一种用于透平叶片的涂层组合物、涂层及制备方法与流程

1.本发明属于涂层制备技术领域，具体涉及一种用于透平叶片的涂层组合物、涂层及制备方法。


背景技术：

2.燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。透平叶片是重型燃气轮机的关键部件，处于燃气轮机的热端部位，燃烧室排出的高温燃气作用于透平叶片，叶片承受着高温燃气的腐蚀和氧化作用。透平第三级动叶片承受的燃气温度相对前两级叶片来说较低，不用考虑隔热降温的问题，无需进行热障涂层喷涂，但是在服役期间，仍会受到高温燃气的腐蚀和氧化。通常叶片合金设计时为了达到优化的机械性能就会损失抗氧化性和抗高温熔盐腐蚀性，因此需要在叶片上涂覆涂层材料，目的在于提高抗氧化性和抗热熔盐腐蚀性。
3.目前常用于透平第三级叶片的薄层材料主要是铬化物，主要是起到抗氧化作用，但是铬化物涂层的抗氧化性能有限，且抗热熔盐腐蚀性较差。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中用于燃气轮机透平叶片的涂层材料抗热熔盐腐蚀性和抗氧化性有待进一步提高等缺陷，从而提供一种用于透平叶片的涂层组合物、涂层及制备方法。
5.为此，本发明提供了以下技术方案。
6.本发明提供了一种用于透平叶片的涂层组合物，以质量百分数100％计，其组分包括0.5-1.2％氧化钇粉末、10-20％铝粉和5-10％铬粉，余量为镍基合金粉末。
7.进一步地，以质量百分数100％计，涂层组合物的组分包括0.8％氧化钇粉末、12％铝粉和8％铬粉。
8.所述镍基合金粉末的颗粒尺寸为45μm-125μm；
9.优选地，所述镍基合金粉末为in738镍基高温合金粉末和gtd111镍基高温合金粉末中的至少一种。
10.所述铝粉的颗粒尺寸为45μm-75μm，纯度为99.99％；
11.优选地，所述铬粉的颗粒尺寸为45μm-75μm，纯度为99.99％。
12.本发明提供了一种涂层，包括基材及附着在基材上的涂层；
13.所述涂层的原料包括所述涂层组合物。
14.所述涂层的厚度为350μm-700μm；
15.优选地，所述基材的材质为镍基合金；
16.优选地，所述基材的材质为in738镍基高温合金或gtd111镍基高温合金。
17.本发明还提供了一种上述涂层的制备方法，采用等离子堆焊方法制得。
18.所述制备方法包括，各原料混合后球磨，采用等离子堆焊方法形成所述涂层。
19.所述等离子堆焊的参数：堆焊电流为54-78a，电弧电压为24-28v，旋转工作台旋转速度为0.3-0.5r/min，送粉速度为1.8-4.2g/min，送粉气体流量为4-6l/min，等离子气体流量为0.6-1.0l/min，保护气体流量为13-16l/min，预热温度为325-365℃。优选地，钨电极直径为3.2mm。
20.所述球磨的时间为48-72h，转速为600-800r/min。球磨时的球料比可以是但不限于为10:1。
21.所述制备方法的具体步骤包括，各原料混合后球磨，球磨结束后取出混合物，将混合物置于旋转蒸发仪中进行干燥，除去溶剂，然后过100目筛后在40-80℃下干燥3-5h得到混合粉末，使其满足堆焊要求，采用等离子堆焊方法将干燥后的混合粉末堆焊于基材表面，形成所述涂层。
22.本发明技术方案，具有如下优点：
23.1.本发明提供的用于透平叶片的涂层组合物，以质量百分数100％计，其组分包括0.5-1.2％氧化钇粉末、10-20％铝粉和5-10％铬粉，余量为镍基合金粉末。该涂层组合物用于透平叶片时，可以提高叶片的抗热熔盐腐蚀性、抗高温氧化能力以及延长叶片的使用寿命，该涂层组合物尤其适用于透平第三级叶片，既能保证其机械性能，又能提高抗氧化性和抗热熔盐腐蚀性，克服了现有技术中铬化物涂层抗热熔盐腐蚀性差和抗氧化性有限等问题。
24.2.本发明提供的涂层的制备方法，采用等离子堆焊方法在镍基合金基材表面制得一层厚度为350μm-700μm的镍基高温合金改性涂层，可以提高透平第三级叶片的抗热熔盐腐蚀性、抗高温氧化性以及延长透平第三级叶片的使用寿命。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本发明试验例中各实施例、对比例和对照组试样的抗高温熔盐腐蚀性的测试结果；
27.图2是本发明试验例中各实施例、对比例和对照组试样的抗高温氧化性的测试结果。
具体实施方式
28.提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
29.实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
30.实施例1
31.本实施例提供了一种涂层组合物，以质量分数100％计，包括0.8％氧化钇粉末、10％铝粉、8％铬粉和81.2％in738镍基合金粉末。其中，镍基合金粉末的厂家为欧瑞康美科公司；铝粉的颗粒尺寸约为74μm，纯度为99.99％；铬粉的颗粒尺寸约为74μm，纯度为99.99％。
32.本实施例还提供了一种涂层，涂层包括基材和附着在基材上的涂层，涂层的原料包括上述涂层组合物，涂层的厚度为600μm，基材为50cm
×
50cm
×
20mm的in738镍基高温合金。
33.上述涂层的制备方法包括如下步骤，
34.将基材表面打磨至表面光亮无划痕，采用无水乙醇超声水洗，自然晾干，备用；
35.按照上述比例称取各个组分，混合，加入适量丙酮后置于硬质合金罐中球磨，预设球料比为10:1，球磨时间为72h，转速为600r/min，球磨结束后取出混合物，将混合物置于旋转蒸发仪的玻璃反应釜中进行干燥，除去丙酮溶剂，过100目筛后在80℃下干燥3h得到混合粉末，使其满足堆焊要求，采用等离子堆焊方法将干燥后的混合粉末堆焊于基材表面，形成涂层，涂层的厚度为600μm；其中，等离子堆焊方法的参数为：堆焊电流为68a，电弧电压为26v，旋转工作台旋转速度为0.35r/min，送粉速度为4.2g/min，送粉气体流量为5l/min，等离子气体流量为1.0l/min，保护气体流量为15l/min，钨电极直径为3.2mm，预热温度为330℃。
36.实施例2
37.本实施例提供了一种涂层组合物，以质量分数100％计，包括0.8％氧化钇粉末、12％铝粉、8％铬粉和79.2％in738镍基合金粉末。其中，镍基合金粉末的厂家为欧瑞康美科公司；铝粉的粒度约为45μm，纯度为99.99％；铬粉的粒度约为45μm，纯度为99.99％。
38.本实施例还提供了一种涂层，涂层包括基材和附着在基材上的涂层，涂层的原料包括上述涂层组合物，涂层的厚度为450μm，基材为50cm
×
50cm
×
20mm的in738镍基高温合金。
39.上述涂层的制备方法，包括如下步骤，
40.将基材表面打磨至表面光亮无划痕，采用无水乙醇超声水洗，自然晾干，备用；
41.按照上述比例称取各个组分，混合，加入适量丙酮后置于硬质合金罐中球磨，预设球料比为10:1，球磨时间为60h，转速为800r/min，球磨结束后取出混合物，将混合物置于旋转蒸发仪的玻璃反应釜中进行干燥，过100目筛后在80℃下干燥3h得到混合粉末，采用等离子堆焊方法将干燥后的混合粉末堆焊于基材表面，形成涂层，涂层的厚度为450μm；其中，等离子堆焊方法的参数为：堆焊电流为65a，电弧电压为24v，旋转工作台旋转速度为0.35r/min，送粉速度为3.8g/min，送粉气体流量为4l/min，等离子气体流量为0.8l/min，保护气体流量为14l/min，钨电极直径为3.2mm，预热温度为345℃。
42.实施例3
43.本实施例提供了一种涂层组合物，以质量分数100％计，包括1.1％氧化钇粉末、11％铝粉、6％铬粉和81.9％in738镍基合金粉末。其中，镍基合金粉末厂家为欧瑞康美科公司；铝粉的粒度约为74μm，纯度为99.99％；铬粉的粒度约为74μm，纯度为99.99％。
44.本实施例还提供了一种涂层，涂层包括基材和附着在基材上的涂层，涂层的原料
包括上述涂层组合物，涂层的厚度为600μm，基材为50cm
×
50cm
×
20mm的in738镍基高温合金。
45.上述涂层的制备方法，包括如下步骤，
46.将基材表面打磨至表面光亮无划痕，采用无水乙醇超声水洗，自然晾干，备用；
47.按照上述比例称取各个组分，混合，加入适量丙酮后置于硬质合金罐中球磨，预设球料比为10:1，球磨时间为72h，转速为600r/min，球磨结束后取出混合物，将混合物置于旋转蒸发仪的玻璃反应釜中进行干燥，过100目筛后在80℃下干燥3h得到混合粉末，采用等离子堆焊方法将干燥后的混合粉末堆焊于基材表面，形成涂层，涂层的厚度为600μm；其中，等离子堆焊方法的参数为：堆焊电流为65a，电弧电压为24v，旋转工作台旋转速度为0.35r/min，送粉速度为3.8g/min，送粉气体流量为4l/min，等离子气体流量为0.8l/min，保护气体流量为14l/min，钨电极直径为3.2mm，预热温度为345℃。
48.对比例1
49.本对比例提供了一种涂层组合物及涂层的制备方法，与实施例1的区别在于涂层组合物，以质量百分数100％计，其组分包括3％氧化钇粉末、6％铝粉和25％铬粉，余量为in738镍基合金粉末。
50.试验例
51.本试验例提供了实施例和对比例涂层的性能测试结果，具体如下，
52.以未附着涂层的in738镍基高温合金基材作为对照组，将各实施例和对比例堆焊得到的附着有涂层的基材切成30mm
×
30mm
×
20mm的试样，对试样进行抗热熔盐腐蚀性和抗高温氧化性测试，具体包括，
53.抗高温熔盐腐蚀性的测试方法：配置质量比为75:25的na2so4与nacl的腐蚀剂溶液，腐蚀剂溶液中na2so4与nacl的总浓度为1.5mg/cm3，取相同用量的腐蚀剂溶液，分别将其用滴管均匀涂覆在各实施例、对比例和对照组的涂层试样表面，吹风机吹干，然后将各实施例、对比例和对比组的试样均放入900℃马弗炉中进行腐蚀试验，保温50min后取出，空冷10min后称重，此为一个循环，共重复此循环30次。测量并记录每次循环后试样增重，并对获得的数据进行换算得出单位面积腐蚀增重量，绘制出腐蚀动力曲线，分析评估涂层对基材合金的保护作用，结果见图1；其中，增重越大，抗高温熔盐腐蚀性越差。
54.抗高温氧化性的测试方法：将各实施例、对比例和对照组的试样放入900℃马弗炉中进行高温恒温氧化试验，氧化500h，测量并记录氧化增重，结果见图2；其中，增重越大，抗高温氧化性越差。
55.通过图1和图2的结果来看，本发明提供的涂层组合物具有较好的抗氧化性和抗热熔盐腐蚀性，尤其是当涂层组合物包括0.8％氧化钇粉末、12％铝粉、8％铬粉和79.2％in738镍基合金粉末的方案得到的涂层的效果最优。
56.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。