[发明专利]一种蒸汽轮机高中压内缸抗蒸汽氧化涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种蒸汽轮机高中压内缸抗蒸汽氧化涂层及其制备方法。该制备方法可以在匹配蒸汽轮机高中压内缸材质及部件热处理工艺的基础上，在高中压内缸内壁形成由Fe₂Al₅相和FeAl相组成抗高温蒸汽氧化涂层，从而实现抗高温蒸汽氧化的目的。本发明操作简单、方便，涂层制备过程无需特殊设备与气氛保护，适用于ZG25、ZG35、ZG20CrMoV及ZG15CrMo系列及ZG1Cr10MoWVNbN等铸钢材质的汽轮机高中压内缸，施加涂层后的高中压缸具有极低的氧化速率，在650℃、饱和蒸汽环境中的1000h氧化增重小于0.1mg/cm²，在此条件下达到了完全抗氧化级。

技术领域

本发明属于火电机组部件制造领域，具体涉及一种蒸汽轮机高中压内缸抗蒸汽氧化涂层及其制备方法。

背景技术

汽缸是汽轮机的外壳，其作用是将汽轮机的通流部分与大气隔开，形成封闭的汽室，保证蒸汽在汽轮机内部完成能量的转换过程。汽缸内安装着喷嘴室、隔板、隔板套等零部件，汽缸外连接着进汽、排汽、抽汽等管道，是主蒸汽进入汽缸的最初阶段，此时的蒸汽压力大，温度高。目前，火电机组汽轮机高中压内缸普遍采用铸钢制造，考虑到大型铸钢件材质多为低碳钢或低合金钢、且制造过程中不可避免的存在晶粒粗大、组织疏松、表面气泡、微孔的缺陷，内缸内壁因与高温蒸汽直接接触，在服役过程中氧化皮问题不可避免。一方面，氧化皮会降低有效壁厚，增大截面载荷，因此在进行强度校核时，许用应力的安全系数不得不适当放大；另一方面，脱落的氧化皮被蒸汽携带冲刷，易损伤汽轮机叶片和隔板部件，带来安全隐患。

在现役600℃超超临界燃煤机组服役过程中，高压内缸的氧化皮厚度可达毫米级。毫无疑问，这大大降低了600℃超超临界火电机组安全运行的可靠性，同时也将限制现役铸钢材料在更高蒸汽参数下的应用，不利于我国目前正在进行的主蒸汽温度为600℃、一次再热蒸汽温度为600℃、二次再热蒸汽温度为620℃、蒸汽压力为30-35MPa的二次再热超超临界燃煤发电技术推广应用工作的开展。因此，解决大型铸钢材质的高中压内缸服役过程中的氧化皮问题，是现役及近未来高参数超超临界火电机组大型铸钢件服役过程中工作的急需。

提高金属的抗氧化性能的一个非常有效的途径就是在金属表面施加适当的涂层。通常涂层都比较薄，可在不影响基体金属其它性能的前提下，保护金属构件在服役环境中不受高温腐蚀的作用。欧洲的“Coatings for Supercritical Steam Cycles(SUPERCOAT)”项目主要采取了在耐热钢表面进行700℃传统热扩散渗铝的方法。但该法温度高且保温时间长达数小时，存在制备效率低、能耗高、成本高等问题。法国科学家在流化床上采取化学气相沉积法于580℃在P92钢表面制备了Al-Si涂层(参见文献：Saúl I. et al.，High performance of Al-Si-CVD-FBR coating on P92 steel against steamoxidation at 650℃:Part 1,Materials and Corrosion,1,(2017))，然而该方法沉积速率低，参加沉积的反应源和反应后的余气易燃、易爆或有毒，仅适合尺寸较小、形状复杂的构件，而不适用于大型构件。国内研究人员也针对锅炉管用钢表面涂层技术进行了探索。中国科学院金属研究所发明了一种大气条件下无保护气氛或保护层的料浆高速渗铝方法(公开号CN103014612A)，在工件表面沉积渗铝料浆后用感应加热或电加热的方式直接对工件进行加热，从而在工件表层制备一定厚度的铝扩散层。但该方法工艺复杂且不适用于形状复杂、尺寸较大的构件。西安热工研究院开发了一种锅炉过/再热器用奥氏体主蒸汽管道表面合金化工艺(公开号CN104372338A)，大幅提高了奥氏体钢的抗蒸汽氧化性能，该工艺需将耐热主蒸汽管道在850-920℃下保温，此温度远高于铁素体-马氏体耐热钢的最终热处理温度(为750-790℃左右，在此温度下可获得最优的微观组织结构和综合性能)。显然，直接将此工艺应用到铁素体-马氏体耐热钢上将破坏其基体金属的微观组织结构从而使得铁素体-马氏体钢的力学性能降低。