摘要：介绍了两种防止汽轮机末级叶片水蚀的喷涂工艺；对两种喷涂工艺制备的涂层进行金相组织、性能分析比较；通过水蚀实验比较两种喷涂工艺的应用性能。为以后国内 HVOF 技术替代国外 DS 技术，实现汽轮机叶片喷涂涂层国产化提供理论依据。
关键词：汽轮机；末级叶片；水蚀；爆炸喷涂（DS）；超音速火焰喷涂（HVOF）；
1 前言
1.1 研究背景及意义
汽轮机低压部分叶片工作在含有水滴的湿蒸汽中，在水滴的作用下叶片将产生水蚀，特别是低压末级叶片，工作条件相当苛刻，在湿蒸汽腐蚀介质环境下，承受离心力、蒸汽作用力、激振力、及湿蒸汽所携带的水滴冲刷的共同作用，极易遭到水蚀。实际运行发现，末级叶片的进汽边顶部和出汽边根部经常发生水蚀，不仅使汽轮机做功能力和效率下降，改变叶片的震动特性，严重者使叶片进出汽边缘呈现锯齿状，形成很多细小的裂纹，直至叶片断裂，造成重大安全事故及经济损失[1]。
目前，防止叶片水蚀的最常用的方法是钎焊司太立合金。此方法需要严格的钎焊工艺和质量检验，且费用昂贵；当运行工况恶劣时，破坏仍然严重，并不能很好地防止水蚀的发生。
近几年，随着爆炸喷涂（DS）、超音速火焰喷涂（HVOF）等新的火焰喷涂技术的飞速发展和新型耐水蚀材料的不断研制，使得热喷涂技术在增强汽轮机末级叶片抗水蚀性能的应用前景更为广阔。这两种喷涂方式制备的涂层具有低孔隙率、高结合强度和优异的耐磨耐蚀性能，较传统工艺能更好的防止叶片水蚀。
由于在国内爆炸喷涂（DS）发展受到限制，而超音速火焰喷涂（HVOF）更为成熟，因此本研究组织实验，对这两种喷涂工艺制备的涂层进行了性能比较，讨论了 HVOF 替代 DS 在汽轮机末级叶片上喷涂防水蚀功能涂层，实现汽轮机叶片喷涂涂层国产化的可能性。
1.2 爆炸喷涂（DS）和 HVOF 发展现状
1.2.1 爆炸喷涂（DS）的发展现状
爆炸喷涂利用可燃气体爆炸产生的爆轰波对喷涂粒子加热加速并沉积在基体表面形成涂层。与其他技术相比，爆炸喷涂涂层的结合强度和硬度高，耐磨性好，孔隙率低，是公认的当前热喷涂领域内最高的技术[2]。由于该技术的危险性高于其他热喷涂方法，设备及工艺研发难度大，目前仅美国和前苏联开发出商品化的爆炸喷涂装置[3]。
美国联合碳化物公司研发的爆炸喷涂设备(detonation gun，简称 D-gun)获得的涂层性能非常优良，但该公司不发表相关论文，也不出售技术和设备，只在公司内为用户提供涂层制备服务。联合碳化物公司解体后，继承该技术的 Praxair 公司仍然实施严格的保密措施[3]。
目前我国高端制品的耐磨涂层主要采用乌克兰生产的“第聂泊”型系统制备，而对于性能要求极高的耐磨涂层，尤其是应用于航空器制造及维修领域的金属陶瓷涂层，仍需将部件送到美国 Praxair公司加工，高昂的加工费用和漫长的加工周期严重制约了我国装备制造及维修工业的发展。
1.2.2 HVOF 的发展现状
超音速火焰喷涂是 1982 年 Browning Engineering Co.发明的一种热喷涂技术，该技术采用火箭发动机的原理，即利用在燃烧室或特殊喷嘴中燃烧产生高温高压燃气，将粉末送进火焰中产生熔化或半熔化的粒子，高速撞击在基体表面上沉积形成涂层[4]。
超音速火焰喷涂系统至今已经开发了三代，第一、二代设备功率偏小，燃烧室压力和喷涂粒子的飞行速度偏低，涂层整体性能不够理想；第三代超音速火焰喷涂系统 JP5000/8000 采用航空煤油作为燃料，可以获得更高的燃烧室压力，并将传统的轴向送粉改为径向送粉，制备的涂层性能优良，质量稳定，喷涂工艺宽泛，很快进入要求十分苛刻的航空器制造及维修领域[5]。
我国在超音速火焰喷涂领域进行了大量的研究工作，已取得一系列研究成果，沈阳工业大学、哈尔滨焊接研究所、装甲兵工程学院等单位已研制出性能与 JP5000/8000 相当的超音速火焰喷涂设备。
2 实验材料及方法
涂层试样的基体材料为 300MW、600MW 汽轮机 末 级 动 叶 片 常 用 的 材 料 ：0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4PH）。实验所用粉末为 Cr3C2-NiCr 复合粉末，用该粉末喷涂的涂层具有高硬度及稳定性，抗氧化、耐腐蚀、耐水蚀、耐磨损等性能已被大家所接受。粉末中的两个组元分别为镍铬合金相和碳化铬陶瓷相。碳化铬相可增加涂层的硬度，其在高温下能生成致密的氧化铬保护膜，故具有优异的抗高温氧化性能，极好的耐蚀性，高温硬度高，有优异的高温抗磨损性能。镍铬合金相则起粘结碳化铬相的作用[6]。其规格为化学成分：80Cr3C2-20(80Ni20Cr)；提供商：TAFA 1375VM，Praxair；碳化物尺寸5~10μm。
采用美国 PST 公司制造的 JP8000 型超音速火焰喷涂系统和俄罗斯STPC公司制造 的CCDS-2000 型爆炸喷涂系统制备涂层，为了减少涂层孔隙和氧化物，提高结合强度和涂层质量，喷涂角度应尽量接近 90（°）。在上述工艺过程控制的基础上，先根据设备情况和涂层指标要求大致确定喷涂过程的送粉速率，然后再通过涂层的喷涂工艺试验确定燃料流量，以保证粉末颗粒的镍铬合金组元在喷涂焰流中刚好被熔融，且其飞行速率达到最大值。选择的喷涂距离则应保证粉末颗粒在达到喷涂表面时处于最佳的熔融和动能状态。
HVOF 喷涂工艺参数如下：
设备型号：JP-8000；燃料：煤油；助燃气体：氧气；送粉气体：氮气；煤油流量：6.0gph（22.73 L/h）；氧气量：1850SCFH。
爆炸喷涂工艺参数如下：
设备型号：CCDS-2000；助燃气体氧气:50L/min；送粉氮气：20 L/min；燃料乙炔: 50 L/min；送粉量:60~80 g/min；爆炸频率: 10 次 /s。
3 实验结果与讨论
喷涂完成后按试样性质对试样进行分组，如表1、表 2 所示，其中 1、2 为 50mm×25mm×5mm 块状试样，用来进行涂层金相检测实验；A1，A2，A3，B1，B2，B3 为圆柱状对偶试样，端面直径为 25mm，用来做拉伸实验；C，D，E 为 50mm×50mm×5mm块状试样，用于水蚀实验。
3.1 涂层组织
本试验将涂层置于蔡司 AXIOVERT 200 MAT研究级倒置万能材料显微镜下进行观察，观察倍数200X，通过显示器可以清晰的看见涂层金相结构，测 出 DS 涂 层 厚 200 ～220μm，HVOF 涂 层 厚180～200μm。两种涂层均以层状结构分布，金相图片如图 1 所示。
从图中可以清晰的看见涂层与基体的结合情况，初步判断涂层的结合强度和致密程度，涂层中黑点是孔隙。可以看出，涂层内没有裂纹，组织均匀，各相均匀分布，氧化物弥散分布。
将试样置于金相显微镜下，利用分析软件测试孔隙率，分别对随机选取的 5 个视场求其平均值。通过对两种涂层的孔隙率测量证实，DS 涂层的平均孔隙率为 1.027%，HVOF 涂层的平均孔隙率为0.953%。
3.2 涂层性能
涂层主要性能包括拉伸结合强度和显微硬度。两组喷涂涂层试样的拉伸结合强度测量结果见表 3。涂层拉伸结合强度采用静力拉伸试验方法进行测量，试验参考 GB8642-2002T，试验机型号AC-IS，拉伸速度 1mm/min，对偶试样粘结采用 E-7环氧树脂胶。
拉伸试验结束后，发现试样断裂都发生在涂有E-7 胶面，并非涂层内部或是涂层 - 基体结合界面处，说明片层间的内粘结力及涂层 - 基体界面结合强度都较高。另外，测试数据表明两种涂层的涂层- 基体的结合强度都大于 70MPa，这与光学显微镜下观察到的涂层 - 基体界面无污染、没有大的孔洞或裂纹相吻合。
涂层的硬度采用维氏压痕法测定，测量结果见表 4。可见两种喷涂工艺喷涂的涂层维氏硬度测量结果比较接近，另外不同位置的硬度测量值变化不大，这说明两种喷涂工艺稳定，涂层组织比较均匀，与图 2 的涂层显微组织观察结果一致。
本试验选用 MH-6 型维氏硬度仪进行测量，依据 HB5486-91，施加载荷 300g，保持时间 10s。测量时，沿涂层中心处从左到右依次取点，每个试样测五个点，求出平均值作为该涂层的硬度值。
3.3 水蚀实验
实验采用高压脉冲水射流旋转冲击水蚀实验装置，通过高速的射流和旋转试件之间的碰撞来模拟汽轮机中水滴对叶片的水蚀。本实验设计了可自由调节位置的旋转装夹装置，由电机拖动，可把不同的实验试样固定在旋转装置上，同时进行实验，避免了人为的实验误差。实验中水冲蚀压力为75MPa，水蚀时间为 60 分钟，在完全相同的实验条件下，把 C、D、E 试样固定在旋转装置上进行水蚀实验，测量各个时间间隔内试样的水蚀深度和 60 分钟后试样的水蚀失重量，绘制水蚀深度 - 时间曲线来反映不同试样的耐水蚀性能。材料水蚀失重采用精度为 0.1mg 的精密分析测量天平称重，破坏深度采用高精度测厚仪测试，实验结果见表 5 及图 2。
从表 5 及图 2 可以发现对于同种喷涂材料，这两种喷涂工艺喷涂的涂层抗水蚀性能均优于基材，且超音速火焰喷涂略优于爆炸喷涂。
4 结论
（1）DS涂层和HVOF涂层的性能方面，二者的孔隙率数值接近；DS涂层和HVOF涂层与基体的结合强度均大于70MPa；DS涂层硬度略高于HVOF涂层。
（2）从水蚀实验可以判定，涂层的抗水蚀破坏效果要明显好于基材；在进一步的水蚀对比实验中，喷涂同种材料 Cr3C2-NiCr，HVOF 喷涂涂层抗水蚀性能略优于 DS 喷涂涂层。
（3） 本次实验为以后 HVOF 替代 DS 在汽轮机末级叶片上喷涂防水蚀功能涂层，实现汽轮机叶片喷涂涂层国产化提供了依据。
参考文献略
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