工业汽轮机阀杆超音速火焰喷涂的研究.pdf

与开发 D Oh 1 O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 0 5 工业汽轮机阀杆超音速火焰喷涂的研究 刘中华，宋思远 杭州汽轮动力集团有限公司，浙江杭州 3 1 0 0 0 3 摘要 采用超 音速火焰 喷涂球形烧 结态 C r C 一 2 5 ％Ni C r 复合粉末制备 高温耐磨 损涂 层 ，分析了涂层的显微组织结构 ，测试 了涂 层的结合强度 、硬度和耐磨性能。结果表明涂层中以C r s C 为主的颗粒增强相弥散分布在N i C r 固溶体中，涂层的显微硬度比 基体 2 C r l 2 M o V 提高了3 倍多，摩擦磨损性能也有明显提高。 关键词超音速火焰喷涂；阀杆；涂层；显微组织； 摩擦磨损性能 中图分类号 T G1 7 4 ． 4 文献标识码 B 文章编 号1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 50 30 0 1 80 4 HVoF 0 n t he Va l v e Spi ndl e 0 f I ndus t r i a l St e a m Tur bi ne LI U Zho ng h ua． SONG S i y u a n C e n t r a l Re s e a r c hI n s t i t u t e ，Ha n g z h o u S t e a mTu r b i n eP o w e rGr o u pC o ． ，Lt d，Ha n g z h o u 3 1 0 0 0 3，C h i n a Ab s t r a c t Th e r e s i s t a n t h i g h t e mp e r a t u r e a b r a s i o n c o a t i n g i s p r e p a r e d b y h i g h v e l o c i t y o x y g e n f u e l s pr a y e d s p h e r o i d s i nt e r e d Cr s C 2 2 5 ％ Ni Cr c o mp o s i t e p o wd e r ， a n d mi c r o s t r u c t u r e， b o n d s t r e n g t h， mi c r o h a r d n e s s ， f r i c t i o n a n d we a r pr o p e r t i e s o f t h e c o a t i n g s we r e e x a mi n e d ．Re s u l t s s h o w t h a t ma i n p ha s e i n t h e c o a t i ng i s Cr s C2 p a r t i c l e s d i s t r i b u t i n g i n t h e Ni C r s o l i d s o l u t i o n ．T h e mi c r o h a r d n e s s o f c o a t i n g i s a b o v e t h r e e t i me s mo r e t h a n t h a t o f 2 Cr l 2 Mo V a l l o y s ， a n d t h e fri c t i o n a n d we a r p r o p e r t i e s o f 2 Cr l 2 Mo V a l l o y i s e n h a n c e d g r e a t l y ． Ke y wo r d s h i g h v e l o c i t y o x y g e n f u e l s p r a y i n g H VO F ；v a l v e s p i n d l e ；c o a t i n g ；m i c r o s t r u c t u r e ； f ri c t i o n a n d w e a r p r o p e r t i e s 0前言 工业汽轮机 的调节汽 阀用来调节蒸 汽流量 ， 使其 与负荷相适应 。在高温高压下 ，调节汽 阀因 调节需要而频 繁动作 ，阀杆易被擦伤 、磨损 、变 形甚至折断 ，造成调节汽阀的损坏 ，汽轮机组不 得不停机更换阀杆 ，造成较大的经济损失。阀杆 的性能关乎汽轮机组经济安全的运行。 目前 国内 采取一些表面强化处理工艺来延长阀杆的使用寿 命 ，但 耐高温 、耐磨性能不够高 ，作用有限 ，因 此有必要开发一种性能好 ，使用寿命长 的工业汽 轮机用耐高温耐磨阀杆。 N i C r C r ， C 金属 陶瓷复合涂层在 9 0 0℃以下具 有优 良的抗高温氧化、抗高温气流和抗高温磨损 性能u 一 1 ，持续受 到人们的关 注 ，已广泛应用于电 站设备 、能源 、动力机械 、航空航天等领域 [ 6 - 1 0 1 。 本 文采用 H V O F喷涂 工艺 ，在工业汽轮机 阀杆试 样表 面喷涂制备 了N i C r C r ， C 金属 陶瓷涂 层 ，对 涂层 的组织形貌 、机械性 能等进行检测 、分析 ， 为延长阀杆寿命提供技术支持。 1 实验方法 1 ． 1 涂层制备 喷涂 材料采 用球形 烧结态 C r 3 C 一 2 5 ％ N i C复 合粉末 ，其成分及性能指标如表 1 所示 ，形貌照 片如图 1 所示。试样选用 阀杆基材 2 C r l 2 Mo V，用 于微观组织观察与分析的试验件尺寸为 3 0 m m x 2 0 m mx 1 0 m m，用于 拉 伸试 验 用 的试 样 尺 寸 为 表 1 Cr 3 C2 2 5 ％Ni Cr 粉末 的化学成分及物理性 能 杭 州市产学研 资助项 目 编号 2 0 0 8 2 8 3 1 E 0 4 收稿 日期 2 0 1 4～1 02 2 l 一 一 _ j [ 兰 量 羔 珊发 表2 结合强度测试表 图3涂层的高倍S E M照片 呈团聚状 的粒子与粒子之间结合 紧密 ，弥散分布 在基体上。 2 ． 2 涂层硬度 硬度在很大程度是决定 了涂层 的耐磨性和抗 冲蚀性 ，是涂层重要的性能指标 ，它表征了材料 表面抵抗破坏或变形的能力 。R a b i n o w i e 提出了在 干磨损试验条件下 ， 磨粒磨损的模型 寺 式 1 中， 为磨损失重量 ； 为磨粒磨 损系数 ，与磨料有关 ； 为法向载荷 ；H为硬度 。 由式 1 可知 ， 在相 同载荷磨损条件下 ， 磨粒 磨损失重量与硬度成反比 ， 即硬度越高 ， 材料耐 磨性能越好 。C r 3 C 一 2 5 ％N i C r 涂层中含有大量的 C r 的碳化物和少量氧化物 ，碳化物和氧化物等硬质 相 ，有助于提高涂层的显微硬度。表 3 为涂层的 显微硬度测量结果 ，可以看出，C r 3 C 一 2 5 ％N i C r 金 表3 Cr 3 C2 2 5 ％NiCr 涂层的维氏硬度 H V0 ． 1 属陶瓷复合涂层显微硬度极高 ，其平均显微硬度 值可达 到 9 3 6 H V，比未经 处理 的基体金 属 的 2 4 1 2 8 5 H V提高 了3 倍多 ，可见耐磨性也有大幅 度的提高 。 表4 复合涂层和2 C r 1 2 Mo V的摩擦磨损性能 2 ． 3 涂层耐磨性能 由表 4 可见 ，涂层的摩擦失重量约为基体的 1 ／ 1 0 ，这是 由于基体相对涂层而言硬度较低 ，致 使基材表面质量损失很大；相比基体 2 C r l 2 Mo V合 金而言 ，涂层的摩擦系数还相对较低 ，明显地改 善了2 C r l 2 M o V 合金表面的耐磨性能。 进行干滑动摩擦磨损试验时，在法向载荷作 用下 ，试样 表面上 的微 观凸 出部分被 硬度 很高 WC磨 球嵌 人 试样 表 面 ，试样 材 料 相对 硬 度较 低 ，在滑动过程 中被推挤 、切削 ，使得韧性 材料 发生塑性 变形并进一步导致疲劳扩展 、破坏 ，材 料 中较脆的硬质相破碎并脱落 。由图4可见 ，未 喷涂试样和喷涂后试样都是典型的磨粒磨损特 征 ，均出现了明显的沿滑动方向分布的切削犁 沟 ，其周 围分 布有磨 屑 ，且 磨屑具 有不 同程 度 的脱落 现象 。超 音 速火焰 喷涂后 试样磨 损表 面 相对较 平整光 滑 ，犁沟 既浅又 细 。未 经喷 涂 的 基体试样材料硬度较低 ，被硬度较高的磨球切 屑严重 ，表 面疲劳 破坏较 为严重 ，部 分金 属材 料转 移到犁 沟 的两 侧 ，犁沟相对 深且 宽 。在超 音速 火焰 喷涂 后 的试样 中 ，耐 磨性能 大 幅提高 的关键 因素是有 大量 硬度很高 的硬质 相 C r ， C 的 存在 。一方 面 ，涂 层有 较高 的硬度 ，有较 强抵 抗 磨球 凸体 压人 涂层进 行显 微切 削的能力 ；另 一 方面 ，超 音速火 焰 喷涂后涂 层组织 细小 、均 匀 ，以 C r 3 C 为主 的颗 粒增 强相弥散 分布在 N i C r 固溶体中，赋予 了该涂层优异的强韧性 ，在摩 擦磨损过程中，涂层裂纹的产生和显微剥落在 较大 的程度上 得到改 善 。因而 ，涂层表 现 出优 良的摩擦磨损性能 。 E二] 丑