[发明专利]一种钛合金叶片的结构化防水蚀层的制备工艺

说明书

技术领域

本发明提供一种钛合金表面激光强化处理工艺，适用于钛合金叶片表面强化，尤其适用于汽轮机末级钛合金叶片的表面抗水蚀强化。

背景技术

随着电站汽轮机大容量化，叶片的安全可靠性和保持高效率显得尤其重要。叶片是汽轮机的关键零件之一。汽轮机末级叶片是汽轮机组中长度最长，重量最大的一组。它在极苛刻的条件下承受高温、高压、巨大的离心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蚀和振动以及湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用。

TC4属α+β系列钛合金，其耐热性、强度、塑性、韧性、成形性均较好，但TC4的硬度比较低，耐磨性比较差，尤其对微动磨损和微动疲劳损伤十分敏感。据报道，钛合金由于微动作用使其疲劳寿命降低高达20%-50%。大型钛合金汽轮机末级叶片(包括次末级)是在湿蒸汽条件下工作的，加之末级动叶叶顶的线速度为超音速，如通用电气762mm的末叶，其叶顶的线速度为581m/s；851mm的末叶，其叶顶的线速度为594m/s；1016mm的末叶，其叶顶的线速度为657m/s。这样对于工作区为湿蒸汽区的钛合金末级叶片的水蚀和水涮更为严重，汽流中携带有大量的水滴，在很高的线速度及离心力作用，在叶片进汽背弧侧靠近叶片顶部常发生汽蚀，致使汽轮机效率降低、动叶强度减弱、振动加剧，直接影响到汽轮机的工作效率及安全运行。

采用传统的钎焊硬质合金片具有较好的抗水蚀效果，但机组高速运转中可能因硬质合金片与叶片基体结合不良，出现硬质合金片脱落，导致恶性质量事故。激光表面处理技术具有冶金结合强度，但较多工艺面临着难以控制光束搭接所产生的裂纹等缺陷，同时由于高能激光束作用的面积和区域连续，热应力较大引起工件形变翘曲。因此，采制备可靠的梯度分布的结构化防水蚀保护层来提高TC4合金表面的抗水蚀能力对于提高钛合金叶片运行的安全性和使用寿命具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛合金叶片的结构化防水蚀层的制备工艺，采用激光结构化氮化处理技术，在钛合金叶片进汽边制备一种具有防水蚀、高硬度、耐磨性的梯度分布的结构化保护层。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种钛合金叶片的结构化防水蚀层的制备工艺，步骤如下：

（1）渗碳处理：采用真空管式炉在固体粉末中掺入稀土元素进行渗碳的方法在钛合金叶片表面制备渗碳层；

（2）激光结构化氮化处理：采用多功能激光发生器对渗碳后的钛合金叶片进汽边背弧进行激光扫描，同心圆内部的圆为激光作用于叶片表面的光斑直径，同心圆之间的间距为其激光作用于叶片表面后对应的热影响区范围，以免激光连续作用之后的热影响区被重复作用，按照此方法设计可得到一种离散的结构化阵列区域，处理后得到离散结构化氮化改性层；

（3）熔凝处理：采用多功能激光器对钛合金叶片离散结构化氮化改性层进行熔凝，获得在沿钛合金叶片轴心层深方向和沿整个钛合金叶片轴径方向的均为梯度分布的表面质量良好的结构化防水蚀保护层。

所述步骤（1）中渗碳前需要对钛合金叶片用乙醇清洗，烘干处理后放入真空管式炉中进行固体渗碳。

所述步骤（1）中的固体粉末为煤粉和碳酸钠，稀土元素是La，其中煤粉占质量总量的90%；碳酸钠占质量总量的9%，稀土元素占质量总量的1%。

所述步骤（1）中的渗碳温度为800℃~1050℃，真空管式炉中通入气体为氩，渗碳时间为8小时。

所述步骤（2）中激光离散结构化氮化层处理中的YAG激光器具体工作参数为电流180A~250A，脉冲频率为5Hz~20Hz，脉宽5ms~20ms，结构化氮化面积=叶片进汽边背弧（约为叶片长度的1/5）×叶片进汽边宽度。

所述的多功能激光发生器为YAG激光器，采用同轴的高纯氮气与氩气的混合气体作为氮化与冷却气源，混合气体的流量为5L/min~40L/min，其中高纯氮气与氩气的流量比为0.5:1~2:1。

所述步骤（2）得到结构化氮化改性层的厚度为0.25mm~0.50mm。

所述步骤（3）采用多功能激光器对叶片结构化氮化层进行熔凝处理时，YAG激光器具体工作参数为电流100A~180A，脉冲频率为5Hz~20Hz，脉宽5ms~20ms。

所述步骤（3）中对钛合金叶片结构化氮化层进行熔凝处理时，所处理的区域面积=离散结构化氮化层区域面积×（101%~120%）。

本发明主要针对钛合金叶片的末级叶片进行结构化防水蚀层的制备。

本发明的有益效果：