燃機壓氣機導葉軸用鋼化學鍍Ni-P合金

余沛坰，劉中華，鄧喆，藍吉兵，隋永楓，何成

（杭州汽輪機股份有限公司先進動力研究院，浙江 杭州 310022）

燃氣輪機在運行過程中存在升轉(zhuǎn)速、升負荷、滿負荷、停機等多種運行工況，需要頻繁調(diào)整壓氣機的可調(diào)進口導葉片角度來調(diào)節(jié)進氣流量和氣流角，以匹配不同工況，從而達到保障機組安全運行和提高運行效率的目的。在頻繁調(diào)整進口導葉片角度的過程中，導葉軸與軸套接觸并往復摩擦，溫度高達200 °C。導葉軸在長期工作過程中極易卡澀、磨損甚至變形，導致機組可調(diào)性差，效率降低，甚至被迫停機，造成較大的經(jīng)濟損失。因此，除了具備一般導葉材料較好的力學性能外，導葉軸部分還應具備較好的耐磨性。某燃機壓氣機可調(diào)進口導葉片由馬氏體耐熱不銹鋼12Cr12Mo制成，其力學性能優(yōu)異，但耐磨性不足，需對導葉軸進行表面強化處理，以提升耐磨性，從而延長可調(diào)進口導葉片的使用壽命。化學鍍在機械、航空航天、汽車等領域應用廣泛，可有效提高零部件表面的耐磨性[1-5]，但有關化學鍍在燃氣輪機上的研究和應用鮮有報道。本文在燃機壓氣機可調(diào)進口導葉軸12Cr12Mo鋼基體上通過化學鍍得到耐磨的Ni-P合金鍍層，分析了鍍層形貌，并研究了熱處理溫度對Ni-P合金鍍層組織、顯微硬度和耐磨性的影響。

1 實驗

1.1 化學鍍Ni-P合金工藝

利用燃機壓氣機導葉用鋼12Cr12Mo作為基體，用于厚度、組織、成分和顯微硬度測試的試樣尺寸為50 mm × 50 mm × 5 mm，用于微動摩擦磨損試驗的摩擦盤試樣的直徑和厚度分別為24 mm和7.88 mm。

化學鍍工藝流程為：噴砂→化學除油→水洗→電解除油→水洗→酸洗→水洗→閃鍍Ni→水洗→去離子水洗→化學鍍Ni-P→水洗→去離子水洗→干燥→熱處理。

鍍液組成和工藝條件為：NiSO4·6H2O 120 g/L，NaH2PO2·H2O 29 g/L，Na3C6H5O7·6H2O 40 g/L，H3BO333 g/L，CH4N2S(硫脲)1.5 mg/L，pH 4.5 ～ 4.8，溫度88 ～ 92 °C。

熱處理在真空爐中進行，溫度為200、300、400或450 °C，保溫時間1 h。

1.2 性能測試

采用德國布魯克D8 DISCOVER型X射線衍射儀(XRD)分析物相組成。采用日本電子JSM-6940LV型掃描電鏡(SEM)和牛津LINK-ISIS 6587型能譜儀(EDS)分析鍍層厚度、組織及成分。利用FLC-50MV型顯微硬度計測量鍍層的顯微硬度，載荷30 g，加載時間5 s，每個試樣測試5個不同位置，取平均值。

高溫微動摩擦磨損試驗在德國SRV型微動摩擦磨損試驗機上進行，摩擦副為軸套用材質(zhì)Stellite 6，采用線接觸、干摩擦模式，載荷50 N，行程1.1 mm，往復頻率30 Hz，溫度150 °C，時間1 h。檢測了不同試樣的摩擦因數(shù)(μ),采用美國AEP NanoMap-D三維表面輪廓儀觀察試樣的磨損形貌，并用感量為10-5g的分析天平稱量試樣磨損前、后的質(zhì)量m0和m1，按式(1)計算質(zhì)量磨損率(K)。

2 結果與討論

2.1 Ni-P合金鍍層的形貌

由圖1可知，所得Ni-P合金鍍層表面均勻、致密而光潔，無點坑、起泡、剝落、球狀生長物、裂縫等缺陷，無漏鍍現(xiàn)象。鍍層厚度約為18 μm，在Ni-P合金鍍層與基體之間有明顯的白色過渡閃鍍Ni層，厚度約0.2 μm，鍍層整體與基體結合良好，無裂紋、孔隙等缺陷。

圖1 化學鍍Ni-P合金鍍層的外觀(a)、表面形貌(b)和截面形貌(c) Figure 1 Appearance (a), surface morphology (b), and cross-sectional morphology (c) of electrolessly plated Ni-P alloy coating

2.2 Ni-P合金鍍層的組織結構

從圖2a可以看出，鍍態(tài)Ni-P合金僅在2θ為45°附近出現(xiàn)較明顯的寬底漫散衍射峰[6]，表明鍍態(tài)Ni-P合金以非晶態(tài)結構為主。如圖2b所示，在200 °C下熱處理1 h后鍍層有向晶態(tài)結構轉(zhuǎn)變的趨勢，XRD譜圖上除了出現(xiàn)Ni的特征峰外，還出現(xiàn)了Ni5P4的衍射峰。在300 °C下熱處理后，Ni-P合金鍍層顯著晶化，出現(xiàn)了較多的Ni5P4亞穩(wěn)定相。熱處理溫度增大至400 °C時，Ni5P4峰消失，轉(zhuǎn)變?yōu)镹i3P穩(wěn)定相；繼續(xù)增大熱處理溫度到450 °C時，Ni-P合金鍍層的衍射峰呈現(xiàn)峰寬小、強度高的特征，表明隨著大量穩(wěn)定Ni3P相的析出，化學鍍Ni-P合金鍍層結構由以非晶體為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐晕⒕B(tài)為主。

圖2 鍍態(tài)(a)和不同溫度熱處理后(b)Ni-P合金鍍層的XRD譜圖 Figure 2 XRD patterns of Ni-P alloy coatings before (a) and after (b) heat treatment at different temperatures

2.3 Ni-P合金鍍層的顯微硬度

鍍態(tài)Ni-P合金鍍層的顯微硬度為550 HV，顯著高于基體的顯微硬度(245 HV)。由圖3可知，經(jīng)不同溫度熱處理后Ni-P合金鍍層的顯微硬度得到不同程度的提高。隨熱處理溫度升高，Ni-P合金鍍層的顯微硬度逐漸增大，并且增幅變大。熱處理溫度為400 °C時鍍層的顯微硬度最高，達到916 HV。繼續(xù)增大熱處理溫度至450 °C時，鍍層的顯微硬度反而下降。顯微硬度的這些變化可能與鍍層的微觀組織有關[7]。

圖3 不同溫度熱處理后鍍層試樣的顯微硬度 Figure 3 Microhardness of coating after heat treatment at different temperatures

2.4 Ni-P合金鍍層的耐磨性

從表1可知，12Cr12Mo合金表面化學鍍Ni-P合金后耐磨性得到改善。在200 °C下熱處理后，Ni-P合金鍍層的耐磨性變化不大。隨著熱處理溫度升高，Ni-P合金鍍層的摩擦因數(shù)和磨損率都先減小后增大，在熱處理溫度為400 °C時耐磨性最好，與鍍層顯微硬度的變化趨勢很好地吻合。這是因為材料的耐磨性與硬度有關，適當提高硬度有利于改善耐磨性。

表1 化學鍍Ni-P合金鍍層的摩擦磨損性能 Table 1 Friction and wear properties of electrolessly plated Ni-P alloy coatings

從圖4可以看出，12Cr12Mo合金鋼和經(jīng)400 °C熱處理的Ni-P合金的磨損機制都為典型的粘著磨損和磨粒磨損，都出現(xiàn)了明顯的磨削犁溝，犁溝表面分布著大小不等的結疤和磨削顆粒，存在不同程度的磨屑脫落現(xiàn)象。12Cr12Mo合金鋼的平均犁溝寬度和深度分別約為2.00 mm和38.70 μm，經(jīng)400 °C熱處理的Ni-P合金鍍層的平均犁溝寬度和深度分別約為1.00 mm和26.60 μm，整體較窄、較淺。在一定載荷的作用下，摩擦副與試樣表面緊密貼合，但真正的接觸點主要在少數(shù)微凸點上，因而產(chǎn)生了較大的應力。對于空白基體而言，在滑動過程中摩擦副的推擠作用使基體中硬度較低的組織發(fā)生塑性變形直至被破壞，硬質(zhì)相則破碎和脫落。 經(jīng)400 °C熱處理的Ni-P合金鍍層硬度較高，摩擦副難以與之緊密貼合，磨損過程中發(fā)生大面積塑性變形和硬質(zhì)顆粒脫落的情況也就較少，最終顯示出優(yōu)異的耐磨性。

圖4 12Cr12Mo合金鋼(a)和經(jīng)400 °C熱處理的Ni-P合金鍍層(b)的三維磨損形貌 Figure 4 Three-dimensional morphologies of worn 12Cr12Mo steel (a) and Ni-P alloy coating heat-treated at 400 °C (b)

3 結論

(1) 在燃機壓氣機導葉軸用鋼12Cr12Mo基體表面化學鍍，所得Ni-P合金鍍層與基體緊密結合，無裂紋、孔隙等缺陷。

(2) 對Ni-P合金鍍層進行熱處理能夠提高鍍層的顯微硬度和耐磨性。在400 °C下熱處理1 h后，Ni-P合金鍍層由非晶態(tài)結構轉(zhuǎn)變?yōu)橐訬i3P穩(wěn)定相為主的晶體結構，其顯微硬度高達916 HV，耐磨性最好。