水轮机叶片耐磨蚀梯度涂层制备技术研究

发布时间：2017-07-29 13:01

  本文关键词：水轮机叶片耐磨蚀梯度涂层制备技术研究

  更多相关文章： 等离子喷涂 梯度涂层 组织结构 结合强度 耐冲蚀性能

【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Ti O2,还有少量的Ti3O5;过渡涂层的主要组成相为Ni3Al,Al2O3,Ti O2和Al2Ti O5。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。
【关键词】：等离子喷涂 梯度涂层 组织结构 结合强度 耐冲蚀性能
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4;TK730.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题背景及研究意义9
• 1.2 水轮机过流部件抗磨蚀涂层研究现状9-14
• 1.2.1 水轮机过流部件的磨蚀机理9-13
• 1.2.2 水轮机过流部件的抗磨蚀涂层研究13-14
• 1.3 热喷涂技术特点及其研究现状14-15
• 1.3.1 热喷涂技术特点14-15
• 1.3.2 等离子喷涂特点及发展现状15
• 1.4 Al_2O_3涂层制备方法研究现状15-17
• 1.4.1 等离子喷涂方法制备Al_2O_3涂层16
• 1.4.2 激光熔敷方法制备Al_2O_3涂层16-17
• 1.4.3 Al_2O_3梯度涂层研究现状17
• 1.5 本文的主要研究内容17-19
• 第2章 试验材料及研究方法19-29
• 2.1 试验材料19-22
• 2.1.1 基体材料19
• 2.1.2 工作层材料19-20
• 2.1.3 打底层材料20-22
• 2.2 试验方法及设备22-29
• 2.2.1 基体表面预处理22
• 2.2.2 涂层制备方法22-25
• 2.2.3 喷涂粉及涂层的显微组织、成分及物相分析25
• 2.2.4 涂层的抗磨蚀性能测试25-29
• 第3章 涂层的微观组织结构分析29-44
• 3.1 混合粉的微观形貌29-31
• 3.1.1 手动搅拌混合粉的微观形貌29-30
• 3.1.2 球磨混合粉的微观形貌30-31
• 3.2 Ni/Al打底层微观形貌31-34
• 3.3 Al_2O_3复合层微观形貌34-37
• 3.4 单层过渡涂层微观形貌37-40
• 3.4.1 手动搅拌混合粉末制备单层过渡层微观形貌37-39
• 3.4.2 球磨混合粉末制备单层过渡层微观形貌39-40
• 3.5 三层过渡涂层微观形貌40-43
• 3.5.1 手动搅拌混合粉末制备三层过渡涂层微观形貌40-41
• 3.5.2 球磨混合粉末制备三层过渡涂层微观形貌41-43
• 3.6 本章小结43-44
• 第4章 涂层的抗磨蚀性能及机理分析44-56
• 4.1 涂层的抗拉结合强度测试44-46
• 4.2 涂层的显微硬度特性分析46-47
• 4.3 涂层的抗冲蚀性能研究47-55
• 4.3.1 冲蚀角度对涂层抗冲蚀性能的影响47-50
• 4.3.2 冲蚀时间对涂层抗冲蚀性能的影响50-52
• 4.3.3 基体及涂层的冲蚀机理分析52-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第5章 等离子喷涂梯度涂层工艺及应用研究56-61
• 5.1 水轮机叶片的等离子喷涂工艺56-59
• 5.1.1 等离子喷涂前叶片表面预处理56-57
• 5.1.2 水轮机叶片等离子喷涂涂层结构及材料选择57
• 5.1.3 水轮机叶片等离子喷涂工艺参数57-59
• 5.1.4 水轮机叶片等离子喷涂喷后检查59
• 5.2 水轮机叶片梯度涂层耐磨蚀性能评定59
• 5.3 等离子喷涂梯度涂层水轮机叶片运行情况59-60
• 5.4 小结60-61
• 结论61-62
• 参考文献62-67
• 致谢67-68
• 个人简历68

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本文编号：589244