專利名稱：用于涂覆受流體腐蝕的元件的鈷基合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于涂覆受流體腐蝕的元件的鈷基合金。
本發(fā)明特別涉及一種適用于涂覆受流體腐蝕的元件如汽輪機(jī)葉片的粉末狀鈷基合金和相關(guān)的涂覆方法以提高其耐液滴沖擊引起的腐蝕性。
已知在汽輪機(jī)中為了在簡(jiǎn)單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)中獲得最高的輸出功率，凝結(jié)壓(condensation pressure)值必須盡可能地低。
在這些操作條件下，該低壓轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)受不同的化學(xué)和物理應(yīng)力，因此經(jīng)受由蒸汽流中存在的大量水滴和葉片的高峰值速率共同引起的腐蝕過程。
這種由于在長(zhǎng)期運(yùn)行條件下液體的反復(fù)沖擊而出現(xiàn)的汽輪機(jī)組件的腐蝕現(xiàn)象，已經(jīng)成為研究課題并且被記載在Wear，M.Lesser 1995年，28-34頁(yè)中。
為了避免由這些腐蝕現(xiàn)象引起的缺陷，從設(shè)計(jì)的角度考慮，通過增加定子和轉(zhuǎn)子之間的軸向間距或者通過由設(shè)置在定子葉片上的孔或氣縫從葉片排之間抽取濕氣以嘗試解決該問題。
由于引起汽輪機(jī)性能的降低，所以這些補(bǔ)救措施證明并不特別適于解決該問題。
通過研究可降低由沖擊流體分離引起的金屬腐蝕速度的新型涂層材料來試圖延長(zhǎng)汽輪機(jī)葉片的平均工作壽命(F.J.Heymann，ASM手冊(cè)，第18卷，221頁(yè))。
到目前為止，通過對(duì)葉片的金屬表面采取特殊的處理，如感應(yīng)或局部火焰淬火，通過鎢鉻鈷合金板釬焊或通過工具鋼或通過焊接施加的硬質(zhì)涂層來實(shí)現(xiàn)這個(gè)領(lǐng)域中的改進(jìn)。
為了評(píng)價(jià)耐腐蝕性，根據(jù)在文獻(xiàn)諸如出版物“低壓汽輪機(jī)葉片的耐腐蝕涂覆，Euromat`99”中已經(jīng)描述過的內(nèi)容，現(xiàn)有技術(shù)的涂覆材料大致細(xì)分為兩類碳化物和其中包括鎢鉻鈷合金6的金屬材料。
選擇離子滲氮以及使用氮化鈦和氮化鉻或氮化鋯的PVD涂覆技術(shù)，來進(jìn)行表面處理。
經(jīng)過離子滲氮處理的葉片，然后連續(xù)涂覆2層PVD涂層，一層是氮化鈦層，其后的一層為氮化鋯或氮化鉻涂層。
所有PVD涂層具有大約3-4μm的厚度。其涂層試驗(yàn)顯示出樣品的涂層不連續(xù)性并且認(rèn)為其表現(xiàn)不令人滿意。
SEM試驗(yàn)揭示出該P(yáng)VD涂層對(duì)抗沖擊腐蝕的能力不足，而由于結(jié)構(gòu)中存在的微裂痕和氮化物箔(foil nitrides)導(dǎo)致該氮化物層受到損害。
然后用HVOF(Triballoy 800)測(cè)試了得到的具有金屬涂層的葉片。
作為對(duì)抗流體腐蝕的涂覆材料，Triballoy 800合金的表現(xiàn)證明不夠。
根據(jù)所實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)中獲得的跡象，事實(shí)上，可以為這些金屬合金涂層在限制侵蝕現(xiàn)象方面，甚至與未涂覆的基材表面一樣無(wú)效。
Triballoy 800合金部分的表現(xiàn)通過剝離試驗(yàn)(測(cè)試的所有這些涂層都未通過這個(gè)試驗(yàn))的結(jié)果以及通過揭示出涂層中存在大量微裂痕的SEM顯微觀測(cè)而證實(shí)。實(shí)際上，這些涂層的微觀結(jié)構(gòu)具有高的氧含量和明顯的孔隙，這使其不適用于抵抗流體腐蝕。
然后對(duì)用HVOF測(cè)試得到的具有金屬涂層(鎢鉻鈷合金6)的葉片。
雖然鎢鉻鈷合金以作為適于涂覆的材料著稱，但通過HVOF涂覆時(shí)，它們表現(xiàn)出所有的局限性。實(shí)際上，顯微分析表明，在氧化物薄膜中也包覆了少量顆粒。
通過SEM揭示的表面形貌也可以證實(shí)這個(gè)事實(shí)，其顯示材料特別容易沿著這些顆粒脫離或者剝落。
然后測(cè)試了用HVOF和SD-Gun TM碳化物涂層處理的葉片。
用這些類型的涂層獲得的結(jié)果在某些情況下比得上或者更優(yōu)于用淬火基材(WC-10Co-4CrSD-Gun TM和88WC-12Co HVOF)獲得的結(jié)果。
可以通過涂層的粘性降低和已知的固有脆性(由于存在碳化鉻)來解釋性能被證實(shí)不能令人滿意的情況。
反之亦然，依據(jù)所用的涂覆方法，提供較好結(jié)果的已知技術(shù)涂層由碳化鎢與鈷或鉻-鈷基質(zhì)構(gòu)成。
具有良好耐腐蝕性的涂層的特征在于，材料僅在樣品一小部分上脫離，而這個(gè)現(xiàn)象在抵抗性能不令人滿意的材料上將擴(kuò)散到大得多的表面上。
可以通過考慮表面形貌來解釋這種不同的表現(xiàn)。
當(dāng)表面涂層在材料損失后開始失去其構(gòu)造時(shí)，該液/固相互作用特別復(fù)雜。這種情況下，引發(fā)腐蝕現(xiàn)象的推動(dòng)力或者沖擊壓力，很大程度上受到與落到頂點(diǎn)(斜面)上的液滴最初接觸的點(diǎn)的影響，并相對(duì)于落入時(shí)坑的液滴形成較低的局部壓力。
如果為基材，表面造成的低抵抗性導(dǎo)致該材料幾乎全部均勻地沿測(cè)試所涉及的整個(gè)區(qū)域剝離。
可以通過涂層在金屬基底上的粘附力降低和眾所周知的固有脆性(由于存在碳化鉻)來解釋已知技術(shù)中大多數(shù)涂層不能令人滿意的性能。
反之亦然，依據(jù)所用的涂覆方法，這些提供改善結(jié)果的已知技術(shù)涂層由鈷、鉻-鈷基體與碳化鎢組成。
通常，用HVOF得到的涂層性能隨著碳化鎢含量的增加而提高。實(shí)際上，88WC-12Co涂層的顯微形貌與83WC-17Co相比更均勻。另一方面，通過SD-GunTM或者HVOF方式涂覆的相同材料(WC10Co-4Cr)的性能差異非常明顯。前者的結(jié)果是令人鼓舞的，而后者的結(jié)果是不能令人滿意的。
這證實(shí)目前，噴涂方法對(duì)獲得涂層的某些性能具有特別的重要性。
然而，到目前為止，已知技術(shù)為提高硬度而進(jìn)行的熱處理由于過度的脆性導(dǎo)致在耐腐蝕性方面的提高降低。
已證實(shí)，在以熱噴涂方式形成涂層的情況下，評(píng)價(jià)耐液體腐蝕性的一個(gè)重要參數(shù)為耐粘性。低的值直接表明該涂層不合適。耐腐蝕性的另外要求是涂層微觀結(jié)構(gòu)的質(zhì)量?jī)?yōu)良。
因此，這時(shí)感到有必要具有新類型的涂層或新的易受侵蝕元件如汽輪機(jī)組件的處理方式，它們可以有效降低由液體沖擊而剝落導(dǎo)致的金屬腐蝕速率。
因此，本發(fā)明的一個(gè)總的目的在于提供一種用于涂覆汽輪機(jī)組件的合金，該合金對(duì)由液體沖擊引起的金屬腐蝕現(xiàn)象有高的抗性。
本發(fā)明的另一個(gè)的目的在于提供一種處理受腐蝕的金屬元件特別是汽輪機(jī)葉片的表面的方法，該方法有效增加所涂覆涂層的抗粘性。
最后的但不是最不重要的目的在于提供一種合金和用于涂覆汽輪機(jī)葉片的方法，該合金易于制造并且生產(chǎn)成本不高。
現(xiàn)在，已令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，可以通過在所述組件的金屬表面上涂覆組成上富含鎢并進(jìn)行了適當(dāng)選擇的鈷基合金而獲得一種用于經(jīng)受腐蝕的汽輪機(jī)組件的涂層。
根據(jù)本發(fā)明的合金為鎢鉻鈷或者Haynes類合金，這類合金指的是這樣的材料，該材料屬于基于鈷、鉻和鎢的，耐蝕耐磨的非鐵硬質(zhì)合金。
特別地，本申請(qǐng)人現(xiàn)已確認(rèn)一種特別適用于汽輪機(jī)組件涂層的合金組成，包括鉻 28-32重量％鎢 6-8重量％硅 0.1-2重量％碳 1.2-1.7重量％鎳 3-6重量％鉬 1-3重量％鈷 補(bǔ)足到100％根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，本發(fā)明的合金還可以包括鐵0-1重量％，錳0-1重量％和數(shù)量為0-0.5重量％的其它元素。
本發(fā)明的合金具有最優(yōu)化選擇的化學(xué)組成以強(qiáng)化當(dāng)諸如汽輪機(jī)組件受到腐蝕時(shí)抗液體腐蝕的特性。已證實(shí)以粉末形狀應(yīng)用的本發(fā)明的合金組合物是有利的，這可以在汽輪機(jī)組件上形成一層涂覆層，該層具有高的耐由液體顆粒沖擊引起的機(jī)械應(yīng)力。
特別是，通過具體的測(cè)試已觀測(cè)到，已知技術(shù)中使用的其它材料的抵抗值，使用本發(fā)明的合金可以制備這樣的涂層，其抗液體沖擊腐蝕性提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)(例如，相對(duì)于常規(guī)硬化材料的180,000次沖擊，其為2,100,000次沖擊)。
還已觀測(cè)到，相對(duì)于使用已知類型的鎢鉻鈷合金組合物，向汽輪機(jī)葉片表面涂覆本發(fā)明合金導(dǎo)致未預(yù)料到的較高耐腐蝕性。
本發(fā)明的合金具有選定量的不同元素，其決定當(dāng)涂覆到汽輪機(jī)組件表面時(shí)合金的耐液體腐蝕性能。
特別是，最優(yōu)化并平衡組成中的碳含量以形成具有合適化學(xué)計(jì)量比的碳化物，選擇鉻含量和高的鎢和鉬含量以獲得大大強(qiáng)化的固溶體并獲得具有合適化學(xué)計(jì)量比的碳化物的最大沉淀值。而且，本發(fā)明的合金組分具有高的鎳含量，優(yōu)選為3.5-5.5％，以提高該合金的延展性和該涂覆層的耐性。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種受腐蝕元件特別是汽輪機(jī)組件的處理方法，包括將前述鈷基合金涂覆到所述元件或者汽輪機(jī)組件的表面以形成一層抗腐蝕涂覆層。
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，該涂層涂覆到諸如葉片、轉(zhuǎn)子、定子、汽輪機(jī)板這樣的受腐蝕元件上是通過激光鍍的方式實(shí)現(xiàn)的，有利的是使用CO2激光器或者釔鋁石榴石激光器。
實(shí)際上，本發(fā)明的合金適用于激光鍍，其包括位于受腐蝕的金屬元件表面上的一個(gè)或者多個(gè)通道以形成一層或者多層涂覆層。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，要經(jīng)受本發(fā)明抗腐蝕處理的金屬材料可以被預(yù)熱，然后通過激光熔覆鍍覆。
從附圖中可以看出根據(jù)本發(fā)明的方法處理的汽輪機(jī)組件和未鍍或者用已知技術(shù)產(chǎn)品鍍覆的金屬組件之間的性能差異明顯，其中該圖說明的曲線圖是關(guān)于4個(gè)金屬樣品的對(duì)比液體腐蝕試驗(yàn)。
特別是，該


的曲線圖以沖擊數(shù)為橫坐標(biāo)，以受液滴沖擊后的體積損失為縱坐標(biāo)。
該圖總結(jié)了由一個(gè)0.13mm噴嘴噴射的液滴對(duì)四個(gè)測(cè)試樣品進(jìn)行腐蝕的結(jié)果，這四個(gè)測(cè)試樣品由馬氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼但經(jīng)等溫淬火(MT)處理、整體的鎢鉻鈷合金和根據(jù)實(shí)施例1，涂有通過激光鍍本發(fā)明的合金而制備的涂層的不銹鋼組成。
該圖說明相對(duì)于已知技術(shù)的樣品，根據(jù)本發(fā)明處理的樣品的耐液滴腐蝕性提高。
一旦將根據(jù)本發(fā)明的涂覆材料涂覆到汽輪機(jī)組件的金屬表面，其就具有高的耐粘附性。
用本發(fā)明的方法制備的涂層的高抵抗性能還由其微觀結(jié)構(gòu)形貌證明。
實(shí)際上，已觀測(cè)到，通過激光技術(shù)制備的涂層的結(jié)構(gòu)非常薄，即使在汽輪機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行后也會(huì)降低由于沿碳化物鍵破裂造成的本該發(fā)生的材料脫落。
而且，根據(jù)本發(fā)明的方法涂覆的涂層合金在長(zhǎng)期而重復(fù)的應(yīng)力后，只在樣品縮小的部分上易于分離；而當(dāng)該涂層由已知技術(shù)的材料制得時(shí)，這個(gè)現(xiàn)象涉及寬得多的表面積。
因此，應(yīng)用激光工藝能夠制備對(duì)由液體沖擊引起的分離導(dǎo)致的腐蝕性具有高抵抗力的涂層，將該基材的更換降低到最小程度。使用激光工藝還可以在略低于恢復(fù)溫度的溫度下實(shí)現(xiàn)降低應(yīng)力的處理，這樣可以避免任何可能的對(duì)抗張強(qiáng)度的負(fù)面作用。
下面的實(shí)施例僅供說明本發(fā)明，決不應(yīng)認(rèn)為是對(duì)根據(jù)所附權(quán)利要求書的保護(hù)范圍的限制。
實(shí)施例1以粉末狀使用的、用于涂覆機(jī)械汽輪機(jī)組件的組合物具有以下配方
通過釔鋁石榴石激光鍍(激光涂覆)將該粉末涂覆到不銹鋼汽輪機(jī)葉片上，形成厚度為約1.2mm的層。
實(shí)施例2下面的表格說明根據(jù)本發(fā)明的粉末狀組合物的不同的配方。
權(quán)利要求
1.一種受腐蝕元件的處理方法，包括在所述元件的表面上涂覆一種鈷基合金以形成一層抗腐蝕涂覆層，其特征在于所述合金包括鉻 28-32重量％鎢 6-8重量％硅 0.1-2重量％碳 1.2-1.7重量％鎳 3-6重量％鉬 1-3重量％鈷 補(bǔ)足到100重量％
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述組合物還包括0.01-1重量％的鐵和/或0.01-1重量％的錳。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于所述元件包括汽輪機(jī)的組件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于所述組件為汽輪機(jī)葉片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任一方法，其特征在于通過激光鍍的方式實(shí)現(xiàn)涂覆。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于所述激光為CO2激光或者釔鋁石榴石激光。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中的任一方法，其特征在于涂覆的涂層厚度為0.1-5mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中的任一方法，其特征在于其還包括待處理組件的預(yù)熱階段。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中的任一方法，其特征在于其包括一系列所述合金的涂覆通道。
10.一種用于涂覆受液體腐蝕的元件的鈷基合金，其特征在于其包括鉻 28-32重量％鎢 6-8重量％硅 0.1-2重量％碳 1.2-1.7重量％鎳 3-6重量％鉬 1-3重量％鈷 補(bǔ)足到100重量％
11.根據(jù)權(quán)利要求10的合金，其特征在于其還包括0.01-1重量％的鐵和/或0.01-1重量％的錳。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或者11的合金，其特征在于其具有以下組成
13.根據(jù)權(quán)利要求10或者11的合金，其特征在于其具有以下組成
14.根據(jù)權(quán)利要求10或者11的合金，其特征在于其具有以下組成
15.根據(jù)權(quán)利要求10或者11的合金，其特征在于其具有以下組成
16.一種受液體腐蝕的元件或者最終產(chǎn)品，其特征在于其包括一層防止液體腐蝕的表面涂層，該涂層包括一層根據(jù)權(quán)利要求10-15中任一項(xiàng)的合金涂層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的元件或者最終產(chǎn)品，其特征在于其為一種汽輪機(jī)組件。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的元件或者最終產(chǎn)品，其特征在于所述組件為汽輪機(jī)的葉片。
19.根據(jù)權(quán)利要求16-18中任一元件，其特征在于所述抗腐蝕表面涂層的厚度為0.1-5mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于涂覆受流體腐蝕的元件的鈷基合金，其包括鉻28－32重量％、鎢6－8重量％、硅0.1－2重量％、碳1.2－1.7重量％、鎳3－6重量％、鉬1－3重量％、補(bǔ)足到100％的鈷。本發(fā)明還涉及一種在受流體腐蝕的元件特別是汽輪機(jī)葉片上涂覆該合金的方法以在受液體沖擊后降低金屬腐蝕速率。
文檔編號(hào)F02C7/00GK1497050SQ0316481
公開日2004年5月19日 申請(qǐng)日期2003年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月27日
發(fā)明者M·吉安諾茲, M 吉安諾茲 申請(qǐng)人:諾沃皮尼奧內(nèi)控股有限公司