一种燃气轮机压气机动叶片叶根的表面耐磨层及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及汽轮机的加工领域，具体涉及一种燃气轮机压气机动叶片叶根的表面耐磨层及其制备方法。
背景技术
在燃气轮机使用过程中，由于叶片的叶根与叶轮的配合面不可避免地存在间隙，转子高速转动时，叶根与叶轮会产生微动磨损，致使叶片损伤，特别是重型燃气轮机压气机的动叶叶根，在实际工作时极易微动磨损。因此，叶根与叶轮的配合面需进行硬化处理，以提高其抗微动疲劳性能。传统的方法是在该表面渗碳、渗氮，或用耐磨材料喷焊耐磨层，到现代，国外也有在该表面喷涂涂层的，显然，叶片抗微动疲劳性能与喷涂材料和工艺相关。目前，国外许多大公司均采用大气等离子喷涂工艺(APS)制备该涂层，大气等离子喷涂工艺(APS)制备的叶根表面涂层与基材结合较差，在叶片长期运转过程中易造成涂层剥落；涂层孔隙率较高，涂层氧化严重。而且，采用大气等离子喷涂工艺(APS)制备该涂层，工艺流程复杂，对工作环境和生产设备的要求十分严格，制作成本较高，不适合大范围的推广。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种燃机压气机动叶叶根的表面涂层及其加工方法，增强叶片抗微动疲劳的性能，提高产品使用寿命。
本发明所采用的技术方案是：
一种燃气轮机压气机动叶片叶根的表面耐磨层，所述表面耐磨层位于叶根底部与叶轮的接触的表面上，该表面耐磨层是涂层，涂层的材料为铜镍铟合金粉末，其组分为铜粉50～60重量％，镍粉30～40重量％，铟粉3～10重量％，采用超音速火焰喷涂方法喷涂在叶根表面。
所述涂层厚度为0.067～0.093mm。
这种燃气轮机压气机动叶片叶根的表面耐磨层的制备方法，其步骤为：
(1)使用清洗液清洁需喷涂的叶根表面，并晾干；
(2)对需喷涂表面做喷砂预处理，去除表面钝化层；
(3)用送粉器送铜镍铟合金粉末，使用喷枪给需喷涂表面进行超音速火焰喷涂。
所述步骤(3)中喷涂的具体参数为：空气压力为80～100Psi，燃气1压力为50～70Psi，燃气2压力为35～50Psi，送粉气体为5～7L/h，送粉速度为10～25RPM，喷枪移动速度为500～800mm/s，喷涂距离为150～180mm，喷涂角度为90°，工件温度小于150℃。
所述步骤(1)中的清洗液采用丙酮。
所述步骤(2)中的喷砂采用46#白刚玉。
所述步骤(3)中的超音速火焰喷涂中使用的喷涂工具是ABB机器人。
本发明所产生的有益效果是：
本燃气轮机压气机动叶片叶根的表面耐磨层，是一层具有抗微动磨损功能的铜镍铟合金粉末涂层，增强了叶片抗微动疲劳的性能，提高了产品的使用寿命。本燃气轮机压气机动叶片叶根的表面耐磨层的制备方法，采用超音速火焰喷涂(AC-HVAF)工艺方法，替代了国外公司采用的大气等离子喷涂工艺，制备出孔隙率更低、结合强度更高的铜镍铟涂层。这是一种新型热喷涂工艺方法，简化了工艺流程，降低了生产成本，对燃机产品质量的提高、产品新技术新工艺的推广，起到积极的社会效益，并将有力地推动我国重型燃机产品国产化进程。
本发明所制得的燃气轮机压气机动叶片叶根的表面耐磨层性能优越，外观、金相组织、硬度、结合强度和杯突性能均达到标准要求，并优于大气等离子喷涂方法制得的铜镍铟叶根表面涂层，其性能比较见表2：
表2.超音速火焰喷涂(AC-HVAF)喷涂铜镍铟合金粉末涂层
与大气等离子喷涂(APS)喷涂铜镍铟合金粉末涂层性能对比表
项 目 实验条件 AC-HVAF涂层 APS涂层 外 观 目测 涂层表面的颜色均匀一 致，无剥落、裂缝、裂 纹、起泡等有害缺陷。涂 层表面较光滑、平整。 涂层表面的颜色均匀 一致，无剥落、裂 缝、裂纹、起泡等有 害缺陷。 金 相 组 织 100×，500× 涂层厚度比较均匀，无可 以辨认的裂纹和其他杂 质，隙率小于1％，涂层 与母材的界面上残留的未 熔颗粒数量小于18％。 涂层容易夹杂熔化的 电极和其他杂质，隙 率小于3％，涂层与 母材的界面上残留的 未熔颗粒数量小于 20％。 硬 度 HVS-1000型显微硬度计， 载荷500g，保持10s。 170～220 140～190 结 合 强 度 ASTM C633或JIS H8664 40～56Mpa 23～35Mpa
项 目 实验条件 AC-HVAF涂层 APS涂层 杯 突 性 能 试样规格50mm×60mm× 1.2mm的试样，在万能实验 机上采用Ф22.2钢球以 10mm/min匀速压入7.6mm。 涂层无裂纹、无剥落 涂层无裂纹、无剥落
【附图说明】
图1为本发明压气机动叶片叶根喷涂区域示意图；
图2为本发明涂层制备方法的步骤示意图。
图1中代号表示：1-表面耐磨层(涂层)；2-叶根。
【具体实施方式】
采用超音速火焰喷涂(AC-HVAF)工艺，选择铜镍铟合金粉末作为喷涂涂层材料，在燃机压气机动叶相同材料的试样上喷涂涂层1，并对涂层1组织和性能进行分析，通过多次试验优化工艺参数、分析研究后，再进行叶片模拟件喷涂，最终确定最佳的喷涂实施方案：
图1示出本发明的一个实施例。本实施例的组分为铜粉58重量％，镍粉37重量％，铟粉5重量％，为Cu-37Ni-5In合金粉末。由该合金粉末喷涂的表面耐磨层1，位于燃气轮机压气机动叶片叶根2底部、与叶轮地接触面的外表面上。该Cu-37Ni-5In表面耐磨层1采用超音速火焰喷涂(AC-HVAF)方法喷涂在叶根2表面，厚度约为0.08mm。
本发明的燃气轮机压气机动叶片叶根2的表面耐磨层1的制备方法，参见图2，包括以下步骤：
1、对需喷涂来料检查，检查合格再进入下道工序。
2、使用清洗液，如丙酮，清洗需喷涂的叶根2表面，去除需喷涂表面的油污及异物，并将其晾干待用。
3、对需喷涂表面做预处理，使用喷砂枪对工件喷涂白刚玉砂，此步骤是对需喷涂表面进行喷砂活化处理，去除表面钝化层。本实施例中，喷砂采用46#白刚玉，喷嘴到工件的距离为150mm，喷射的气体压力控制在0.5MPa左右，喷射时与工件表面的角度约为75度。
4、对需喷涂表面作超音速火焰喷涂。使用送粉器送铜镍铟合金粉末，使用喷枪喷涂叶根2的需喷涂表面；本实施例中，采用的铜镍铟合金粉末的组分为：58重量％，镍粉37重量％，铟粉5重量％，为Cu-37Ni-5In合金粉末。压缩空气压力85Psi左右，超音速火焰喷涂的燃气1压力应控制在65Psi左右，燃气2压力应控制在40Psi左右。送粉器送出的粉气流量为5.5L/h，送粉速度为15RPM。喷嘴到工件的距离为160mm，喷枪移动速度为500mm/s，喷射时与工件表面的角度为90°。在整个喷涂过程中工件的温度均不超过150℃。在喷涂过程中，采用ABB机器人对喷涂距离，喷涂路径及涂层1厚度进行精确控制，对不要求喷涂的区域进行有效保护。本实施例选取的最佳喷涂工艺参数见表1：
表1.超音速火焰喷涂工艺参数
当使用该超音速火焰喷涂方法加工其他尺寸的工件时，只需对上述工艺参数进行适当调整。
5、清理涂层1。
6、检验涂层1，若涂层合格则喷涂完成；若涂层1不合格，返回步骤3，使用喷砂的方法，将涂层1去除，重新加工。