呂振家, 彭建強(qiáng), 韓志雙
(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司, 黑龍江 哈爾濱, 150046)
受高速氣流沖刷、 震動(dòng)、 沖擊、 磨損等作用,汽輪機(jī)閥桿、 襯套、 閥座、 閥碟等閥芯部件容易受到損壞, 影響機(jī)組正常運(yùn)行并危及安全。 隨著汽輪機(jī)參數(shù)不斷提高, 閥芯部件的工況條件越來(lái)越惡劣。 目前, 已投入商業(yè)運(yùn)行的超超臨界汽輪機(jī)機(jī)組的最高進(jìn)汽溫度已經(jīng)達(dá)到620 ℃, 630~650℃等級(jí)及700 ℃等級(jí)超超臨界機(jī)組正在研發(fā)。 因此, 在汽輪機(jī)閥芯部件設(shè)計(jì)時(shí), 要采用必要的工藝對(duì)部件表面進(jìn)行強(qiáng)化, 增加其耐沖刷、 抗震、耐沖擊和磨損能力, 提高部件的使用壽命, 保證機(jī)組安全運(yùn)行。 目前, 最常用的閥芯部件表面強(qiáng)化工藝包括熱噴涂硬質(zhì)合金、 滲氮、 噴焊或堆焊司太立合金等。
本文綜合比較熱噴涂硬質(zhì)合金、 滲氮、 噴焊或堆焊司太立合金等幾種表面強(qiáng)化工藝的優(yōu)缺點(diǎn),并結(jié)合不同部件和工況條件, 給出具體工藝的應(yīng)用建議。
熱噴涂技術(shù)是一種利用熱源把噴涂材料加熱至熔化或半融化狀態(tài), 并以一定速度噴射沉積到經(jīng)預(yù)處理的基體表面形成涂層的工藝方法。 因此,涂層具有層狀結(jié)構(gòu)。 常用的熱噴涂工藝有等離子噴涂、 超音速火焰噴涂(High Velocity Oxy-Fuel,簡(jiǎn)稱HVOF)、 爆炸噴涂等。 其中, 超音速火焰噴涂技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種噴涂工藝, 其突出特點(diǎn)是火焰速度高, 可達(dá)1 500 m/s, 與等離子噴涂比較, HVOF 的溫度低, 約為3 000 ℃, 粉末采用軸向送入火焰方式, 有效防止噴涂過(guò)程中粒子的氧化, 非常適用于噴涂金屬陶瓷涂層, 而且涂層的結(jié)合強(qiáng)、 致密性、 耐磨性能都非常好[1~2]。
Cr3C2-NiCr 陶瓷涂層可以應(yīng)用于較高溫度(530~900 ℃)的磨粒磨損和沖蝕工況[3]。 因此, 對(duì)于高參數(shù)超超臨界汽輪機(jī)閥芯部件普遍采用超音速火焰噴涂Cr3C2-NiCr 陶瓷涂層進(jìn)行強(qiáng)化。 目前, 國(guó)內(nèi)外600 ℃等級(jí)及以上的超超臨界汽輪機(jī)主汽閥和調(diào)節(jié)閥閥桿等閥芯部件普遍采用超音速火焰噴涂Cr3C2-NiCr 涂層,且使用情況良好。
在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中, 超音速火焰噴涂涂層經(jīng)常出現(xiàn)剝皮、 凸起、 開(kāi)裂、 崩裂和表面開(kāi)口孔洞等缺陷, 嚴(yán)重影響產(chǎn)品正常使用。
通常, 制造工藝流程為:
(1)首先對(duì)試樣進(jìn)行噴涂,進(jìn)行工藝驗(yàn)證, 即制備試樣—試樣清洗、 測(cè)量—試樣噴砂—試樣檢驗(yàn)—試樣噴涂—試樣檢驗(yàn);
(2)然后對(duì)零件進(jìn)行噴涂, 即零件噴前檢查—零件清洗—噴砂保護(hù)—零件噴砂—檢驗(yàn)—零件噴涂保護(hù)—零件噴涂—檢驗(yàn)—機(jī)加工—涂層厚度測(cè)量。
其中, 對(duì)試樣的噴涂, 是工藝驗(yàn)證試驗(yàn), 驗(yàn)證試驗(yàn)為周期性控制, 包括金相、 彎曲、 結(jié)合強(qiáng)度及Almen N 型殘余應(yīng)力4 項(xiàng)。
殘余應(yīng)力是導(dǎo)致熱噴涂涂層開(kāi)裂、 剝離和脫落的主要原因之一。 熱噴涂涂層殘余應(yīng)力的主要影 響 因 素[4]: (1) 涂 層 材 料; (2) 噴 涂 工 藝;(3) 涂層厚度。
Almen N 型殘余應(yīng)力測(cè)試方法具有很好的重復(fù)性和可靠性, 可有效檢測(cè)超音速火焰噴涂殘余應(yīng)力的大小。
目前, 廣泛應(yīng)用于閥芯部件氮化工藝有氣體氮化和離子氮化。
2.1.1 氣體滲氮原理
將氨氣通入加熱到滲氮溫度的密封滲氮罐中,使其分解出活性氮原子, 并被鋼件表面吸收、 擴(kuò)散形成一定深度的滲氮層。 氨氣(NH3) 在450 ℃以上溫度與鐵接觸后分解: 2NH3→3H2+2 [N] α-Fe 吸收活性氮原子, 先形成氮在α-Fe 中的固溶體, 當(dāng)?shù)砍^(guò)α-Fe 的溶解度后, 便形成氮化物Fe4N 和Fe2N。 這些氮化物沿與金屬表面垂直和平行方向長(zhǎng)大; 氮原子從氮化物層向金屬內(nèi)部擴(kuò)散, 金屬表面依次形成γ'相和ε 相; 滲氮層逐漸變厚[5]。
2.1.2 離子滲氮原理
目前, 對(duì)于離子滲氮的原理, 主要有濺射與沉積理論、 分子離子理論、 中性氮原子模型、 碰撞離解產(chǎn)生活性氮原子模型等理論, 其中, 被廣為接受的是濺射與沉積理論[6]。
離子滲氮是在低真空的含氮?dú)夥罩? 以爐體為陽(yáng)極, 被處理工件為陰極, 在陰陽(yáng)極間加上數(shù)百伏的直流電壓, 使之產(chǎn)生的輝光放電進(jìn)行滲氮處理的化學(xué)熱處理工藝。
2 種滲氮工藝比較如表1 所示。
表1 2 種工藝比較
從表1 可以看出, 2 種氮化工藝各有優(yōu)缺點(diǎn),其中氣體氮化最大的優(yōu)點(diǎn)是不受零件尺寸、 形狀限制, 且防滲氮工藝簡(jiǎn)單; 而離子滲氮最大的優(yōu)點(diǎn)是溫度低、 周期短。 然而2 種氮化工藝的最高溫度均在620 ℃左右, 對(duì)于工作溫度超過(guò)600 ℃的超超臨界汽輪機(jī)閥芯部件采用氮化工藝進(jìn)行表面強(qiáng)化是否合適值得商榷。
等離子噴焊是1 種利用等離子作為高溫?zé)嵩?采用粉末狀合金作為填充金屬的1 種熔焊工藝,優(yōu)點(diǎn)有[7]:(1)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化; (2)生產(chǎn)效率高;(3)勞動(dòng)強(qiáng)度低; (4)焊縫稀釋率低。
對(duì)于要求表面強(qiáng)化的閥芯部件, 按結(jié)構(gòu)型式可分為3 類:
(1)外圓面: 如閥桿, 堆焊量大, 容易觀察;
(2)內(nèi)孔面: 如套筒、 襯套等零件, 內(nèi)孔噴焊不易觀察, 噴焊槍尺寸受到限制, 熱輸入功率不大, 散熱不好;
(3)斜坡面:如閥碟、閥座類零件堆焊量不大,但堆焊區(qū)厚度大, 工件剛性大, 裂紋傾向嚴(yán)重。
等離子噴焊強(qiáng)化主要難點(diǎn):
(1)設(shè)備要求高。 目前, 國(guó)內(nèi)外均無(wú)專用的等離子噴焊設(shè)備, 需要研制; 其中噴焊槍是關(guān)鍵,不同產(chǎn)品采用適宜的等離子噴焊槍焊接才能保證產(chǎn)品質(zhì)量。
(2)工藝參數(shù)影響因素多。 如轉(zhuǎn)弧電流、 電壓、 擺速、 送粉量、 離子氣流量、 送粉氣流量等。
(3)材料焊接難度大。 閥芯部件材料主要有兩類, 一類是CrMo 類耐熱鋼, 一類是馬氏體耐熱鋼, 兩類鋼焊接裂紋敏感性強(qiáng), 而焊接材料司太立合金塑韌性很差, 在焊接應(yīng)力的作用下, 極易開(kāi)裂。
堆焊司太立合金可采用氧-乙炔火焰焊、 鎢極氬弧焊、 焊條電弧焊和等離子弧焊等多種方法。然而, 焊條電弧焊和氧-乙炔火焰焊存在生產(chǎn)效率低、 勞動(dòng)環(huán)境差、 對(duì)焊工技術(shù)水平要求苛刻等缺點(diǎn), 等離子弧焊存在工藝設(shè)備復(fù)雜、 生產(chǎn)成本高等缺陷。 相比較而言, 鎢極氬弧焊的成本相對(duì)較低, 勞動(dòng)環(huán)境好, 焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良, 是目前應(yīng)用最廣泛的堆焊司太立工藝。
文獻(xiàn)[8] 成功采用鎢極氬弧焊工藝對(duì)閥芯部件用馬氏體耐熱鋼1Cr11MoNiW1VNbN 堆焊了司太立合金。 由于兩者的成分和性能差異很大, 直接堆焊的工藝復(fù)雜, 且容易產(chǎn)生開(kāi)裂問(wèn)題, 因此選用ERNiCrMo-3 焊材為過(guò)渡層焊材, 原因如下:
(1)鎳基材料焊接性好, 抗冷裂紋能力強(qiáng), 可不預(yù)熱或低溫預(yù)熱焊接, 減少司太立合金出現(xiàn)裂紋的概率, 同時(shí)降低工藝難度;
(2)鎳基材料具有優(yōu)異的塑韌性,變形能力好,可緩沖機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中對(duì)合金層的沖擊;
(3)與ENiCrFe-3 相比, ERNiCrMo-3 的使用溫度高, 高溫性能好, 接近1Cr11MoNiW1VNbN鋼和司太立合金的強(qiáng)度。
綜上所述, 各類閥芯部件強(qiáng)化工藝各有優(yōu)缺點(diǎn), 針對(duì)部件具體用途和要求, 對(duì)于不同表面強(qiáng)化工藝應(yīng)用, 給出如下建議:
(1)工作溫度在600 ℃以上的閥桿應(yīng)采用高速火焰噴涂工藝金相表面強(qiáng)化, 并嚴(yán)格加強(qiáng)過(guò)程控制, 保證涂層質(zhì)量;
(2)對(duì)于工作溫度在600 ℃以下的閥桿, 應(yīng)首先選用離子氮化工藝, 但應(yīng)研究最佳滲層組織和防滲工藝, 既能保證滲層質(zhì)量, 又不增加成本和難度;
(3)對(duì)于閥座、 閥碟、 襯套等部件可以采用等離子噴焊或氬弧焊堆焊司太立合金等工藝。