汽輪機(jī)部件滲硼層耐固體顆粒沖蝕性能研究

徐佰明， 趙旭紅， 于洋， 張瑞武

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

0 引言

汽輪機(jī)尤其是超臨界以上汽輪機(jī)的高溫通流部分如高、中壓噴嘴、動(dòng)葉片等經(jīng)常會(huì)受到固體顆粒損傷。固體粒子侵蝕（Sdid Partide Erosion，SPE）主要是指從鍋爐的過熱器、再熱器及主蒸汽和再熱蒸汽管的內(nèi)表面脫落下的堅(jiān)硬的氧化鐵顆粒，隨同蒸汽一同進(jìn)入汽輪機(jī)，侵蝕通流部分，使之產(chǎn)生機(jī)械損傷，造成汽輪機(jī)機(jī)組效率和安全可靠性能降低，壓力和溫度越高，這一問題越嚴(yán)重［1－2］。隨著汽輪機(jī)工作參數(shù)的提高，蒸汽管道中的固體顆粒增多，為抵抗固體顆粒對(duì)機(jī)組通流表面的沖蝕破壞，延長機(jī)組使用壽命，須對(duì)通流部件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，國外大多采用較高硬度的表面滲硼層、熱噴涂涂層等有效抵抗固體顆粒的沖蝕［3］。GE 公司［2］以及西屋公司［3］均采用表面滲硼處理增加零件耐固體顆粒侵蝕。因此研究滲硼層耐固體顆粒侵蝕性能是非常有意義的。

滲硼是一種在表面處理中應(yīng)用較為廣泛的強(qiáng)化方法［4］。主要方法有固體滲硼、液體滲硼、氣體滲硼、電解滲硼和等離子滲硼等［5］。本文采用固體滲硼法制備滲層，研究了不同溫度、顆粒速度、沖擊角度下滲硼層的磨損率，分析了不同參數(shù)對(duì)滲硼層性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 基材及處理

基體采用2Cr10MoVNbN，樣品為60mm×70mm×6mm的方形試樣。試樣表面經(jīng)去氧化皮、磨光處理。滲硼劑自制，具體成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。滲硼工藝為：待滲硼的零部件除銹后，使用無水乙醇除去油污，清理干凈并干燥后放入裝滿滲硼劑的容器中，使?jié)B硼劑完全充滿整個(gè)容器，壓實(shí)入爐，待爐溫升到1 000℃，保溫10 h后出爐空冷。

表1 滲硼劑成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

1.2 固體顆粒侵蝕試驗(yàn)參數(shù)

氣流速度范圍：300m/s，600m/s；固體顆粒速度：210m/s，420 m/s（準(zhǔn)確數(shù)據(jù)取決于上述氣流速度的大小）；溫度：600℃，620℃；固體顆粒尺寸：10～150 μm；粒子撞擊角度：18°，24°，30°，36°，45°，60°，75°，90°。

2 結(jié)果與討論

2.1 滲硼層顯微組織

滲硼層的顯微組織如圖1所示。從圖中可看出，滲硼層由白亮層和黑白相間的過渡區(qū)組成，XRD衍射圖譜說明滲硼層主要是由Fe2B組成。硼元素在表層部位含量最高并保持穩(wěn)定的Fe2B相，在過渡區(qū)含量降低。這是由于過渡區(qū)的硼元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，未能達(dá)到8.8%，形成Fe2B相，這時(shí)硼元素固溶于基體材料中。

2.2 固體顆粒侵蝕

從圖2（b）可以得知，母材最大磨損率對(duì)應(yīng)的沖擊角度在22°左右，表現(xiàn)出典型塑性材料的磨損特性，其最大磨損率約為90°沖擊角時(shí)的4～6倍（低速約為4倍、高速約為6倍），溫度對(duì)母材磨損率的影響很小，尤其是210 m/s的時(shí)候，幾乎完全重合。從圖2（a）可以看到，滲硼涂層在兩種溫度和兩種速度下其磨損率都隨沖擊角度的增大先增加后減少，最大磨損率對(duì)應(yīng)的角度為75°，說明滲硼涂層主要表現(xiàn)為脆性材料的磨損特性，但不屬于典型的脆性材料磨損特性。從圖中還可看到，隨溫度的增加滲硼涂層的磨損率稍有增加，但溫度的影響仍很小。此外，相同溫度和相同角度的情況下，氣流速度為420 m/s時(shí)的磨損率為210 m/s時(shí)磨損率的4～12倍。

圖1 滲硼層顯微組織及XRD衍射圖譜

圖2 滲硼涂層和基材在兩種溫度和兩種粒子速度下磨損率隨角度的變化

2.3 表面沖蝕磨損形貌

從圖3（b）可知，在沖擊角度為18°時(shí)，母材的塑性變形非常嚴(yán)重，由于受沖擊粒子的切應(yīng)力作用，產(chǎn)生了非常明顯的犁削現(xiàn)象，表面非常不平整。滲硼層主要由Fe2B和FeB兩項(xiàng)硼化物組成，一般鋼件滲硼后的金相組織自表面到心部，隨著硼濃度的減少依次主要為FeB、Fe2B、擴(kuò)散層（過渡層）和基體。Fe2B的脆性比FeB的脆性要小些。然而沖擊角度為75°時(shí)試件表面因沖擊主要受法向的正應(yīng)力，消耗掉FeB為主的最表層，次表層則是Fe2B最多，F(xiàn)e2B的脆性遠(yuǎn)沒有FeB的高，而這時(shí)又存在切應(yīng)力，故相對(duì)塑韌性較好的Fe2B也會(huì)有磨損，而90°時(shí)Fe2B的磨損量遠(yuǎn)沒有75°的高，90°的磨損主要是FeB的磨損損失。

圖3 滲硼涂層和基材的表面沖蝕磨損形貌

3 結(jié)論

本文研究了滲硼層的耐固體顆粒侵蝕，對(duì)基材與滲硼層在不同的顆粒速度、溫度、沖擊角度下進(jìn)行了對(duì)比分析：

1）滲硼層主要的兩硼化物相FeB和Fe2B晶體結(jié)構(gòu)差異較大，前者為斜方晶系，后者為正方晶系，前者脆性也比后者大很多，這些特性使得該涂層具有非常優(yōu)良的耐磨性。

2）在75°沖擊角時(shí)，滲硼涂層的磨損率約為母材的1/3～1/6；而在22°沖擊角時(shí)，滲硼涂層的磨損率約為母材的1/30～1/60；使用滲硼涂層可以使零件抗磨損能力提高30～60倍，即使在大沖蝕角度下，其抗沖蝕能力也能提高3～6倍。

［參考文獻(xiàn)］

［1］劉志江，李繼軍，劉向民.超臨界壓力汽輪機(jī)固體顆粒侵蝕的表面硬化處理技術(shù)［J］.中國電力，2004，37（2）：25-28.

［2］劉志江.超臨界機(jī)組汽輪機(jī)固體顆粒侵蝕的綜合研究［J］.電力設(shè)備，2004，5（6）：34-39.

［3］沈紅衛(wèi)，宋帆，龍荷蓀，等.超臨界汽輪機(jī)噴嘴組滲硼表面處理［J］.熱力透平，2007，36（2）：133-135.

［4］雷明凱，羅鵬，高峰，等.鋼滲硼表面殘余應(yīng)力分析［J］.金屬學(xué)報(bào)，2002，38（1）：47-52.

［5］前苗根.材料表面技術(shù)及其應(yīng)用手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998：631-635.