蒸汽輪機用NiCrFeAl/hBN可磨耗封嚴涂層可磨耗性研究

唐公民，郭潔，劉建明，高維瑾，張小伍，宮偉興

(1.哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱,150046；2.北京礦冶研究總院,北京,100160)

1 前言

蒸汽輪機是當今世界上最大的發(fā)電類型機組，蒸汽輪機的設(shè)計者和電廠運營商面臨減少CO2排放的巨大壓力。同時不斷上漲的燃料價格和電力運營的可持續(xù)性要求，迫使設(shè)計者和運營商追求更高的效率。作為蒸汽輪機新穎的封嚴技術(shù)之一，可磨耗封嚴涂層在汽輪機高、中、低壓通流部分的應(yīng)用，可以解決汽輪機轉(zhuǎn)動部套 （葉片和轉(zhuǎn)子）與靜子部套之間的密封問題[1]，從而提高機組效率。

采用普通火焰噴涂方法制備NiCrFeAl/hBN可磨耗封嚴涂層，NiCrFeAl/hBN作為可磨耗封嚴涂層材料，其中金屬相NiCrFeAl具有優(yōu)異的耐腐蝕、抗高溫氧化性能，而非金屬相六方氮化硼（hBN）在高溫下化學性質(zhì)穩(wěn)定，并保持較好的自潤滑性[2]，該涂層可在815℃以下長期服役，在蒸汽通流環(huán)境下保持優(yōu)異的可磨耗性和抗沖蝕性。

蒸汽輪機可磨耗封嚴涂層的可磨耗性是指轉(zhuǎn)子汽封齒的齒尖和可磨耗涂層在服役條件下 （高溫高速）相互刮擦作用后，汽封齒與可磨耗涂層之間獲得最小間隙的能力[2]?？赡ズ耐繉拥目赡ズ男圆粌H與涂層本身的性能有關(guān)，還與服役溫度、刮擦線速度、刮擦進給速率、刮擦方式汽封齒材質(zhì)相關(guān)，本文對NiCrFeAl/hBN可磨耗封嚴涂層在上述不同條件下進行刮擦試驗，試驗后通過對刮痕、汽封齒高度損失等分析，表征涂層可磨耗性，對定義可磨耗涂層的硬度區(qū)間以及汽封齒選材等提供有效的依據(jù)，具有重要意義。

2 試驗方法

2.1 高溫高速試驗方法

利用北京礦冶研究總院BKY-HVT300/800高溫高速可磨耗試驗機對NiCrFeAl/hBN涂層試塊進行刮擦試驗[3-4]。試塊尺寸8 mm×40 mm×60 mm，涂層厚度2.0～2.2 mm，試驗機原理簡圖如圖1所示，輪盤載模擬汽封齒及配重件轉(zhuǎn)動，同時火焰加熱涂層試塊，待轉(zhuǎn)盤達到設(shè)定轉(zhuǎn)速 （線速度），同時涂層試塊達到設(shè)定溫度后，進給系統(tǒng)按設(shè)定的進給速率進行刮擦，整個刮擦過程設(shè)備自動記錄受力情況，以及轉(zhuǎn)速、溫度和震動關(guān)系曲線。

圖1 高溫高速可磨耗試驗機原理簡圖

2.2 試驗方案及評價方法

本試驗考察了模擬工況（溫度620℃、線速度210 m/s）條件下，不同涂層硬度[5]、不同刮擦進給速率、不同刮擦方式以及不同汽封齒材質(zhì)對NiCrFeAl/hBN涂層可磨耗性的影響。刮擦試驗后記錄汽封齒刮削前后變化值、刮痕長度和總進給深度等宏觀數(shù)據(jù)值，按式（1）計算汽封齒磨損率IDR值，汽封齒磨損率越高，涂層可磨耗性越差，若刮擦后汽封齒損失高度為0，IDR值為0，涂層可磨耗性最為理想。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 不同刮擦方式可磨耗性結(jié)果分析

不同刮擦方式的可磨耗性試驗參數(shù)如表1所示，涂層相同硬度范圍內(nèi)，模擬工況下進給速率分別為5 μm/s、50 μm/s條件下，不同刮擦方式宏觀數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 不同刮擦方式可磨耗性試驗參數(shù)

表2 不同刮擦方式可磨耗性試驗宏觀數(shù)據(jù)統(tǒng)計

從表2中可以看出，在進給速率為5 μm/s時，縱磨和橫磨方式刮痕長度分別為35.80 mm和41.70 mm，不同刮擦方式可磨耗性試驗試片及汽封齒磨損宏觀形貌如圖2所示，可以看出縱磨刮痕處和汽封齒齒尖都有輕微氧化色，汽封齒高度損失為0.20 mm；而橫磨刮痕處無氧化色，汽封齒齒尖也完好無高度損失，根據(jù)式（1）計算該條件下縱磨和橫磨方式汽封齒磨損率分別為24.05%和0.00%。

圖2 不同刮擦方式可磨耗性試驗試片及汽封齒磨損形貌 （5 μm/s）

從表2中可以看出，在進給速率為50 μm/s時，縱磨和橫磨方式刮痕長度分別為19.10 mm和25.20 mm，圖3中顯示刮痕處和汽封齒齒尖有明顯金屬氧化色，而且汽封齒齒尖有明顯卷曲現(xiàn)象，汽封齒高度損失分別是1.16 mm和0.60 mm，計算汽封齒磨損率分別為85.92%和64.45%。

圖3 不同刮擦方式可磨耗性試驗試片及汽封齒磨損形貌 （50 μm/s）

對于同一種涂層，相同試驗條件下，汽封齒與涂層在不同刮擦方式下，橫磨方式比縱磨方式汽封齒磨損率IDR值低，說明橫磨條件下，涂層可磨耗性略優(yōu)于縱磨。

3.2 不同進給速率可磨耗性結(jié)果分析

不同進給速率的可磨耗性試驗參數(shù)如表3所示，縱磨條件下，涂層相同硬度范圍內(nèi)，模擬工況下進給速率分別為 5 μm/s、 50 μm/s 和 480 μm/s條件下的宏觀數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 不同進給速率條件下可磨耗性試驗參數(shù)

表4 不同刮擦方式可磨耗性試驗宏觀數(shù)據(jù)統(tǒng)計

根據(jù)表4的宏觀數(shù)據(jù)顯示，其他實驗條件相同時， 在 5 μm/s、 50 μm/s和 480 μm/s 的刮擦進給速率下，刮痕深度分別是0.67 mm、0.22 mm和0.19 mm，汽封齒高度損失分別是0.87 mm、1.35 mm和1.86 mm，計算得出汽封齒磨損率IDR值分別為23.03%、85.82%和88.17%。進給速率5 μm/s時，IDR值為23.03%，涂層的可磨耗性較好，進給速率增加到50 μm/s時，IDR值為85.82%，涂層可磨耗性明顯下降，進給速率再增加到480 μm/s時，IDR值為88.17%，涂層可磨耗性比50 μm/s時稍有下降。

圖4 不同進給速率可磨耗性試驗試片及汽封齒磨損形貌

圖4顯示，進給速率為5 μm/s時，涂層對磨刮痕細而長，而50 μm/s和480 μm/s的進給速率下刮痕短而寬，且氧化色更加明顯，汽封齒磨損更加嚴重。

圖 5 5 μm/s、50 μm/s和 480 μm/s進給速率下汽封齒受力情況

如圖5所示，分析不同進給速率下可磨耗性試驗過程中汽封齒受力情況，摩擦過程中切向力大于正壓力，隨著進給速率的增大最大切向力和最大正壓力增大，進給速率為50 μm/s，比5 μm/s條件下切向力和正壓力明顯增大，最大切向力由70.8 N增大到493.16 N，最大正壓力由43.95 N增大到267.58 N， 進給速率為480 μm/s， 比50 μm/s條件下受力略有增大，受力變化趨勢與IDR值變化趨勢相同。

在較高的刮擦線速度下 （210 m/s），刮擦過程中產(chǎn)生大量的摩擦熱，導致汽封齒齒尖位置溫度急劇上升，局部溫度遠超過620℃的試驗溫度，高溫使葉片軟化，強度降低，發(fā)生卷曲。摩擦熱產(chǎn)生的量隨著刮擦進給速率的增大而增大，同時轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈，汽封齒單次刮擦涂層的深度增加，故摩擦過程中刮削功增大，造成葉片磨損隨著進給速率的增大而更加嚴重。

3.3 其他可磨耗性試驗結(jié)果分析

相同的分析方法，對不同汽封齒材質(zhì)、不同涂層硬度的條件下進行了刮擦試驗，經(jīng)分析不同試驗條件下的宏觀數(shù)據(jù)并計算IDR值，并分析刮擦過程受力情況，得到如下分析結(jié)果：

（1）在其他試驗條件相同時，材質(zhì)為1Cr13（馬氏體不銹鋼）和06Cr19Ni10（奧氏體不銹鋼）的汽封齒與可磨耗涂層對磨刮擦，IDR值相當，涂層可磨耗性相當。

（2）其他試驗條件相同時，在5 μm/s的刮擦進給速率時，涂層硬度為HR15Y52-54的涂層IDR值為0.00，硬度為HR15Y61-62的涂層IDR值為23.03%，隨著涂層硬度升高涂層可磨耗性降低；在50 μm/s的刮擦進給速率時，涂層硬度為HR15Y52-54的涂層IDR值為67.63%，硬度為HR15Y61-62的涂層IDR值為85.92%，IDR值均較大，涂層可磨耗性均較差。

4 結(jié)論

（1）其他試驗條件相同時，橫磨方式比縱磨方式汽封齒磨損率IDR值低，說明橫磨條件下，涂層可磨耗性略優(yōu)于縱磨。

（2）其他實驗條件相同時，在較小的刮擦進給速率時 （5 μm/s），涂層的可磨耗性較好；刮擦進給速率提高到50 μm/s時，涂層可磨耗性顯著降低，刮擦進給速率從50 μm/s升至480 μm/s，涂層可磨耗性略有降低。

（3）在5 μm/s的刮擦進給速率時，隨著涂層硬度升高，IDR值升高，涂層可磨耗性降低；在50 μm/s的刮擦進給速率時，無論涂層硬度高低，IDR值均較大，可磨耗性均較差。

（4）在其他實驗條件相同時，材質(zhì)為06Cr19 Ni10和1Cr13的汽封齒與可磨耗涂層對磨刮擦，IDR值相當，涂層可磨耗性相當。