某型舰辅汽轮机转子汽封轴颈磨损改性修复及其摩擦磨损性能研究

2011-07-30苏新勇刘基凯杨秀红

中国修船 2011年5期

苏新勇，刘基凯，杨秀红

(青岛前进船厂，山东青岛 266001)

某型舰自2006年10月服役以来，部分辅汽轮机转子汽封轴颈存在磨损严重、原镀铬层脱落等现象，造成密封失效。汽轮辅机是以蒸汽为动力吹动汽轮机转子叶片来实现做功，蒸汽做功后剩余的废汽则通过废汽管排出。为了防止蒸汽从机体内泄漏出来，在汽轮机转子靠近叶轮处设置了汽封。理想状态下，炭精密封环与轴颈有一定的间隙，炭环与轴颈的冷态直径间隙为0.05～0.10 mm。但在实际运行中，汽轮机转子在转动的过程中会有一定的跳动量，转子轴颈和炭精密封环总是有摩擦的，并导致轴颈表面磨损，间隙增大，蒸汽泄漏，影响整机运行的技战术性能。基于这一情况，为提高汽封轴颈表面的耐磨耐腐性，生产厂家在新品制造时，对汽封轴颈表面采取了电镀硬铬的强化处理措施。但经运行实践检验，电镀硬铬层难以满足该工况要求。而采用超音速火焰喷涂技术制备WC－12Co功能涂层，对原设计为电镀硬铬的表面进行改性修复，取得了十分满意的效果。

1 试验条件及研究方法

1.1 试件加工及涂层制备

按GB/T 12444－2006《金属材料磨损试验方法试环－试块滑动磨损试验》制备试环和试块。

试环基体材料为45#钢，采用KY－HVO/AF多功能超音速火焰喷涂系统在外环面制备WC－12Co涂层，喷涂工艺参数如表1所示，制备的涂层经金刚石砂轮磨削后厚度为0.35 mm。对比试环基体材料为45#钢，外环面电镀硬铬磨削后镀层厚度为0.15mm。试块材质为炭精 (与实舰使用的密封环材质相同)，试环和对比试环各2件，试块4件。

表1 多功能超音速火焰喷涂WC－12Co涂层工艺参数

1.2 试验方法

1)试验设备。采用MRH－3型数显式高速环块磨损试验机进行试环－试块滑动磨损试验;采用精度为0.1 mg的Fa－1104电子分析天平对试验前后的试环和对比试环称重;采用XJP－6/6A金相显微镜观察WC－12Co涂层截面形貌;采用HVS－1000型数字显微硬度计测定WC－12Co涂层显微硬度，测试载荷为300 g。

2)试验方法。磨损试验采用干摩擦磨损方式，试验原理如图1所示。设定试环转速为1 400 r/min，试块保持静止。试验中载荷为20 N和100 N，每间隔1 min记录一次摩擦力的大小。

图1 试验中摩擦副接触示意图

根据如下公式计算摩擦因数:

式中，f为摩擦力大小，N;F为载荷大小，N。

对试环和对比试环分别进行上述干摩擦试验。在磨损试验前后，将试环先用三氯乙烷，再用甲醇清洗，清洗后在60℃下进行2 h烘干，放入干燥器中，2 h后立即进行称重。

2 试验结果及讨论

2.1 涂层组织及硬度

图2为WC－12Co涂层的截面形貌。由图2可见，制备的涂层无明显裂纹、孔洞等缺陷，涂层与基体结合良好，界面无明显缺陷。表2为WC－12Co涂层和电镀硬铬的显微硬度测试结果。由表可知，WC－12Co涂层的平均显微硬度是电镀硬铬的1.5倍以上。这是因为超音速火焰喷涂射流速度较高，颗粒具有较高的飞行速度和较低的火焰温度，在喷涂过程中能有效抑制WC的分解，提高了涂层的硬度，与电镀硬铬相比，WC－12Co涂层抗疲劳强度性能更优。

图2 WC－12Co涂层截面形貌

表2 显微硬度测试结果 HV0.3

2.2 磨损量

表3为试环磨损失质量和试块体积磨损量，由表3可知，载荷为20 N时，经1.5 h摩擦磨损后，电镀硬铬试环的磨损失质量为WC－12Co涂层3倍，试块的磨痕体积相差不多;载荷为100 N时，经1.5 h摩擦磨损试验后，电镀硬铬试环的磨损失质量为WC－12Co涂层的4倍，试块磨痕体积差别较大。

表3 摩擦磨损试验结果

由此可见，与电镀硬铬相比，超音速火焰喷涂WC－12Co涂层的耐磨性明显优于电镀硬铬层，这主要是因为WC－12Co涂层由粘结相Co和硬质相WC组成，软的粘结相容易被切削，而涂层中的WC硬质陶瓷相可抵抗摩擦过程中的微切削作用。此外，超音速火焰喷涂具有较低的火焰温度和较高的焰流速度，因而涂层致密，不易造成应力集中，减少了涂层层片整体剥落的可能性，涂层磨损质量损失较小。

2.3 磨损表面形貌

图3为载荷100 N，时间为1.5 h的试验条件下，WC－12Co涂层和电镀硬铬摩擦试验后照片，由图3(a)可以看出，WC－12Co涂层表面存在粒子剥落，未出现大面积剥落，由此引起的划痕较浅，表明WC－Co涂层与炭精摩擦时以接触疲劳为主，伴随轻微的磨粒磨损;由图3(b)可以看出，电镀硬铬表面产生较深犁沟并存在大面积剥落现象，表明电镀硬铬与炭精接触摩擦形成两体磨粒磨损。在磨损过程中，试环受到炭精试块正压力的持续作用，损失质量逐渐增大;在磨粒磨损过程中，WC－12Co涂层硬度高，可以显著阻挡炭精对其产生切削作用，而电镀硬铬硬度较低，因此在磨削过程中，电镀硬铬的质量损失明显高于WC－12Co涂层的质量损失。

图3 试环磨粒磨损后照片

2.4 摩擦因数

图4为载荷为20 N和100 N时WC－12Co涂层与电镀硬铬层摩擦因数随时间变化关系。从曲线可以看出，载荷为20 N时摩擦磨损过程经过2个阶段，在10 min内摩擦因数迅速增加并稳定在一定范围 (WC－12Co涂层摩擦因数稳定在0.15左右;电镀硬铬层摩擦因数稳定在0.26左右)。这主要是因为WC－12Co涂层中的粘结相Co硬度较低，与炭精摩擦过程中容易发生塑性变形，炭精颗粒压入涂层表面产生犁削作用，同时摩擦副两个相互接触表面较为不平整，存在某些突峰或较大的形貌起伏，摩擦过程的前10 min内需先将这些不平整部位磨平，因此摩擦因数迅速增加;10min后由于两个相互接触表面相对磨平，同时磨损产生的部分粉末进入摩擦副，起到一定的润滑作用，磨损程度减小，摩擦因数也趋于稳定，但因摩擦副中炭精硬度很低，摩擦过程中随着磨损量的增加，表面磨痕加深，接触面积增大，因此造成摩擦力逐渐增大，从曲线上看即为摩擦因数略有增大;稳定后WC－12Co涂层的摩擦因数远小于电镀硬铬，这对摩擦条件下延长涂层的使用寿命有利。

图4 不同载荷下WC－12Co涂层和电镀硬铬层摩擦因数随时间变化关系

载荷为100 N时WC－12Co涂层与电镀硬铬层干摩擦磨损过程都分为3个阶段。摩擦因数先增大再减小，最后趋于稳定。WC－12Co涂层摩擦因数20 min后趋于稳定，电镀硬铬层摩擦因数30 min后趋于稳定。这主要是因为WC－12Co涂层中硬度较高的陶瓷相WC和软的粘结相Co，能够较快地与炭精完成磨合，进入稳定磨损阶段。从曲线还可以看出，WC－12Co涂层趋于稳定后摩擦因数在0.35左右，几乎保持稳定不变，而电镀硬铬层的摩擦因数波动范围较大。这也表明在稳定磨损阶段WC－12Co涂层比电镀硬铬更有利于延长涂层的使用寿命。

3 典型应用实例

某舰于2010年进行首次坞修，维修中发现，该舰辅汽轮机5台给水泵汽轮机转子和3台鼓风机转子的汽封轴颈表面磨损严重，原镀铬层发生脱落、基材出现麻点状腐蚀凹坑导致汽封面失效，经专家组讨论通过，决定采用自主开放的“超音速火焰喷涂取代电镀硬铬技术”，对该舰汽轮机转子进行改性修复，取得了十分满意的效果，解决了工程中的燃眉之急。该成果填补了海军装备维修保障领域的空白，技术水平国内领先，用于改性修复汽轮机转子汽封轴颈，可大大提高汽轮机转子的技战术性能，从而延长其使用寿命。