唐公民，郭潔，劉建明，高維瑾，張小伍，宮偉興

(1.哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱,150046；2.北京礦冶研究總院,北京,100160)

1 前言

蒸汽輪機(jī)是當(dāng)今世界上最大的發(fā)電類型機(jī)組，蒸汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)者和電廠運(yùn)營(yíng)商面臨減少CO2排放的巨大壓力。同時(shí)不斷上漲的燃料價(jià)格和電力運(yùn)營(yíng)的可持續(xù)性要求，迫使設(shè)計(jì)者和運(yùn)營(yíng)商追求更高的效率。作為蒸汽輪機(jī)新穎的封嚴(yán)技術(shù)之一，可磨耗封嚴(yán)涂層在汽輪機(jī)高、中、低壓通流部分的應(yīng)用，可以解決汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部套 （葉片和轉(zhuǎn)子）與靜子部套之間的密封問(wèn)題[1]，從而提高機(jī)組效率。

采用普通火焰噴涂方法制備NiCrFeAl/hBN可磨耗封嚴(yán)涂層，NiCrFeAl/hBN作為可磨耗封嚴(yán)涂層材料，其中金屬相NiCrFeAl具有優(yōu)異的耐腐蝕、抗高溫氧化性能，而非金屬相六方氮化硼（hBN）在高溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，并保持較好的自潤(rùn)滑性[2]，該涂層可在815℃以下長(zhǎng)期服役，在蒸汽通流環(huán)境下保持優(yōu)異的可磨耗性和抗沖蝕性。

蒸汽輪機(jī)可磨耗封嚴(yán)涂層的可磨耗性是指轉(zhuǎn)子汽封齒的齒尖和可磨耗涂層在服役條件下 （高溫高速）相互刮擦作用后，汽封齒與可磨耗涂層之間獲得最小間隙的能力[2]?？赡ズ耐繉拥目赡ズ男圆粌H與涂層本身的性能有關(guān)，還與服役溫度、刮擦線速度、刮擦進(jìn)給速率、刮擦方式汽封齒材質(zhì)相關(guān)，本文對(duì)NiCrFeAl/hBN可磨耗封嚴(yán)涂層在上述不同條件下進(jìn)行刮擦試驗(yàn)，試驗(yàn)后通過(guò)對(duì)刮痕、汽封齒高度損失等分析，表征涂層可磨耗性，對(duì)定義可磨耗涂層的硬度區(qū)間以及汽封齒選材等提供有效的依據(jù)，具有重要意義。

2 試驗(yàn)方法

2.1 高溫高速試驗(yàn)方法

利用北京礦冶研究總院BKY-HVT300/800高溫高速可磨耗試驗(yàn)機(jī)對(duì)NiCrFeAl/hBN涂層試塊進(jìn)行刮擦試驗(yàn)[3-4]。試塊尺寸8 mm×40 mm×60 mm，涂層厚度2.0～2.2 mm，試驗(yàn)機(jī)原理簡(jiǎn)圖如圖1所示，輪盤載模擬汽封齒及配重件轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)火焰加熱涂層試塊，待轉(zhuǎn)盤達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速 （線速度），同時(shí)涂層試塊達(dá)到設(shè)定溫度后，進(jìn)給系統(tǒng)按設(shè)定的進(jìn)給速率進(jìn)行刮擦，整個(gè)刮擦過(guò)程設(shè)備自動(dòng)記錄受力情況，以及轉(zhuǎn)速、溫度和震動(dòng)關(guān)系曲線。

圖1 高溫高速可磨耗試驗(yàn)機(jī)原理簡(jiǎn)圖

2.2 試驗(yàn)方案及評(píng)價(jià)方法

本試驗(yàn)考察了模擬工況（溫度620℃、線速度210 m/s）條件下，不同涂層硬度[5]、不同刮擦進(jìn)給速率、不同刮擦方式以及不同汽封齒材質(zhì)對(duì)NiCrFeAl/hBN涂層可磨耗性的影響。刮擦試驗(yàn)后記錄汽封齒刮削前后變化值、刮痕長(zhǎng)度和總進(jìn)給深度等宏觀數(shù)據(jù)值，按式（1）計(jì)算汽封齒磨損率IDR值，汽封齒磨損率越高，涂層可磨耗性越差，若刮擦后汽封齒損失高度為0，IDR值為0，涂層可磨耗性最為理想。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同刮擦方式可磨耗性結(jié)果分析

不同刮擦方式的可磨耗性試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，涂層相同硬度范圍內(nèi)，模擬工況下進(jìn)給速率分別為5 μm/s、50 μm/s條件下，不同刮擦方式宏觀數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 不同刮擦方式可磨耗性試驗(yàn)參數(shù)

表2 不同刮擦方式可磨耗性試驗(yàn)宏觀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表2中可以看出，在進(jìn)給速率為5 μm/s時(shí)，縱磨和橫磨方式刮痕長(zhǎng)度分別為35.80 mm和41.70 mm，不同刮擦方式可磨耗性試驗(yàn)試片及汽封齒磨損宏觀形貌如圖2所示，可以看出縱磨刮痕處和汽封齒齒尖都有輕微氧化色，汽封齒高度損失為0.20 mm；而橫磨刮痕處無(wú)氧化色，汽封齒齒尖也完好無(wú)高度損失，根據(jù)式（1）計(jì)算該條件下縱磨和橫磨方式汽封齒磨損率分別為24.05%和0.00%。

圖2 不同刮擦方式可磨耗性試驗(yàn)試片及汽封齒磨損形貌 （5 μm/s）

從表2中可以看出，在進(jìn)給速率為50 μm/s時(shí)，縱磨和橫磨方式刮痕長(zhǎng)度分別為19.10 mm和25.20 mm，圖3中顯示刮痕處和汽封齒齒尖有明顯金屬氧化色，而且汽封齒齒尖有明顯卷曲現(xiàn)象，汽封齒高度損失分別是1.16 mm和0.60 mm，計(jì)算汽封齒磨損率分別為85.92%和64.45%。

圖3 不同刮擦方式可磨耗性試驗(yàn)試片及汽封齒磨損形貌 （50 μm/s）

對(duì)于同一種涂層，相同試驗(yàn)條件下，汽封齒與涂層在不同刮擦方式下，橫磨方式比縱磨方式汽封齒磨損率IDR值低，說(shuō)明橫磨條件下，涂層可磨耗性略優(yōu)于縱磨。

3.2 不同進(jìn)給速率可磨耗性結(jié)果分析

不同進(jìn)給速率的可磨耗性試驗(yàn)參數(shù)如表3所示，縱磨條件下，涂層相同硬度范圍內(nèi)，模擬工況下進(jìn)給速率分別為 5 μm/s、 50 μm/s 和 480 μm/s條件下的宏觀數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 不同進(jìn)給速率條件下可磨耗性試驗(yàn)參數(shù)

表4 不同刮擦方式可磨耗性試驗(yàn)宏觀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表4的宏觀數(shù)據(jù)顯示，其他實(shí)驗(yàn)條件相同時(shí)， 在 5 μm/s、 50 μm/s和 480 μm/s 的刮擦進(jìn)給速率下，刮痕深度分別是0.67 mm、0.22 mm和0.19 mm，汽封齒高度損失分別是0.87 mm、1.35 mm和1.86 mm，計(jì)算得出汽封齒磨損率IDR值分別為23.03%、85.82%和88.17%。進(jìn)給速率5 μm/s時(shí)，IDR值為23.03%，涂層的可磨耗性較好，進(jìn)給速率增加到50 μm/s時(shí)，IDR值為85.82%，涂層可磨耗性明顯下降，進(jìn)給速率再增加到480 μm/s時(shí)，IDR值為88.17%，涂層可磨耗性比50 μm/s時(shí)稍有下降。

圖4 不同進(jìn)給速率可磨耗性試驗(yàn)試片及汽封齒磨損形貌

圖4顯示，進(jìn)給速率為5 μm/s時(shí)，涂層對(duì)磨刮痕細(xì)而長(zhǎng)，而50 μm/s和480 μm/s的進(jìn)給速率下刮痕短而寬，且氧化色更加明顯，汽封齒磨損更加嚴(yán)重。

圖 5 5 μm/s、50 μm/s和 480 μm/s進(jìn)給速率下汽封齒受力情況

如圖5所示，分析不同進(jìn)給速率下可磨耗性試驗(yàn)過(guò)程中汽封齒受力情況，摩擦過(guò)程中切向力大于正壓力，隨著進(jìn)給速率的增大最大切向力和最大正壓力增大，進(jìn)給速率為50 μm/s，比5 μm/s條件下切向力和正壓力明顯增大，最大切向力由70.8 N增大到493.16 N，最大正壓力由43.95 N增大到267.58 N， 進(jìn)給速率為480 μm/s， 比50 μm/s條件下受力略有增大，受力變化趨勢(shì)與IDR值變化趨勢(shì)相同。

在較高的刮擦線速度下 （210 m/s），刮擦過(guò)程中產(chǎn)生大量的摩擦熱，導(dǎo)致汽封齒齒尖位置溫度急劇上升，局部溫度遠(yuǎn)超過(guò)620℃的試驗(yàn)溫度，高溫使葉片軟化，強(qiáng)度降低，發(fā)生卷曲。摩擦熱產(chǎn)生的量隨著刮擦進(jìn)給速率的增大而增大，同時(shí)轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈，汽封齒單次刮擦涂層的深度增加，故摩擦過(guò)程中刮削功增大，造成葉片磨損隨著進(jìn)給速率的增大而更加嚴(yán)重。

3.3 其他可磨耗性試驗(yàn)結(jié)果分析

相同的分析方法，對(duì)不同汽封齒材質(zhì)、不同涂層硬度的條件下進(jìn)行了刮擦試驗(yàn)，經(jīng)分析不同試驗(yàn)條件下的宏觀數(shù)據(jù)并計(jì)算IDR值，并分析刮擦過(guò)程受力情況，得到如下分析結(jié)果：

（1）在其他試驗(yàn)條件相同時(shí)，材質(zhì)為1Cr13（馬氏體不銹鋼）和06Cr19Ni10（奧氏體不銹鋼）的汽封齒與可磨耗涂層對(duì)磨刮擦，IDR值相當(dāng)，涂層可磨耗性相當(dāng)。

（2）其他試驗(yàn)條件相同時(shí)，在5 μm/s的刮擦進(jìn)給速率時(shí)，涂層硬度為HR15Y52-54的涂層IDR值為0.00，硬度為HR15Y61-62的涂層IDR值為23.03%，隨著涂層硬度升高涂層可磨耗性降低；在50 μm/s的刮擦進(jìn)給速率時(shí)，涂層硬度為HR15Y52-54的涂層IDR值為67.63%，硬度為HR15Y61-62的涂層IDR值為85.92%，IDR值均較大，涂層可磨耗性均較差。

4 結(jié)論

（1）其他試驗(yàn)條件相同時(shí)，橫磨方式比縱磨方式汽封齒磨損率IDR值低，說(shuō)明橫磨條件下，涂層可磨耗性略優(yōu)于縱磨。

（2）其他實(shí)驗(yàn)條件相同時(shí)，在較小的刮擦進(jìn)給速率時(shí) （5 μm/s），涂層的可磨耗性較好；刮擦進(jìn)給速率提高到50 μm/s時(shí)，涂層可磨耗性顯著降低，刮擦進(jìn)給速率從50 μm/s升至480 μm/s，涂層可磨耗性略有降低。

（3）在5 μm/s的刮擦進(jìn)給速率時(shí)，隨著涂層硬度升高，IDR值升高，涂層可磨耗性降低；在50 μm/s的刮擦進(jìn)給速率時(shí)，無(wú)論涂層硬度高低，IDR值均較大，可磨耗性均較差。

（4）在其他實(shí)驗(yàn)條件相同時(shí)，材質(zhì)為06Cr19 Ni10和1Cr13的汽封齒與可磨耗涂層對(duì)磨刮擦，IDR值相當(dāng)，涂層可磨耗性相當(dāng)。