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耐固体颗粒冲蚀Cr_3C_2-NiCr涂层的工艺选择及性能研究

作　者: 孟祥红
导　师: 陈昭运
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 材料学
关键词: 爆炸喷涂(DS) 超音速火焰喷涂(HVOF) 汽轮机疲劳冲蚀
分类号: TG174.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

汽轮机由于长期在高温、高压及交变载荷环境下工作,导致汽轮机叶片的疲劳失效严重,同时由于和汽轮机相联的锅炉内壁受到高温氧化作用,脱落的氧化皮(铁的氧化物)对机组的喷嘴及叶片造成固体颗粒冲蚀,二者同时作用,使得汽轮机使用寿命缩短,维修成本上升,影响了发电机组运行的可靠性和经济性,因此开展汽轮机防护涂层、疲劳失效及冲蚀磨损的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。本文首先分别采用爆炸喷涂(DS)及超音速火焰喷涂(HVOF)技术制备Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层；然后利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)及X射线衍射(XRD)方法对两种涂层(DS涂层及HVOF涂层)的显微组织及缺陷进行观察与分析,优化出该系涂层的制备工艺。利用静拉伸法、X射线应力仪及维氏压痕法分别测定涂层-基体结合强度、残余应力分布、显微硬度及压痕断裂韧性等常规力学性能；最后通过高周疲劳试验及固体颗粒冲蚀试验评定Cr3C2-NiCr涂层的应用性能。研究表明：和HVOF涂层相比,DS涂层组织致密、原始碳化物含量高且分布均匀,片层间内粘结力强,氧化、脱碳及孔隙率低；NiCr粘结相以非晶及纳米晶存在,同时其中弥散析出纳米尺寸的Cr23C6相；DS涂层-基体结合强度>63MPa,表面及涂层-基体界面分别存在23.35MPa、280MPa的压缩残余应力；DS涂层截面的显微硬度及压痕断裂韧性都明显高于HVOF涂层；疲劳试验表明,DS涂层试样的条件疲劳极限及有限疲劳寿命都明显低于基材,条件疲劳极限降低33.2%。疲劳断口分析表明：基材的疲劳裂纹源萌生于表面,涂层试样的疲劳裂纹源萌生于涂层-基体界面残留的A1203夹杂物处；冲蚀试验表明：当冲蚀角度为24°时,两种涂层(DS涂层及HVOF涂层)的抗固体颗粒冲蚀性能都优于基材,并且DS涂层具有最低的质量磨损率,是基材质量损失的1/19.60,有望在汽轮机高压第一级喷嘴及中压第一级动叶片部件上应用。同时,使用单位要注意,对于承受较大交变载荷的动叶片而言,在DS涂层制备过程中要提高涂层-基体界面的清洁度,减小疲劳裂纹在此处的萌生与扩展。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-13
第1章绪论  13-34
  1.1 引言  13-14
  1.2 Cr_3C_2-NiCr涂层简介及国内外研究现状  14-21
    1.2.1 Cr_3C_2-NiCr涂层简介  14-15
    1.2.2 Cr_3C_2-NiCr涂层制备方法  15-18
    1.2.3 Cr_3C_2-NiCr涂层显微组织分析  18-19
    1.2.4 Cr_3C_2-NiCr涂层疲劳性能分析  19-21
  1.3 疲劳机理及影响因素分析  21-28
    1.3.1 疲劳机理分析  21-27
    1.3.2 影响疲劳强度的因素  27-28
  1.4 汽轮机概括  28-33
    1.4.1 汽轮机的工作原理  28
    1.4.2 汽轮机叶片材料介绍  28-29
    1.4.3 汽轮机部件固体颗粒冲蚀的原因与对策分析  29-31
    1.4.4 Cr_3C_2-NiCr涂层固体颗粒冲蚀性能研究现状  31-33
  1.5 本文的研究内容及意义  33-34
第2章试样的制备及试验方法  34-45
  2.1 喷涂粉末的选取及基材的制备  34-36
    2.1.1 喷涂粉末  34-35
    2.1.2 基材制备  35-36
  2.2 涂层制备  36-37
    2.2.1 试样的表面预处理  36
    2.2.2 涂层的制备  36-37
  2.3 涂层的显微组织及缺陷分析  37-38
    2.3.1 电镜显微组织分析  37
    2.3.2 X射线衍射分析  37
    2.3.3 孔隙率测量  37-38
  2.4 涂层的性能测试方法  38-43
    2.4.1 涂层-基体结合强度  38-39
    2.4.2 残余应力测定  39
    2.4.3 粗糙度测定  39
    2.4.4 显微硬度测量  39-40
    2.4.5 断裂韧性测量  40
    2.4.6 抗疲劳性能试验  40-43
    2.4.7 冲蚀磨损试验  43
  2.5 本章小结  43-45
第3章 Cr_3C_2-NiCr涂层显微组织及缺陷分析  45-58
  3.1 试验结果与分析  45-57
    3.1.1 喷涂粉末的SEM分析  45-46
    3.1.2 涂层的光学组织分析  46
    3.1.3 X射线衍射分析  46-48
    3.1.4 涂层的SEM分析  48-53
    3.1.5 DS涂层的TEM分析  53-57
  3.2 本章小结  57-58
第4章 Cr_3C_2-NiCr涂层常规性能测试结果与分析  58-63
  4.1 DS涂层的涂层-基体结合强度  58-59
  4.2 DS涂层残余应力分析  59-60
  4.3 DS及HVOF涂层硬度分析  60
  4.4 DS及HVOF涂层断裂韧性分析  60-61
  4.5 本章小结  61-63
第5章 DS涂层抗疲劳性能分析  63-74
  5.1 S-N曲线结果与分析  63-67
  5.2 疲劳断口失效分析  67-72
    5.2.1 基材疲劳断口分析  67-68
    5.2.2 涂层疲劳断口分析  68-71
    5.2.3 应力水平对疲劳寿命影响  71
    5.2.4 涂层显微组织及缺陷对疲劳性能影响  71-72
  5.3 本章小结  72-74
第6章 DS及HVOF涂层抗固体颗粒冲蚀性能  74-78
  6.1 冲蚀试验数据分析  74-75
  6.2 冲蚀磨损后SEM分析  75-76
  6.3 影响抗冲蚀性能的因素  76-77
  6.4 本章小结  77-78
第7章讨论  78-81
  7.1 Cr_3C_2-NiCr涂层适用于汽轮机喷嘴及动叶片的可行性  78-80
  7.2 本章小结  80-81
结论  81-83
参考文献  83-91
攻读硕士学位期间发表的论文  91-92
致谢  92-93
附录1  93-98
附录2  98-99

耐固体颗粒冲蚀Cr_3C_2-NiCr涂层的工艺选择及性能研究

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