水轮机叶片耐磨蚀梯度涂层制备技术研究

摘要

为了克服水轮机叶片在工作时，汽蚀、冲蚀磨损破坏导致的水轮机效率降低、出力减少、使用寿命缩短、更换和检修频繁等问题，本文采用等离子喷涂方法在45钢表面制备梯度涂层。采用扫描电镜、X射线衍射仪、X射线荧光光谱仪和能谱装置对梯度涂层的微观组织、成分及相组成进行分析，采用电子万能试验机对梯度涂层的结合强度进行测试，采用维氏硬度仪对梯度涂层的显微硬度进行测量，并利用气流喷砂式冲蚀方法对梯度涂层的抗冲蚀性能进行测试。
　　本文所设计的最佳梯度涂层结构为：基体-Ni/Al打底层-(2:1)混合粉涂层-(1:1)混合粉涂层-(1:2)混合粉涂层-Al2O3复合层，其中，2:1、1:1和1:2是指Ni/Al粉与Al2O3复合粉的质量比，混合粉采用球磨混合效果优于手动搅拌混合。Ni/Al打底层的主要组成相为Ni3Al，还有少量的Al2O3和Ni-O的化合物；Al2O3复合层是由许多扁平状组织叠加堆积而成，涂层的主要组成相为Al2O3和TiO2，还有少量的Ti3O5；过渡涂层的主要组成相为Ni3Al，Al2O3，TiO2和Al2TiO5。手动搅拌混合粉末制成过渡层，组织及成分分布都很不均匀，分层现象非常明显，而采用球磨混合时，成分分布比较均匀，涂层中各个相呈相间交错分布，梯度涂层的组织表现出微观连续性的分布特征，涂层在整体上实现了平稳过渡。涂层内部孔隙比较细小，各个涂层之间均结合良好，形成类似“机械咬合”的连接。
　　梯度涂层的性能测试结果表明：在Ni/Al打底层与Al2O3复合层中间制备三层过渡涂层(采用球磨混合粉末)时，获得梯度涂层的结合强度最高，达到36.80MPa，显著高于不含过渡涂层试样的结合强度(21.67MPa)；对梯度涂层试样进行显微硬度测试得出，Ni/Al打底层的显微硬度最低，随着梯度涂层中Al2O3复合粉加入量的增加，显微硬度逐渐升高，Al2O3复合层的硬度值最高，涂层显微硬度呈现梯度变化。梯度涂层的抗冲蚀性能明显优于45钢基体。当冲蚀角度为90°时，梯度涂层的冲蚀磨损率达到最大，表现出脆性材料的冲蚀特性，失重主要由微切削和磨削造成，大角度冲蚀时，表面还有冲击坑和片状碎屑；当冲蚀角度为30°时，45钢基体的冲蚀磨损率达到最大，为典型塑形材料的冲蚀特性，失重主要由犁削和微切削造成。
　　本文研制的梯度涂层成功应用于水轮机叶片，抗磨蚀性能均满足使用要求，运行1年后，涂层无大面积脱落，使用寿命高于0Cr13Ni5Mo水轮机叶片。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究意义

1.2水轮机过流部件抗磨蚀涂层研究现状

1.3热喷涂技术特点及其研究现状

1.4 Al2O3涂层制备方法研究现状

1.5本文的主要研究内容

第2章 试验材料及研究方法

2.1试验材料

2.2试验方法及设备

第3章 涂层的微观组织结构分析

3.1混合粉的微观形貌

3.2 Ni/Al打底层微观形貌

3.3 Al2O3复合层微观形貌

3.4单层过渡涂层微观形貌

3.5三层过渡涂层微观形貌

3.6本章小结

第4章 涂层的抗磨蚀性能及机理分析

4.1涂层的抗拉结合强度测试

4.2涂层的显微硬度特性分析

4.3涂层的抗冲蚀性能研究

4.4本章小结

第5章 等离子喷涂梯度涂层工艺及应用研究

5.1水轮机叶片的等离子喷涂工艺

5.2水轮机叶片梯度涂层耐磨蚀性能评定

5.3等离子喷涂梯度涂层水轮机叶片运行情况

5.4小结

结论

参考文献

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致谢

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