用于制造防侵蚀层和具有所述防侵蚀层的部件的方法.pdf

根据本发明，提出了一种用于在金属基板上制造防侵蚀层的方法，其中材料被焊接到所述金属基板(2、2′)上。所述材料是包含至少0.1％的碳和至少12％的铬的钢。通过激光沉积焊接将所述材料施加到所述基板(2、2′)上。本发明进一步提出了一种部件(1、1′)，所述部件具有金属基板(2、2′)和被施加在所述基板(2、2′)上的防侵蚀层(3、3′)，其中所述防侵蚀层(3、3′)是采用根据本发明的方法制造而成的。

1、  一种用于在金属基板上制造防侵蚀层的方法，其中材料被焊接到所述金属基板(2、2′)上，其特征在于，所述材料是包含至少0.1％的碳和至少12％的铬的钢，且通过激光沉积焊接将所述材料施加到所述基板(2、2′)上。

2、  根据权利要求1所述的方法，其中所述材料包含至少0.2％的碳且优选包含至少0.4％的碳。

3、  根据前述权利要求中任一项所述的方法，采用所述方法对部件(1)进行修补。

4、  根据前述权利要求中任一项所述的方法，采用所述方法新制造出部件(1)。

5、  根据权利要求3或4所述的方法，其中所述部件(1、1′)是压缩机叶片或涡轮叶片。

6、  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中仅为在运行状态中所述基板(2)的最易产生侵蚀的区域设置防侵蚀层。

7、  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使用能够进行移动的激光器设备进行焊接。

8、  一种部件，所述部件具有金属基板(2、2′)和被施加到所述基板(2、2′)上的防侵蚀层(3、3′)，其特征在于，所述防侵蚀层(3、3′)是采用根据前述权利要求中任一项所述的方法制造而成的。

9、  根据权利要求8所述的部件，其中仅为在运行状态中所述基板(2、2′)的最易产生侵蚀的区域设置防侵蚀层(3、3′)。

10、  根据权利要求8或9所述的部件，所述部件被设计为涡轮叶片或压缩机叶片，特别是被设计为燃气轮机或蒸汽轮机的叶片。

用于制造防侵蚀层和具有所述防侵蚀层的部件的方法
技术领域
本发明涉及根据相应类型的独立权利要求中的前序部分所述的一种用于在基板上制造防侵蚀层的方法且涉及一种具有这种防侵蚀层的部件。
背景技术
由于发生侵蚀而给部件带来的损伤在许多技术领域和工业领域中都是很重要的问题。因此，例如由于发生水滴侵蚀会使得在汽轮机中的涡轮叶片上出现严重的损伤。特别地，在涡轮机的低温范围内或此外在低压汽轮机中，可能会出现水滴从蒸汽中分离出来的情况，所述水滴随后冲击到转子的旋转涡轮叶片上或冲击到导流轮叶的固定涡轮叶片上并导致在那些地方发生侵蚀且因此导致出现材料磨蚀。
在旋转涡轮叶片中，叶片的前缘尤其会遭受水滴的侵蚀。
已公知的做法是：在制造完成后通过有意识地引入热量的方式对最易于发生侵蚀的区域如叶片的前缘进行硬化处理以便防止出现侵蚀效应，例如这些效应。这可例如通过感应硬化或激光硬化来实现。然而，由此实现的结果并不是令人满意的。
进一步已公知的做法是：通过对护罩进行硬钎焊(brazing)或借助于对硬质层进行激光沉积焊接从而保护叶片前缘。目前，将斯特莱特硬质合金(Stellite，一种钨铬钴合金)既用于该护罩的解决方案又用于激光沉积焊接是通常的做法。斯特莱特硬质合金，例如Stellite 6，是众所周知的钴铬合金，该钴铬合金通常用来防止部件发生磨损、磨蚀或腐蚀。
斯特莱特硬质合金的缺点在于：难以对斯特莱特硬质合金进行机加工。对斯特莱特硬质合金进行的焊接工艺通常是成本较高的且仅可很困难地操控所述焊接工艺。结果导致产生了残余应力且形成了裂纹。对斯特莱特硬质合金护罩实施的钎焊(soldering)是一种难以操控的带来了问题的过程。通常情况下，当对斯特莱特硬质合金进行焊接或钎焊时，必须随后进行附加的热处理。尽管采取了这种在某种程度上很复杂的最终处理，但所获得的耐侵蚀性能以及斯特莱特硬质合金在基板上的结合程度却并不总是令人满意的。
进一步地，斯特莱特硬质合金并不那么适于或甚至不适于在例如必须重新构建叶片前缘的一些部分时对已经受损的叶片前缘进行修补，这是因为作为硬质涂层的材料的斯特莱特硬质合金实际上并不是结构材料。
然而，水滴侵蚀的问题同样会出现在燃气轮机中。这里，水滴侵蚀特别地会发生在涡轮机的压缩机侧部上，在所述压缩机侧部处，空气被吸入且随后被压缩。这会导致来自已被吸入的空气的水滴冷凝下来，所述水滴随后会冲击到涡轮机的压缩机级的叶片上。
一般说来，侵蚀还可能导致在其它液动机或旋转机中出现严重的问题。当水中包含较高比例的冲积颗粒如砂或其它固体时，侵蚀的迹象通常出现在水轮机的轮子上，所述水轮机例如是培尔顿(Pelton)水轮机。由砂或另一种固体导致产生的侵蚀还可导致对压缩机叶片且对涡轮叶片产生严重的损伤。
此外，术语“侵蚀”被用来覆盖可能通过空穴作用而在水轮机或旋转泵的叶片处出现的所有损伤。这里，还需要确保能更好地防止部件受到侵蚀效应的作用。
发明内容
从该现有技术出发，本发明的目的在于提出一种方法，通过所述方法可有效地防止部件，特别是来自流体发动机(flow engine)或旋转发动机的部件，产生侵蚀。所述方法应该既适用于制造新制品又适用于修补部件。进一步地，本发明的目的在于提出一种耐侵蚀的部件。
满足了该目的的本发明的主题具有相应类型中的独立权利要求中的技术特征。
因此，根据本发明，提出了一种用于在金属基板上产生防侵蚀层的方法，其中材料被焊接到所述金属层上。所述材料是包含至少0.1％的碳和至少12％的铬的钢。通过激光沉积焊接将所述材料施加到所述基板上。
令人惊奇的是，本文已经证明了可通过用简单的方式利用激光沉积焊接将含碳量低的钢焊接在基板上从而产生性能非常良好的防侵蚀层，所述防侵蚀层的附着力极好且具有高硬度和非常良好的耐腐蚀性。
此外，这类钢的价格也比较合理，这使得根据本发明的方法实施起来比用于实现防侵蚀的其它方法要经济得多。
然而，这些钢也可不以常规方式进行焊接或仅困难地进行多种复杂的处理如预热和随后的热处理。
进一步的有利之处在于：可以简单的方式并且在可靠的工艺中借助于激光沉积焊接对适用于本发明的方法的钢进行加工。
此外，由于采用了激光沉积焊接，因此使得在所述基板上仅形成了狭窄的导热区带，这使得所述基板的基材及其热处理状态即便是受到影响的话，这种影响也仅是轻微的。由此可使得不必进行随后的热处理，这使得根据本发明的方法更简单、更迅速、也更经济。
当所述材料包含至少0.2％的碳且优选包含至少0.4％的碳时，对于耐侵蚀性而言是特别有利的。这种包含较高百分比的碳的钢仍然可借助于激光沉积焊接进行加工而不会出现问题。
一个优选的实施例是在对部件进行修补时采用根据本发明的方法，用于根据本发明的方法的材料还特别适于用作结构材料，这与用于进行防侵蚀的其它材料形成了对比，从而使得有可能以简单的方式采用根据本发明的方法重建受损表面。
另一优选实施例是采用根据本发明的方法制造新部件。通过在金属基板上制造根据本发明的防侵蚀层，使得可简单地制造出具有优良的耐侵蚀性的新部件。
根据一种优选的应用，所述部件是压缩机或涡轮叶片。在这种布置中，所述部件还可以是蒸汽轮机的涡轮叶片。由于水滴导致出现的侵蚀损伤通常出现在这些部件中。根据本发明的方法既适用于修补受损涡轮叶片也适用于防止在制造新涡轮叶片的过程中发生侵蚀。所述部件还可以是燃气轮机的叶片，其中特别地在压缩机侧部或叶轮侧部会出现由于水滴或固体材料颗粒导致出现的侵蚀损伤。所述涡轮叶片进一步地还可以是液体涡轮机，特别是水轮机，的推进器的叶片，所述水轮机例如为培尔顿水轮机，在所述叶片处可能会通过冲积颗粒如砂或通过水的效应而导致出现侵蚀损伤。侵蚀损伤特别地还可能是由于空穴作用带来的损伤而造成的。
一种有利的措施是：仅为在运行状态中最易产生侵蚀的基板区域设置防侵蚀层。通过这种方式可节省材料、时间和金钱。在燃气轮机或蒸汽轮机的涡轮叶片中，该区域例如是涡轮叶片的叶片前缘。
一个有利的实施例是当进行焊接时使用可移动的激光器设备。因此可直接就地进行修补。由此使得可例如避免进行昂贵且费时的拆卸工作和避免进行输运涡轮机或输运涡轮机转子的工作，这是因为可在涡轮机的运行位置处直接对有缺陷或受损的涡轮叶片进行处理且在绝大多数情况下不必拆下转子。
本发明进一步提出了一种部件，所述部件具有金属基板和被施加到所述基板上的防侵蚀层，其中所述防侵蚀层是采用根据本发明的方法制造而成的。
即使在根据本发明的所述部件中，优选也仅为在运行状态中最易产生侵蚀的基板区域设置防侵蚀层。
在一个优选实施例中，所述部件被设计为涡轮叶片或压缩机叶片，特别是被设计为燃气轮机或蒸汽轮机的叶片。
在从属权利要求中阐明了本发明的进一步有利的措施和其它的优选实施例。
附图说明
下面将借助于实施例及附图对本发明作出更详细地说明。在所述附图中：
图1是穿过蒸汽轮机的涡轮叶片的剖面图，所述涡轮叶片是采用根据本发明的方法的一个实施例新制造而成的；
图2是穿过蒸汽轮机的涡轮叶片的剖面图，所述涡轮叶片是采用根据本发明的方法的一个实施例进行修补的涡轮叶片；和
图3是示出了耐侵蚀性的曲线图。
具体实施方式
根据本发明的方法用于在金属基板上制造防侵蚀层3(参见图1)。
术语“侵蚀”应该被理解为包括由于空穴作用导致产生的效应或损伤。
根据特定应用场合，防侵蚀层3可防止发生不同种类的侵蚀，例如防止发生液滴侵蚀，尤其是水滴侵蚀，防止发生由于固体颗粒或悬浮颗粒例如砂带来的侵蚀，或还防止发生由于空穴作用造成的侵蚀的迹象。
原则上，根据本发明的所述方法适用于其中的部件经受侵蚀作用的所有设备。这些设备特别地为液动机、旋转发动机、旋转泵如离心泵或轴流泵、一般意义上的涡轮机、利用液体运行的涡轮机-例如具有培尔顿轮或其它轮的水轮机-燃气轮机、蒸汽轮机。
下面将示例性地结合在实践中特别重要的特定实例进行描述，在这些实例中，防侵蚀层旨在防止蒸汽轮机的涡轮叶片遭受水滴侵蚀。在蒸汽轮机中，水滴侵蚀会导致对叶片且特别地对旋转涡轮叶片产生严重损伤。尤其是在涡轮机的更冷的区域中和/或在低压蒸汽轮机中，温度条件和压力条件会有规律地导致冷凝出水滴，所述水滴随后以相对较高的速度冲击到涡轮叶片上并导致在该部件处由于材料的磨蚀而出现严重的损伤。特别地，涡轮叶片的前边缘或前缘在运行过程中最易产生侵蚀。
根据本发明，现在提出了一种在金属基板上制造防侵蚀层3的方法。图1示出了穿过新制造而成的部件的剖面，所述部件在此处被设计为蒸汽轮机的涡轮叶片1。涡轮叶片1包括金属基板2和被施加在基板2上的防侵蚀层3。防侵蚀层3被施加在叶片前边缘4的区域中，从而使得至少整个叶片前边缘4受到防侵蚀层3的保护。
为了进行制造，首先以本质上已公知的方式制造出以涡轮叶片形式存在的金属基板2。就这方面而言，可在叶片前边缘4上设置凹部，所述凹部会承接防侵蚀层3。可在金属基板2的制造过程中直接设置该凹部或也可在制造之后通过机加工步骤如打磨或磨削来产生该凹部。当然，另一种可选方式是，也有可能在并不设置专用于防侵蚀层的凹部的情况下将防侵蚀层3施加到叶片前边缘4上。
在下一工艺步骤中，实施制造防侵蚀层3的过程。通过对材料进行激光沉积焊接而将该防侵蚀层施加到金属层2上。所属领域技术人员对于激光沉积焊接技术有着充分的认识且因此此处不再对该技术进行更详细地描述。通常用于进行焊接的所有激光焊接设备都是适当的，特别是Nd:YAD激光器、二极管激光器、光纤激光器以及具有介于1060nm与1070nm之间的典型波长的盘形激光器和具有10600nm波长的CO₂激光器。
根据本发明，用于借助于激光沉积焊接工艺来制造防侵蚀层3的材料是钢，所述钢包含至少0.1％的碳(C)和至少12％的铬。
在本申请的范围内，所提到的百分比所指的均为重量百分比。
所述钢的这种高铬含量为防侵蚀层赋予了非常良好耐腐蚀性。所述钢特别地是不锈钢。
所述钢的这种高碳含量为防腐蚀层3提供了高硬度，这就确保了耐侵蚀性的获得。
所述钢特别地是马氏体钢；这意味着该结构的至少一部分是马氏体。
所述钢特别地是可硬化且可在空气中回火的钢，即钢的碳含量高到使得可在空气中对钢进行回火。这意味着，不必在进行了激光沉积焊接之后借助于油或水对钢进行冷却，而是，钢在空气中的冷却梯度足以大到至少部分地产生马氏体结构。
防侵蚀层3在冷却下来之后优选具有至少主要的马氏体结构。
在实践中已经证明，当材料是包含至少0.2％的碳且优选包含至少0.4％的碳的钢时，会特别有益。防侵蚀层通过这种高C含量而获得了特别良好的硬度。由于利用了激光沉积焊接技术来进行焊接，因此这种高碳含量不会给焊接工艺造成问题。
例如，本文已经证明：可使用X42Cr13钢实现非常良好的结果。这种可从商业渠道获得的钢具有0.42％的碳含量和13％的铬含量。本文提出的进一步的实例是X20Cr13钢，这种钢具有0.2％的碳含量和13％的铬含量。
在制造新叶片1的过程中，防侵蚀层的厚度通常达到0.2mm至1.5mm。
图2示出了一个实例，在该实例中对部件进行修补。图2示出了穿过燃气轮机的涡轮叶片1′的剖面，采用根据本发明的方法的一个实施例对所述涡轮叶片进行修补。
在蒸汽轮机的运行过程中，由于水滴侵蚀而使得在叶片前边缘的区域中会有大量材料被剥除。在实施修补之前，叶片前边缘区域具有由线5示出的轮廓或表面。根据本发明，现在借助于激光沉积焊接而在剩余的金属基板2′上产生防侵蚀层3′-如果有必要的话，则在进行了预先的清洁或制备步骤之后形成该防侵蚀层，这是通过将具有至少0.1％的C和至少12％的Cr的钢焊接到金属基板2′上来实现的。
就这方面而言，对激光焊接工艺进行控制从而重新构建出涡轮叶片1′的原始形状且特别是重新构建出叶片前边缘的原始形状。就这方面而言，以下这种情况是特别有利的，即根据本发明所使用的材料可以是结构材料，换句话说是一种不仅可以产生一个涂层而且可以重新构建出部件的原始形状的材料。X42Cr13钢也是特别适于用作这种材料的。
使用可移动的激光器设备来进行激光沉积焊接是特别有利的，特别是在修补时更是如此。使用可移动的激光器设备使得可在运行位置处直接修补涡轮叶片，且如果有必要的话，不需要完全地拆除涡轮或转子。从经济角度来看，这一点是特别有利的，这是因为这节省了运输要被修补的涡轮叶片的运输时间，且根据应用场合还可缩减组装和拆卸工作。因此，可大大减少由于进行修补而导致的停机时间。
在下文中，将借助于实例并借助于图3对根据本发明而形成的防侵蚀层与现有技术的防护层进行对比。在水滴侵蚀试验床上实施涉及防侵蚀性的实验。在该水滴侵蚀试验床处，要进行测试的材料样品被置于转子上。借助于固定的注射喷嘴排出水滴，所述水滴循环地冲击在被附接到旋转转子上的样品上。
样品的形状和尺寸取决于试验床。样品基本上具有平行六面体形状，该形状尺寸为25mm×8mm×3mm且具有30°的倒角。其中一个样品，样品A，是利用根据本发明的方法制造而成的样品，且该样品包括金属基板2，在所述金属基板上设置了防侵蚀层3。防侵蚀层3包括X42Cr13钢，所述钢通过激光沉积焊接工艺被施加到基板2上。
作为对比性实例，使用了根据现有技术的样品B，所述样品由目前常用的材料制成且已公知地具有良好的耐侵蚀性。Stellite 6的锻造条被钎焊到金属基底本体上。
在下面的实验条件下对这两个样品进行测试：水滴具有0.2mm的直径且以400m/s的速度冲击在相应的样品上。所运行的循环次数达到一千万次，即样品在旋转时通过该固定注射喷嘴的次数达一千万次，这意味着有一千万个水滴冲击在样品上。
作为水滴侵蚀试验的结果而确定出了相应样品的质量损失。随后在体积损失的相应比密度的帮助下由该质量损失计算出体积损失。样品A的密度为7.70g/cm³，而样品B的密度为8.15g/cm³。
图3以曲线图的方式示出了试验结果。循环次数被标在水平轴X上，所述循环次数等同于冲击次数，所述水平轴线的刻度是取了对数的刻度。体积损失被标在垂直轴线Y上，所述垂直轴线具有线性刻度线，单位为mm³。标记为A的曲线表示样品A，所述样品是利用根据本发明的方法制造而成的样品，标记为B的曲线则表示样品B，所述样品是根据现有技术制造而成的样品。从图中明显可以看出：样品A具有优良得多的耐侵蚀性。而对于样品B而言，在百万次循环之后的体积损失已经达到了0.49mm³且随后更是迅速增加，而样品A中的体积损失甚至在一千万次循环之后也仅为0.317mm³。
此外，通过试验还确定了潜伏期，所述潜伏期是用来衡量在发生由于材料剥除而导致的损伤之前的时间有多长的一个指标。该潜伏期被定义为达到0.1mm³的体积损失时的循环次数。根据本发明制造而成的样品A的潜伏期为六百万次循环，而样品B的潜伏期则仅为100,000次循环。
该结果非常明显地表明：可利用根据本发明的方法制造出比现有技术中已公知的其它方法具有优良得多的防侵蚀性的防侵蚀层。
尽管本文是结合与蒸汽轮机的涡轮叶片实际相关的部件进行说明的，但本发明绝不限于这些部件。
水滴侵蚀还可能例如出现在燃气轮机的叶轮侧或压缩机侧上。在新部件的制造过程中和在对燃气轮机中的受损叶片进行修补的过程中，根据本发明的方法也都特别适于在燃气轮机的这种压缩机叶片上产生防侵蚀层。
根据本发明的方法还适于防止液体轮机中的轮叶或叶片、水轮机如培尔顿涡轮机中的轮叶或叶片、旋转泵中的轮叶或叶片或液动机中的轮叶或叶片大体上不会受到由于空穴效应带来的损伤。
根据本发明的方法进一步适于防止燃气轮机、蒸汽轮机和液体轮机中的轮叶或叶片、水轮机如培尔顿涡轮机中的轮叶或叶片、旋转泵中的轮叶或叶片或液动机中的轮叶或叶片大体上不会受到侵蚀损伤，这种侵蚀损伤可能是由于固体材料颗粒如砂带来的，或可能是由于悬浮颗粒带来的。
因此，根据本发明的部件还可特别地被形成为所有类型的涡轮机中的涡轮叶片、形成为转子叶片、形成为一般意义上的转子或形成为旋转机器和液动机中的经受侵蚀的其它部件。
在各种涡轮机中，根据本发明的方法既适用于旋转发动机部件(转子)的轮叶或叶片又适用于固定部件，例如导流轮叶，的叶片。