汽轮机部件渗硼层耐固体颗粒冲蚀性能研究

2014-04-21徐佰明赵旭红于洋张瑞武

机械工程师 2014年2期

徐佰明，赵旭红，于洋，张瑞武

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046）

0 引言

汽轮机尤其是超临界以上汽轮机的高温通流部分如高、中压喷嘴、动叶片等经常会受到固体颗粒损伤。固体粒子侵蚀（Sdid Partide Erosion，SPE）主要是指从锅炉的过热器、再热器及主蒸汽和再热蒸汽管的内表面脱落下的坚硬的氧化铁颗粒，随同蒸汽一同进入汽轮机，侵蚀通流部分，使之产生机械损伤，造成汽轮机机组效率和安全可靠性能降低，压力和温度越高，这一问题越严重［1－2］。随着汽轮机工作参数的提高，蒸汽管道中的固体颗粒增多，为抵抗固体颗粒对机组通流表面的冲蚀破坏，延长机组使用寿命，须对通流部件表面进行强化处理，国外大多采用较高硬度的表面渗硼层、热喷涂涂层等有效抵抗固体颗粒的冲蚀［3］。GE 公司［2］以及西屋公司［3］均采用表面渗硼处理增加零件耐固体颗粒侵蚀。因此研究渗硼层耐固体颗粒侵蚀性能是非常有意义的。

渗硼是一种在表面处理中应用较为广泛的强化方法［4］。主要方法有固体渗硼、液体渗硼、气体渗硼、电解渗硼和等离子渗硼等［5］。本文采用固体渗硼法制备渗层，研究了不同温度、颗粒速度、冲击角度下渗硼层的磨损率，分析了不同参数对渗硼层性能的影响。

1 试验

1.1 基材及处理

基体采用2Cr10MoVNbN，样品为60mm×70mm×6mm的方形试样。试样表面经去氧化皮、磨光处理。渗硼剂自制，具体成分质量分数见表1。渗硼工艺为：待渗硼的零部件除锈后，使用无水乙醇除去油污，清理干净并干燥后放入装满渗硼剂的容器中，使渗硼剂完全充满整个容器，压实入炉，待炉温升到1 000℃，保温10 h后出炉空冷。

表1 渗硼剂成分质量分数%

1.2 固体颗粒侵蚀试验参数

气流速度范围：300m/s，600m/s；固体颗粒速度：210m/s，420 m/s（准确数据取决于上述气流速度的大小）；温度：600℃，620℃；固体颗粒尺寸：10～150 μm；粒子撞击角度：18°，24°，30°，36°，45°，60°，75°，90°。

2 结果与讨论

2.1 渗硼层显微组织

渗硼层的显微组织如图1所示。从图中可看出，渗硼层由白亮层和黑白相间的过渡区组成，XRD衍射图谱说明渗硼层主要是由Fe2B组成。硼元素在表层部位含量最高并保持稳定的Fe2B相，在过渡区含量降低。这是由于过渡区的硼元素质量分数较低，未能达到8.8%，形成Fe2B相，这时硼元素固溶于基体材料中。

2.2 固体颗粒侵蚀

从图2（b）可以得知，母材最大磨损率对应的冲击角度在22°左右，表现出典型塑性材料的磨损特性，其最大磨损率约为90°冲击角时的4～6倍（低速约为4倍、高速约为6倍），温度对母材磨损率的影响很小，尤其是210 m/s的时候，几乎完全重合。从图2（a）可以看到，渗硼涂层在两种温度和两种速度下其磨损率都随冲击角度的增大先增加后减少，最大磨损率对应的角度为75°，说明渗硼涂层主要表现为脆性材料的磨损特性，但不属于典型的脆性材料磨损特性。从图中还可看到，随温度的增加渗硼涂层的磨损率稍有增加，但温度的影响仍很小。此外，相同温度和相同角度的情况下，气流速度为420 m/s时的磨损率为210 m/s时磨损率的4～12倍。

图1 渗硼层显微组织及XRD衍射图谱

图2 渗硼涂层和基材在两种温度和两种粒子速度下磨损率随角度的变化

2.3 表面冲蚀磨损形貌

从图3（b）可知，在冲击角度为18°时，母材的塑性变形非常严重，由于受冲击粒子的切应力作用，产生了非常明显的犁削现象，表面非常不平整。渗硼层主要由Fe2B和FeB两项硼化物组成，一般钢件渗硼后的金相组织自表面到心部，随着硼浓度的减少依次主要为FeB、Fe2B、扩散层（过渡层）和基体。Fe2B的脆性比FeB的脆性要小些。然而冲击角度为75°时试件表面因冲击主要受法向的正应力，消耗掉FeB为主的最表层，次表层则是Fe2B最多，Fe2B的脆性远没有FeB的高，而这时又存在切应力，故相对塑韧性较好的Fe2B也会有磨损，而90°时Fe2B的磨损量远没有75°的高，90°的磨损主要是FeB的磨损损失。