一种钛合金叶片的结构化防水蚀层的制备工艺

摘要

本发明公开了一种钛合金叶片的结构化防水蚀层的制备工艺，步骤如下：（1）渗碳处理：采用真空管式炉在固体粉末中掺入稀土元素进行渗碳的方法在钛合金叶片表面制备渗碳层；（2）激光结构化氮化处理：采用多功能激光发生器对渗碳后的钛合金叶片进汽边背弧进行激光扫描，得到一种离散的结构化阵列区域，处理后得到离散结构化氮化改性层；（3）熔凝处理：采用多功能激光器对钛合金叶片离散结构化氮化改性层进行熔凝，获得在沿钛合金叶片轴心层深方向和沿整个钛合金叶片轴径方向的均为梯度分布的表面质量良好的结构化防水蚀保护层，显著提高了整体叶片的耐磨性能，结构化氮化后的进汽边防水蚀改性层的整体硬度、耐磨性均高于基体材料。

说明书

技术领域

本发明提供一种钛合金表面激光强化处理工艺，适用于钛合金叶片表面强化，尤其适用于汽轮机末级钛合金叶片的表面抗水蚀强化。

背景技术

随着电站汽轮机大容量化，叶片的安全可靠性和保持高效率显得尤其重要。叶片是汽轮机的关键零件之一。汽轮机末级叶片是汽轮机组中长度最长，重量最大的一组。它在极苛刻的条件下承受高温、高压、巨大的离心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蚀和振动以及湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用。

TC4属α+β系列钛合金，其耐热性、强度、塑性、韧性、成形性均较好，但TC4的硬度比较低，耐磨性比较差，尤其对微动磨损和微动疲劳损伤十分敏感。据报道，钛合金由于微动作用使其疲劳寿命降低高达20%-50%。大型钛合金汽轮机末级叶片(包括次末级)是在湿蒸汽条件下工作的，加之末级动叶叶顶的线速度为超音速，如通用电气762mm的末叶，其叶顶的线速度为581m/s；851mm的末叶，其叶顶的线速度为594m/s；1016mm的末叶，其叶顶的线速度为657m/s。这样对于工作区为湿蒸汽区的钛合金末级叶片的水蚀和水涮更为严重，汽流中携带有大量的水滴，在很高的线速度及离心力作用，在叶片进汽背弧侧靠近叶片顶部常发生汽蚀，致使汽轮机效率降低、动叶强度减弱、振动加剧，直接影响到汽轮机的工作效率及安全运行。

采用传统的钎焊硬质合金片具有较好的抗水蚀效果，但机组高速运转中可能因硬质合金片与叶片基体结合不良，出现硬质合金片脱落，导致恶性质量事故。激光表面处理技术具有冶金结合强度，但较多工艺面临着难以控制光束搭接所产生的裂纹等缺陷，同时由于高能激光束作用的面积和区域连续，热应力较大引起工件形变翘曲。因此，采制备可靠的梯度分布的结构化防水蚀保护层来提高TC4合金表面的抗水蚀能力对于提高钛合金叶片运行的安全性和使用寿命具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛合金叶片的结构化防水蚀层的制备工艺，采用激光结构化氮化处理技术，在钛合金叶片进汽边制备一种具有防水蚀、高硬度、耐磨性的梯度分布的结构化保护层。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种钛合金叶片的结构化防水蚀层的制备工艺，步骤如下：

（1）渗碳处理：采用真空管式炉在固体粉末中掺入稀土元素进行渗碳的方法在钛合金叶片表面制备渗碳层；

（2）激光结构化氮化处理：采用多功能激光发生器对渗碳后的钛合金叶片进汽边背弧进行激光扫描，同心圆内部的圆为激光作用于叶片表面的光斑直径，同心圆之间的间距为其激光作用于叶片表面后对应的热影响区范围，以免激光连续作用之后的热影响区被重复作用，按照此方法设计可得到一种离散的结构化阵列区域，处理后得到离散结构化氮化改性层；

（3）熔凝处理：采用多功能激光器对钛合金叶片离散结构化氮化改性层进行熔凝，获得在沿钛合金叶片轴心层深方向和沿整个钛合金叶片轴径方向的均为梯度分布的表面质量良好的结构化防水蚀保护层。

所述步骤（1）中渗碳前需要对钛合金叶片用乙醇清洗，烘干处理后放入真空管式炉中进行固体渗碳。

所述步骤（1）中的固体粉末为煤粉和碳酸钠，稀土元素是La，其中煤粉占质量总量的90%；碳酸钠占质量总量的9%，稀土元素占质量总量的1%。

所述步骤（1）中的渗碳温度为800℃~1050℃，真空管式炉中通入气体为氩，渗碳时间为8小时。

所述步骤（2）中激光离散结构化氮化层处理中的YAG激光器具体工作参数为电流180A~250A，脉冲频率为5Hz~20Hz，脉宽5ms~20ms，结构化氮化面积=叶片进汽边背弧（约为叶片长度的1/5）×叶片进汽边宽度。

所述的多功能激光发生器为YAG激光器，采用同轴的高纯氮气与氩气的混合气体作为氮化与冷却气源，混合气体的流量为5L/min~40L/min，其中高纯氮气与氩气的流量比为0.5:1~2:1。

所述步骤（2）得到结构化氮化改性层的厚度为0.25mm~0.50mm。

所述步骤（3）采用多功能激光器对叶片结构化氮化层进行熔凝处理时，YAG激光器具体工作参数为电流100A~180A，脉冲频率为5Hz~20Hz，脉宽5ms~20ms。

所述步骤（3）中对钛合金叶片结构化氮化层进行熔凝处理时，所处理的区域面积=离散结构化氮化层区域面积×（101%~120%）。

本发明主要针对钛合金叶片的末级叶片进行结构化防水蚀层的制备。

本发明的有益效果：

1、本发明提供一种钛合金叶片的结构化耐水蚀保护层及其制备工艺，采用激光结构化氮化处理技术，在钛合金叶片进汽边制备一种具有防水蚀、高硬度、耐磨性的梯度分布的结构化保护层。

2、该激光处理工艺可替代传统钎焊硬质合金片，根除合金片脱落的隐患；对叶片整体真空固体粉末渗碳工艺既可以防止出现氢脆，改性层结合轻度高，同时显著提高了整体叶片的耐磨性能，结构化氮化后的进汽边防水蚀改性层的整体硬度、耐磨性均高于基体材料；改性层与基体之间为冶金结合，不会出现改性层的剥离和脱落。

3、渗碳过程中加入的稀土元素La，不仅对整体叶片的渗碳具有催渗作用，还可以改善表层组织，提高整个渗碳层的韧性，在保证整体叶片耐磨性提高的基础上也为进一步的结构化氮化奠定基础。

4、激光结构化氮化工艺中采用气体作为反应材料，比粉末合金化改性层的制备具有更高的灵活性，在激光结构化氮化处理工艺进行中，反应气体也可作为冷却和保护气体.

5、结构化氮化可以与叶片整体渗碳层结合形成梯度过渡层，涂层与基体之间过渡层中的TiCN作为TiN和TiC的固溶体，兼具两者的特性和优点，有着更好的抗黏着磨损和摩擦磨损性能，及更低的摩擦系数，可进一步提高整体叶片的使用寿命。

6、一种离散的激光结构化氮化可以缓解由于氮化物形成过程中的应力集中现象，激光光斑作用之间的离散空隙处可以作为应力释放区，所得单个氮化点内组织致密，晶粒细小；氮化点之间为激光热影响区，能够缓和激光产生的热应力，降低开裂倾向；改性层结构化氮化区域均匀；结构化氮化的工艺能够有效地避免与基体之间裂纹和孔洞等缺陷的产生；

7、所得单个氮化点内组织致密，晶粒细小；氮化点之间为激光热影响区，能够缓和激光产生的热应力，降低开裂倾向；改性层在不增加叶片体积尺寸，不需要后续机械加工的情况下，改性层的上述特征使得本发明所制备的钛合金叶片具有较好地抗水蚀性能，有效地延长钛合金叶片的使用寿命。

8、对于结构化氮化区域的熔凝可以使氮化后的表面更加平整，降低表面粗糙度；熔凝区域面积大于结构化氮化区域的设计可以使得整体叶片的渗碳层与结构化氮化层之间更好的结合区域过渡，熔凝之后的叶片表面光洁度均匀一致，叶片整体厚度上并没有增加，不需要后续的机械加工处理，同时也保证了结构化防水蚀保护层不仅在沿叶片轴心层深方向形成TiC-TiCN-TiN的梯度过渡层，在沿叶片轴径方向形成TiC-TiCN-TiN的梯度过渡层，使得整个叶片形成空间立体的合理分布的结构化防水蚀保护层。

附图说明

图1为本发明汽轮机钛合金末级叶片示意图。

图2为本发明一种结构化阵列区域设计方案示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的钛合金叶片的结构化防水蚀层的制备工艺，步骤如下：

（1）渗碳处理：本发明实施例为钛合金（TC4）叶片，渗碳处理前，需要用乙醇清洗整个叶片后烘干，烘干处理后放入真空管式炉中进行固体渗碳，固体渗碳剂主要由两类物质均匀混合而成，一类是产生活性碳原子的煤粉，约占质量总量的90%左右；另一类是催渗剂碳酸钠，约占质量总量的9%左右，另外1%质量为稀土元素是La。渗碳温度为850℃，真空管式炉中通入气体为氩，渗碳时间为8小时；渗碳处理后的叶片需要确定末级叶片进汽边待处理的轮廓线，乙醇清洗待处理区域，依据叶片的形状，在不同光斑和不同的高纯氮气与氩的比例下，通过对结构化氮化改性层的成形表面质量、显微组织、硬度、热影响区大小、裂纹等缺陷的分析，合理设计叶片上结构化阵列的分布，搭建叶片放置平台；其中一种设计方案如图2所示，其中内圆为激光光斑作用区域，内圆与外圆之间的距离为其对应的热影响区范围；

（2）激光结构化氮化处理：将高纯氮气与惰性气体氩气通过专用气体管道混合后送入激光头内，气体与激光束同轴参与反应制得所需要的结构化氮化层；试运行时，将激光工作电流调至“0”A，执行程序，观察激光光斑是否按照设定光斑运行，同时检查氮化与冷却气源是否通入激光照射形成的熔区内，若不是则需重新校正，直至复合设定要求；检查后，将工作电流调到设定值，按照设定的气体流量、激光工艺参数开始进行激光结构化氮化处理；YAG激光器具体工作参数为电流240A，脉冲频率为10Hz，脉宽8ms，光斑尺寸为0.8mm。采用同轴的高纯氮气与氩气的混合气体作为氮化与冷却气源，混合气体的流量为40L/min，其中高纯氮气与氩气的流量比为1:1；离散激光结构化氮化层表面硬度约为680HV0.3，硬化层深度0.35mm。

（3）熔凝处理：采用多功能激光器对钛合金叶片结构化氮化层进行熔凝，结构化氮化后的叶片熔凝时依据结构化氮化的参数进行相应的调整，即YAG激光器具体工作参数为电流160A，脉冲频率为10Hz，脉宽8ms，光斑尺寸为2mm，混合气体的流量为30L/min，获得所处理的区域面积激光离散结构化氮化区域×（101%~120%），获得在沿钛合金叶片轴心层深方向和沿整个钛合金叶片轴径方向的均为梯度分布的表面质量良好的结构化防水蚀保护层；激光熔凝离散结构化氮化层后的表面硬度约为760HV0.3，硬化层深度0.42mm。

实施例2

本实施例的钛合金叶片的结构化防水蚀层的制备工艺，步骤如下：

（1）渗碳处理：本发明实施例为钛合金（TC4）叶片，渗碳处理前，需要用乙醇清洗整个叶片后烘干，烘干处理后放入真空管式炉中进行固体渗碳，固体渗碳剂主要由两类物质均匀混合而成，一类是产生活性碳原子的煤粉，占质量总量的90%；另一类是催渗剂碳酸钠，占质量总量的9%左右，另外1%质量为稀土元素是La。渗碳温度为930℃，真空管式炉中通入气体为氩，渗碳时间为8小时；渗碳处理后的叶片需要确定末级叶片进汽边待处理的轮廓线，乙醇清洗待处理区域，依据叶片的形状，在不同光斑和不同的高纯氮气与氩的比例下，通过对结构化氮化改性层的成形表面质量、显微组织、硬度、热影响区大小、裂纹等缺陷的分析，合理设计叶片上结构化阵列的分布，搭建叶片放置平台；其中一种设计方案如图2所示，其中内圆为激光光斑作用区域，内圆与外圆之间的距离为其对应的热影响区范围；；

（2）激光结构化氮化处理：将高纯氮气与惰性气体氩气通过专用气体管道混合后送入激光头内，气体与激光束同轴参与反应制得所需要的结构化氮化层；试运行时，将激光工作电流调至“0”A，执行程序，观察激光光斑是否按照设定光斑运行，同时检查氮化与冷却气源是否通入激光照射形成的熔区内，若不是则需重新校正，直至复合设定要求；检查后，将工作电流调到设定值，按照设定的气体流量、激光工艺参数开始进行激光结构化氮化处理；YAG激光器具体工作参数为电流190A，脉冲频率为10Hz，脉宽8ms，光斑尺寸为0.8mm。采用同轴的高纯氮气与氩气的混合气体作为氮化与冷却气源，混合气体的流量为40L/min，其中高纯氮气与氩气的流量比为1:1；离散激光结构化氮化层表面硬度约为510HV0.3，硬化层深度0.31mm。。

（3）熔凝处理：采用多功能激光器对钛合金叶片结构化氮化层进行熔凝，结构化氮化后的叶片熔凝时依据结构化氮化的参数进行相应的调整，即YAG激光器具体工作参数为电流100A，脉冲频率为10Hz，脉宽8ms，光斑尺寸为2mm，混合气体的流量为30L/min，获得所处理的区域面积激光离散结构化氮化区域×（101%~120%），获得在沿钛合金叶片轴心层深方向和沿整个钛合金叶片轴径方向的均为梯度分布的表面质量良好的结构化防水蚀保护层；激光熔凝离散结构化氮化层后的表面硬度约为620HV0.3，硬化层深度0.37mm。

实施例3

本实施例的钛合金叶片的结构化防水蚀层的制备工艺，步骤如下：

（1）渗碳处理：本发明实施例为钛合金（TC4）叶片，渗碳处理前，需要用乙醇清洗整个叶片后烘干，烘干处理后放入真空管式炉中进行固体渗碳，固体渗碳剂主要由两类物质均匀混合而成，一类是产生活性碳原子的煤粉，约占质量总量的90%左右；另一类是催渗剂碳酸钠，约占质量总量的9%左右，另外1%质量为稀土元素是La。渗碳温度为1010℃，真空管式炉中通入气体为氩，渗碳时间为8小时；渗碳处理后的叶片需要确定末级叶片进汽边待处理的轮廓线，乙醇清洗待处理区域，依据叶片的形状，在不同光斑和不同的高纯氮气与氩的比例下，通过对结构化氮化改性层的成形表面质量、显微组织、硬度、热影响区大小、裂纹等缺陷的分析，合理设计叶片上结构化阵列的分布，搭建叶片放置平台；其中一种设计方案如图2所示，其中内圆为激光光斑作用区域，内圆与外圆之间的距离为其对应的热影响区范围；

（2）激光结构化氮化处理：将高纯氮气与惰性气体氩气通过专用气体管道混合后送入激光头内，气体与激光束同轴参与反应制得所需要的结构化氮化层；试运行时，将激光工作电流调至“0”A，执行程序，观察激光光斑是否按照设定光斑运行，同时检查氮化与冷却气源是否通入激光照射形成的熔区内，若不是则需重新校正，直至复合设定要求；检查后，将工作电流调到设定值，按照设定的气体流量、激光工艺参数开始进行激光结构化氮化处理；YAG激光器具体工作参数为电流220A，脉冲频率为10Hz，脉宽8ms，光斑尺寸为0.8mm。采用同轴的高纯氮气与氩气的混合气体作为氮化与冷却气源，混合气体的流量为20L/min，其中高纯氮气与氩气的流量比为2:1；离散激光结构化氮化层表面硬度约为590HV0.3，硬化层深度0.33mm。

（3）熔凝处理：采用多功能激光器对钛合金叶片结构化氮化层进行熔凝，结构化氮化后的叶片熔凝时依据结构化氮化的参数进行相应的调整，即YAG激光器具体工作参数为电流150A，脉冲频率为10Hz，脉宽8ms，光斑尺寸为2mm，混合气体的流量为20L/min，获得所处理的区域面积激光离散结构化氮化区域×（101%~120%），获得在沿钛合金叶片轴心层深方向和沿整个钛合金叶片轴径方向的均为梯度分布的表面质量良好的结构化防水蚀保护层；激光熔凝离散结构化氮化层后的表面硬度约为660HV0.3，硬化层深度0.40mm。。

经对实施例的数据分析可知，采用本发明的钛合金末级叶片的耐水蚀制备工艺，对钛合金末级叶片整体进行渗碳处理，提高了其耐磨性并具有一定的韧性。对叶片进汽边背弧处进行激光结构化氮化处理后可以获得具有合理结构化分布的氮化点，硬度在500HV0.3~700HV0.3左右，硬化层深度0.30mm~0.50mm，热影响区小，无裂纹和气孔出现。熔凝处理能够使得结构化氮化区域的表面更加平整，降低表面粗糙度，使得结构化氮化区域内氮化枝晶分布更加均匀，获得硬度在在600HV0.3~800HV0.3左右，硬化层深度在0.3mm以上的结构化保护层，同时保证了梯度涂层之间的结合强度，最终获得了沿叶片轴心层深方向和沿整个叶片轴径方向的均为梯度分布的立体空间的TiC-TiCN-TiN结构化防水蚀保护层。本方法用于汽轮机末级叶片耐水蚀改性层制备可以获得与叶片几何型线完全吻合的改性，提高钛合金叶片运行的安全性、可靠性，且几乎不需要后续机械加工便可装机运行。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。