300 700mm/ min，搭接率40 50%。(5)熔覆后探伤检验，用着色探伤法对叶片进气边表面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔等缺陷。本发明选用的DL — HL — T5000型(X)2激光器、SIMENS数控激光加工机和同步送粉装置均为本行业的常规设备。本发明的原理是采用具有优良的耐磨抗蚀性能、与汽轮机叶片基体具有良好冶金与力学相容的钴基合金粉末，在高功率激光束辐照工件表面的同时，采用自动送粉装置同步向激光熔池送入合金粉末，合金粉末在熔池内发生快速熔化和凝固，形成均勻致密的耐磨抗蚀熔覆层，熔覆层与基体形成牢固的冶金结合。熔覆层硬度可在HRC30 60内选择， 熔覆层厚度在0. 8 2mm，硬度、厚度均勻分布。与现有技术相比，本发明的有益效果是(1)激光熔覆合金涂层均勻、致密，与基体形成牢固的冶金结合，涂层具有优良的耐磨抗蚀性能，采用本发明技术制造的汽轮机末级叶片进气边表面显著提高了耐磨抗蚀性能和使用寿命。(2)本发明解决了传统方法焊接制造汽轮机叶片进气边表面的热影响区大、稀释率大、熔覆层厚度大、组织稀松且焊层容易剥落等问题。(3)本发明可应用于汽轮机末级叶片进气边表面的激光制造和修复再制造。
具体实施例方式实施例1 :X公司燃气轮机末级叶片进气边的修复。燃气轮机末级叶片进气边的基体材料为17-4PH ；钴基合金粉末的化学组成以重量百分数计为:C :1. 0%、Cr 30%, Ni :0. 42%、Mn :0. 1%、Si :1. 1%、W :3. 8%、Fe :0. 6%，余量为Co。
其工艺过程为(1)燃气轮机末级叶片进气边表面预处理。室温下对燃气轮机末级叶片进气边表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净。用着色探伤法对叶片进气边表面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。(2)合金粉末的选择和自动送粉装置的调节。选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的钴基合金粉末，调节自动送粉头使粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量使涂层厚度达到1. 0mm。(3)光束调节。选用10 X Imm宽带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸长X 宽=8 X 1. 5mm。(4)耐磨抗蚀涂层激光熔覆。开启DL-HL-T5000型CO2激光器，工作台为SIMENS数控激光加工机。采用同步送粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，高功率聚焦激光束和自动送粉头沿汽轮机叶片进给，叶片按设定转速旋转，在叶片进气边表面形成均勻致密的激光熔覆层。熔覆工艺参数如下。激光功率P=3000W ；聚焦矩形光斑尺寸长X宽=8X 1. 5mm ；扫描速度V=400mm/ min ；搭接率45%。(5)熔覆后探伤检验。用着色探伤法对叶片进气边表面进行检验，加工部位无裂纹/气孔等缺陷。实施例2 =XX公司燃气轮机末级叶片进气边的修复。燃气轮机末级叶片进气边的基体材料为17-4PH ；钴基合金粉末的化学组成以重量百分数计为:C :1. 5%、Cr :25%, Ni :0. 79%、Mn :0. 15%、Si :1. 2%、W :5. 0%、Fe :0. 8%，余量为Co。其工艺过程为(1)燃气轮机末级叶片进气边表面预处理。室温下对燃气轮机末级叶片进气边表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净。用着色探伤法对叶片表面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。(2)合金粉末的选择和自动送粉装置的调节。选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的钴基合金粉末，调节自动送粉头使粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量使涂层厚度达到1. 8mm。(3)光束调节。。选用10 X Imm宽带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸长X 宽=10X1mm。( 4 )耐磨抗蚀涂层激光熔。开启DL-HL-T5000型CO2激光器，工作台为SIMENS数控激光加工机。采用同步送粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，高功率聚焦激光束和自动送粉头沿汽轮机叶片进给，叶片按设定转速旋转，在叶片进气边表面形成均勻致密的激光熔覆层。熔覆工艺参数如下。激光功率P=4000W;聚焦矩形光斑尺寸长X宽=10X Imm ；扫描速度V=600mm/ min ；搭接率50%。(5)熔覆后探伤检验。
用着色探伤法对叶片进气边表面进行检验，加工部位无裂纹/气孔等缺陷。实施例3 =XXX公司燃气轮机末级叶片进气边的修复。燃气轮机末级叶片进气边的基体材料为17-4PH ；钴基合金粉末的化学组成以重量百分数计为C :1. 2%、Cr :27%, Ni :0. 44%、Mn :0. 12%、Si :1. 3%、W :4. 44%、Fe :0. 79%，余量为Co。其工艺过程为(1)燃气轮机末级叶片进气边表面预处理。室温下对燃气轮机末级叶片进气边表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净。用着色探伤法对叶片表面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔、夹杂等缺陷。(2)合金粉末的选择和自动送粉装置的调节。选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的钴基合金粉末，调节自动送粉头使粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量使涂层厚度达到1. 5mm。(3)光束调节。选用3 X Imm窄带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸长X 宽=2. 5 X 1. 5mm。(4)耐磨抗蚀涂层激光熔覆。开启DL-HL-T5000型CO2激光器，工作台为SIMENS数控激光加工机。采用同步送粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，高功率聚焦激光束和自动送粉头沿汽轮机叶片进给，叶片按设定转速旋转，在叶片进气边表面形成均勻致密的激光熔覆层。熔覆工艺参数如下。激光功率P=5000W ；聚焦矩形光斑尺寸长X宽=2. 5X1. 5mm ；扫描速度V=700mm/ min ；搭接率45%。(5)熔覆后探伤检验。用着色探伤法对叶片进气边表面进行检验，加工部位无裂纹/气孔等缺陷。
权利要求
1.一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，其特征在于有以下步骤(1)汽轮机末级叶片进气边表面预处理室温下对叶片进气边表面加工表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净，要求叶片进气边表面加工部位无裂纹、气孔、夹杂缺陷；(2)合金粉末的选择和自动送粉装置的调节选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的钴基合金粉末，其化学成份按重量百分含量为C 1. 0-1. 5%、Cr :25-30%, Ni :0. 4-0. 9%、Mn :0. 1-0. 16%、Si :1. 0-1. 5%、W :3. 5-5. 5%、 Fe 0. 6-0. 85%，余量为 Co ；调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量， 使合金粉末涂层的厚度达到0. 8 2mm ；(3)光束调节选用10*lmm宽带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸长*宽= (8-10)* (1-1. 5)mm ；或选用3*lmm窄带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸长*宽= (2. 5-3. 5)* (1-1. 5) mm ；(4)耐磨抗蚀涂层激光熔覆选用DL — HL — T5000型(X)2激光器，工作台为SIMENS数控激光加工机，采用同步送粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，高功率聚焦激光束和自动送粉头沿叶片进气边表面指定方向进给，在叶片表面加工形成均勻致密的激光熔覆层，熔覆工艺参数如下激光功率P = 3000 5000W，聚焦矩形光斑尺寸长*宽=(8-10)* (1-1. 5)mm，或长 * 宽=(2.5-3.5)* (1-1. 5) mm，扫描速度V = 300 700mm/min，搭接率40 50%，涂层厚度0. 8 2mm ；(5)熔覆后探伤检验用着色探伤法对叶片进气边表面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔缺陷。
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于较好的钴基合金粉末的化学成份按重量百分含量为C :1. 0%、Cr 30%, Ni 0. 42%、Mn 0. l%、Si :1. 1%、W :3. 8%、Fe :0. 6%，余量为 Co。
3.根据权利要求1所述的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，其特征在于较好的钴基合金粉末的化学成份按重量百分含量为C :1. 5%、Cr 25%, Ni 0. 79%、Mn 0. 15%、Si :1. 2%、W :5. 0%、Fe :0. 8%，余量为 Co。
4.根据权利要求1所述的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，其特征在于较好的钴基合金粉末的化学成份按重量百分含量为C :1. 2%、Cr 27%, Ni 0. 44%、Mn 0. 12%、Si :1. 3%、W :4. 44%、Fe :0. 79%，余量为 Co。
全文摘要
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，其特点是有以下步骤1)汽轮机末级叶片进气边表面预处理；2)选择合金粉末和调节自动送粉装置；3)光束调节；4)耐磨抗蚀涂层激光熔覆，用DL－HL－T5000型CO2激光器，工作台为SIMENS数控激光加工机，采用同步送粉装置将合金粉末送入激光熔池，高功率聚焦激光束和自动送粉头沿叶片进气边表面指定方向进给，在叶片表面加工形成均匀致密的激光熔覆层；5)熔覆后探伤检验。本发明采取激光熔覆将具有耐磨抗蚀性能的合金粉末均匀地熔覆在汽轮机叶片上，形成均匀致密的冶金结合涂层，耐蚀性能达到不锈钢的水平，熔覆层与基体形成牢固的冶金结合，不产生剥落。
文档编号C23C24/10GK102453896SQ20101051869
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月26日 优先权日2010年10月26日
发明者崔忠宝, 王悦斌, 赵小书, 陶兴启, 黄旭东 申请人:沈阳大陆激光成套设备有限公司