一種葉片表面修復的復合梯度涂層及其制備方法

一種葉片表面修復的復合梯度涂層及其制備方法
【專利摘要】一種葉片表面修復的復合梯度涂層及其制備方法，包括經真空釬涂的底層和面層；且底層形成于待修復葉片表面，面層形成于底層表面；其中，所述底層的材料包括NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末；面層的材料包括NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末。將NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末和粘合劑混合，形成底層料漿，然后將NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末和粘合劑混合，形成面層料漿，將底層料漿涂敷于待修復葉片上，使葉片上的凹坑填平形成底層，干燥后在底層上涂敷面層料漿，并干燥，最后真空釬涂，得到復合梯度涂層。本發明不僅可以恢復損傷葉片的外形尺寸，還可獲得高結合強度的耐磨、耐蝕和抗疲勞功能涂層。
【專利說明】一種葉片表面修復的復合梯度涂層及其制備方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于葉片再制造領域，具體涉及一種葉片表面修復的復合梯度涂層及其制 備方法。

【背景技術】
[0002] 鋼鐵冶煉廠高爐尾氣余熱余壓回收發電透平裝置關鍵部件葉片，其基體材料為不 銹鋼，經過鍛壓、熱處理、機械加工成形。因葉片長期處于高爐尾氣中工作，通常情況下要經 受高溫高壓氣流作用，其中含有水蒸氣、氧化性和腐蝕性介質，以及固體粉塵顆粒，高爐尾 氣呈紊流多角度（〇?90° )劇烈地沖擊葉片，另外葉片受到高頻率的振動及扭矩，在這些 因素的共同作用下，葉片表面出現裂紋、銹蝕、表層剝落和凹坑，甚至葉片斷裂。
[0003] 對早期失效葉片的修復，現有的方法主要有熱噴涂、堆焊、激光熔覆及等，這些方 法各自具有特點。
[0004] 如熱噴涂涂層呈層狀結構，存在著一定量的氧化物夾雜、氣孔、裂紋，結合力較差。 堆焊法用于較厚的堆焊層，但受熱不均勻，易產生組織應力及熱應力，不同程度地存在氧 化，燒損和裂紋等問題，并且從工藝上很難以控制。
[0005] 目前研究最多的是激光熔覆。在激光熔覆過程中，涂層因急劇加熱并急劇冷卻易 產生的熱應力易導致裂紋和涂層剝落。另外，對于大面積激光重熔時，由于激光光斑面積 小，必須采用多次搭接技術或大面積光斑技術。多次搭接時，每個相鄰掃描帶存在一個重合 區，因此各區域顯微硬度值是波動的；從金相組織上看，搭接涂層在整體上呈波浪形變化。 對大面積光斑技術而言，當輸出功率一定時，光斑面積越大，功率密度越低；增大光束直徑， 就會削弱激光的高能密度和超快速加熱優勢。如葉片采用激光熔覆方法來修復，從生產效 率、成本分析對企業也是難以接受的。


【發明內容】

[0006] 本發明的目的在于提供一種葉片表面修復的復合梯度涂層及其制備方法，該復合 梯度涂層能夠與基體材料熱性能匹配，并能滿足基材熱處理要求，具有高結合強度、耐磨、 耐蝕及抗疲勞，其制備方法工藝參數精確可控，質量批次穩定，特別適用批量生產。
[0007] 為了達到上述目的，本發明葉片表面修復的復合梯度涂層，包括經真空釬涂的底 層和面層；且底層形成于待修復葉片表面，面層形成于底層表面；其中，所述底層的材料包 括NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末；面層的材料包括NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末。
[0008] 所述的NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末以重量百分比計，包括60 %?80 %的Ni, 7%?17%的 Cr，0. 2%?L 1%的 C，L 5%?4. 0%的 Β，2· 0%?5. 0%的 Si,彡 5%的 Fe, 總重量百分比為100%。
[0009] 所述的NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末，按重量百分比計，包括60 %?80 %的Ni, 7%?18. 5% 的 Cr，0. 5%?3. 0% 的 Cu, L 0%?3. 0% 的 Μο,0· 2%?L 0% 的 Nb，0. 2%? 0· 5% 的 C，L 5%?3. 8% 的 Β，2· 0%?4. 5% 的 Si,彡 5% 的 Fe，0. 25%?0· 5% 的 RE，總重 量百分比為100%。
[0010] 所述的NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末和NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末的粒度均為 150 ?300 目。
[0011] 一種所述的葉片表面修復的復合梯度涂層的制備方法，包括以下步驟：
[0012] 1)對待修復葉片表面進行清洗、除油除銹；
[0013] 2)向NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末中加入粘合劑，攪拌成底層料漿；然后將底層 料漿涂敷在待修復葉片表面的凹坑型面上，填平凹坑，形成底層料漿覆層，接著烘干并修 型，在待修復葉片表面上得到底層；
[0014] 3)向NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末中加入粘合劑，攪拌成面層料漿；然后將面層料 漿涂敷于底層表面，得到面層料漿覆層，接著烘干并修型，在底層表面得到面層；
[0015] 4)將涂敷好底層和面層的葉片進行真空釬涂，然后轉移至冷室進行冷卻。
[0016] 5)整修型面，得到葉片表面修復的復合梯度涂層。
[0017] 所述的底層料漿和面層料漿中粘合劑的質量分數均為3%?10%。
[0018] 所述的粘結劑包括聚乙烯醇縮丁醛、聚甲基丙烯酸甲酯或松節油。
[0019] 所述的步驟1)中底層料漿覆層的厚度為100?150 μ m，步驟2)中面層料漿覆層 的厚度為200?300 μ m。
[0020] 所述的步驟1)和步驟2)中底層料漿覆層和面層料漿覆層烘干溫度為80? 160°C，烘干時間為1?3h。
[0021] 所述的步驟3)中真空釬涂的工藝參數如下：真空度為1?0. OlPa，升溫速率為 5?10°C /min，加熱溫度為1050?1080°C，保溫時間為5?15min。
[0022] 與現有技術相比，本發明的有益效果在于：
[0023] 本發明根據葉片服役工況，針對葉片失效特征，提供一種與基體材料熱性能匹配， 并能滿足基材熱處理規范的具有高結合強度、耐磨、耐蝕及抗疲勞的復合梯度涂層。該復合 梯度涂層采用真空釬涂技術制備而成，因在真空狀態下進行釬涂，涂層中的低熔點合金熔 化后對待修復件的表面、孔隙及裂紋浸潤性、鋪展性、填縫能力更強，在毛細作用下滲透到 縫隙中，因此，本發明能夠使待修復葉片表明的凹坑、孔隙、微裂紋愈合。涂層與基體界面 通過元素互擴散形成冶金結合，使涂層的結合強度大大提高。本發明所采用的真空釬涂是 在真空爐中整體加熱，采用的溫度較低且均勻，獲得的涂層及基體組織均勻，熱應力小，涂 層不易產生變形或開裂，有效阻止了腐蝕介質的傳輸通道，從而提高抗蝕能力。真空釬涂工 藝參數精確可控，質量批次穩定，特別適用批量生產，這些優點是其它修復方法所無法比擬 的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1是本發明復合梯度涂層的顯微結構SEM圖；其中，A為基體，B為復合梯度涂 層。

【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0026] 參見圖1，本發明為恢復失效葉片尺寸并提高其性能，主要根據葉片服役工況，針 對葉片失效特征，提供一種與基體材料熱性能匹配，并能滿足基材熱處理規范的具有高結 合強度、耐磨、耐蝕及抗疲勞的葉片表面修復的復合梯度涂層及其制備方法。
[0027] 本發明葉片表面修復的復合梯度涂層，是以待修復葉片為基體，包括經真空熔覆 處理的底層和面層；底層形成于待修復葉片表面，面層形成于底層表面；
[0028] 其中，所述底層的材料包括NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末，粒度150?300目；以 重量百分比計，包括60%?80%的Ni, 7%?17%的Cr，0. 2%?L 1%的C，L 5%?4.0% 的B，2.0%?5.0%的Si,彡5%的Fe,總重量百分比為100%。進一步，以重量百分比計， 包括68%?80%的附，7%?17%的0,0.2%?1.1%的(：，1.5%?4.0%的8,2.0%? 5.0%的Si, 1 %?5%的Fe,總重量百分比為100%。
[0029] 面層的材料包括NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末，粒度150?300目；按重量百分比 計，包括 60 % ?80 % 的 Ni，7 % ?18. 5 % 的 Cr, 0· 5 % ?3. 0 % 的 Cu, I. 0 % ?3. 0 % 的 Mo, 0· 2%?L 0%的 Nb，0. 2%?0· 5%的 C，L 5%?3. 8%的 Β，2· 0%?4. 5%的 Si,彡 5%的 Fe, 0. 25%?0. 5%的RE，總重量百分比為100%;其中，RE為稀土元素，如鈰（Ce)或釔（Y)， 但不僅限于此。進一步，NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末按重量百分比計，包括61 %?80% 的附，7%?18.5%的0,0.5%?3.0%的〇1，1.0%?3.0%的]?〇,0.2%?1.0%的恥， 0· 2%?0· 5% 的 C，L 5%?3. 8% 的Β，2· 0%?4. 5% 的 Si, 1%?5% 的Fe，0. 25%?0· 5% 的RE，總重量百分比為100%。
[0030] 本發明葉片表面修復的復合梯度涂層的制備方法包括如下步驟：
[0031] 1)對待修復葉片表面進行清洗、除油除銹；
[0032] 2)向NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末中加入粘合劑，攪拌成底層料漿；然后將底層 料漿涂敷在待修復葉片表面的凹坑型面上，填平凹坑，形成厚度為100?150 μ m的底層料 漿覆層，接著在烘箱中于80?160°C烘干1?3h，出爐空冷并修型，在待修復葉片表面上 得到底層；其中，底層料漿中粘合劑的質量分數均為3%?10% ;粘結劑包括聚乙烯醇縮丁 醛、聚甲基丙烯酸甲酯或松節油；
[0033] 3)向NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末中加入粘合劑，攪拌成面層料漿；然后將面層 料漿涂敷于底層表面，得到厚度為200?300 μ m的面層料漿覆層，接著在烘箱中于80? 160°C烘干1?3h，出爐空冷并修型，在底層表面得到面層；其中，面層料漿中粘合劑的質量 分數均為3%?10% ;粘結劑包括聚乙烯醇縮丁醛、聚甲基丙烯酸甲酯或松節油；
[0034] 4)將涂敷好底層和面層的葉片進行真空釬涂，然后轉移至冷室進行冷卻。其中， 真空釬涂的工藝參數為：真空度為1?0. OlPa，升溫速率為5?KTC /min，加熱溫度為 1050?1080°C，保溫時間為5?15min。
[0035] 5)整修型面，得到葉片表面修復的復合梯度涂層。
[0036] 由圖1可以看出，本發明在基體A上制備出了復合梯度涂層。
[0037] 下面結合實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0038] 實施例1 :
[0039] 本實施例葉片表面修復的復合梯度涂層，是以待修復葉片為基體，包括經真空釬 涂處理的底層和面層；底層形成于待修復葉片表面，面層形成于底層表面；
[0040] 其中，所述底層的材料包括NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末，粒度150?300目；以 重量百分比計，包括70%的Ni, 15%的Cr, 1%的C，4.0%的B，5.0%的Si, 5%的Fe,總重量 百分比為100%。
[0041] 面層的材料包括NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末，粒度150?300目；按重量百分比 計，包括 65% 的 Ni, 15% 的 Cr, 3. 0% 的 Cu, 3. 0% 的 Mo, L 0% 的 Nb, 0· 5% 的 C，3. 5% 的 B， 4. 5%的Si, 4%的Fe, 0· 5%的Ce,總重量百分比為100%。
[0042] 本實施例葉片表面修復的復合梯度涂層的制備方法包括如下步驟：
[0043] 1)對待修復葉片表面進行清洗、除油除銹；
[0044] 2)向NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末中加入乙烯醇縮丁醛，攪拌成底層料漿；然后 將底層料漿涂敷在待修復葉片表面的凹坑型面上，填平凹坑，形成厚度為100 μ m的底層料 漿覆層，接著在烘箱中于80°C烘干3h，出爐空冷并修型，在待修復葉片表面上得到底層；其 中，底層料漿中乙烯醇縮丁醛的質量分數均為7% ;
[0045] 3)向NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末中加入聚乙烯醇縮丁醛，攪拌成面層料漿；然后 將面層料漿涂敷于底層表面，得到厚度為300 μ m的面層料漿覆層，接著在烘箱中于160°C 烘干lh，出爐空冷并修型，在底層表面得到面層；其中，面層料漿中聚乙烯醇縮丁醛的質量 分數均為10% ;
[0046] 4)將涂敷好底層和面層的葉片進行真空釬涂，然后轉移至冷室進行冷卻。其中，真 空釬涂的工藝參數為：真空度為IPa，升溫速率為10°C /min，加熱溫度為1080°C，保溫時間 為 5min。
[0047] 5)整修型面，得到葉片表面修復的復合梯度涂層。
[0048] 實施例2 :
[0049] 本實施例葉片表面修復的復合梯度涂層，是以待修復葉片為基體，包括經真空熔 覆處理的底層和面層；底層形成于待修復葉片表面，面層形成于底層表面；
[0050] 其中，所述底層的材料包括NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末，粒度150?300目；以 重量百分比計，包括68%的Ni, 17%的Cr, I. 1 %的C，3.9%的B，5.0%的Si, 5%的Fe,總重 量百分比為100%。
[0051] 面層的材料包括NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末，粒度150?300目；按重量百分比 計，包括 61% 的 Ni, 18. 5% 的 Cr, 3. 0% 的 Cu, 3. 0% 的 Mo, L 0% 的 Nb, 0· 5% 的 C，3% 的 B， 4. 5%的Si, 5%的Fe, 0· 5%的Ce,總重量百分比為100%。
[0052] 本實施例葉片表面修復的復合梯度涂層的制備方法包括如下步驟：
[0053] 1)對待修復葉片表面進行清洗、除油除銹；
[0054] 2)向NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末中加入聚甲基丙烯酸甲酯，攪拌成底層料漿； 然后將底層料漿涂敷在待修復葉片表面的凹坑型面上，填平凹坑，形成厚度為150 μ m的底 層料漿覆層，接著在烘箱中于160°C烘干lh，出爐空冷并修型，在待修復葉片表面上得到底 層；其中，底層料漿中聚甲基丙烯酸甲酯的質量分數均為3% ;
[0055] 3)向NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末中加入聚甲基丙烯酸甲酯，攪拌成面層料漿；然 后將面層料漿涂敷于底層表面，得到厚度為200 μ m的面層料漿覆層，接著在烘箱中于80°C 烘干3h，出爐空冷并修型，在底層表面得到面層；其中，面層料漿中聚甲基丙烯酸甲酯的質 量分數均為6% ;
[0056] 4)將涂敷好底層和面層的葉片進行真空釬涂，然后轉移至冷室進行冷卻。其中，真 空釬涂的工藝參數為：真空度為0. OlPa，升溫速率為5°C /min，加熱溫度為1050°C，保溫時 間為15min。
[0057] 5)整修型面，得到葉片表面修復的復合梯度涂層。
[0058] 實施例3 :
[0059] 本實施例葉片表面修復的復合梯度涂層，是以待修復葉片為基體，包括經真空熔 覆處理的底層和面層；底層形成于待修復葉片表面，面層形成于底層表面；
[0060] 其中，所述底層的材料包括NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末，粒度150?300目；以 重量百分比計，包括80%的Ni, 10%的Cr, 0. 5%的C，2. 5%的B，2.0%的Si, 5%的Fe,總重 量百分比為100%。
[0061] 面層的材料包括NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末，粒度150?300目；按重量百分比 計，包括 80% 的 Ni, 10% 的 Cr, 2.0% 的 Cu, 2.0% 的 Mo, L 0% 的 Nb, 0· 25% 的 C，L 5% 的 B， 2%的Si, 1%的Fe，0. 25%的Y，總重量百分比為100%。
[0062] 本實施例葉片表面修復的復合梯度涂層的制備方法包括如下步驟：
[0063] 1)對待修復葉片表面進行清洗、除油除銹；
[0064] 2)向NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末中加入松香/松節油飽和液，攪拌成底層料漿； 然后將底層料漿涂敷在待修復葉片表面的凹坑型面上，填平凹坑，形成厚度為120 μ m的底 層料漿覆層，接著在烘箱中于l〇〇°C烘干2h，出爐空冷并修型，在待修復葉片表面上得到底 層；其中，底層料漿中松香/松節油飽和液的質量分數均為3% ;
[0065] 3)向NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末中加入松香/松節油飽和液，攪拌成面層料漿； 然后將面層料漿涂敷于底層表面，得到厚度為250 μ m的面層料漿覆層，接著在烘箱中于 90°C烘干2h，出爐空冷并修型，在底層表面得到面層；其中，面層料漿中松節油的質量分數 均為10% ;
[0066] 4)將涂敷好底層和面層的葉片進行真空釬涂，然后轉移至冷室進行冷卻。其中，真 空釬涂的工藝參數為：真空度為0. 〇5Pa，升溫速率為7°C /min，加熱溫度為1070°C，保溫時 間為IOmin。
[0067] 5)整修型面，得到葉片表面修復的復合梯度涂層。
[0068] 實施例4 :
[0069] 本實施例中除了采用的NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末和NiCrMoRE鎳基復合金屬 粉末與實施3不同外，其他相同。
[0070] 本實施例中的NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末以重量百分比計，包括78 %的Ni，7 % 的Cr, 15%的C，4%的B，5%的Si, 5%的Fe,總重量百分比為100% ;
[0071] 面層的材料包括NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末，粒度150?300目；按重量百分比 計，包括80% 的 Ni, 7% 的 Cr, 3. 0% 的 Cu, 3. 0% 的Mo, 0· 2% 的Nb, 0· 3% 的 C，L 5% 的 B，2% 的Si，2. 6%的Fe, 0. 4%的Y，總重量百分比為100%。
[0072] 實施例5 :
[0073] 本實施例中除了采用的NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末和NiCrMoRE鎳基復合金屬 粉末與實施3不同外，其他相同。
[0074] 本實施例中的NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末以重量百分比計，包括75%的Ni, 15%的Cr, 0· 2%的C，L 5%的B，4. 8%的Si, 3. 5%的Fe,總重量百分比為100% ;
[0075] 面層的材料包括NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末，粒度150?300目；按重量百分比 計，包括 70% 的 Ni, 18% 的 Cr, 0· 5% 的 Cu, I % 的 Mo, 0· 5% 的 Nb, 0· 2% 的 C，3· 8% 的 B，4% 的Si, I. 5%的Fe, 0. 5%的Y，總重量百分比為100%。
[0076] 實施例6 :
[0077] 本實施例中除了采用的NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末和NiCrMoRE鎳基復合金屬 粉末與實施3不同外，其他相同。
[0078] 本實施例中的本實施例中的NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末以重量百分比計，包括 80%的Ni, 10%的Cr, 1%的C，4%的Β，4%的Si, 1%的Fe,總重量百分比為100% ;
[0079] 面層的材料包括NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末，粒度150?300目；按重量百分比 計，包括 75 % 的 Ni, 15 % 的 Cr, 1 % 的 Cu, 2 % 的 Mo, 1 % 的 Nb, 0· 5 % 的 C，L 5% 的 B，2 % 的 Si, 2. 5%的Fe, 0. 5%的Y，總重量百分比為100%。
[0080] 表1為實施例1-6涂層與基體結合強度及在30°攻角下涂層的沖蝕量：
[0081] 表 1
[0082]

【權利要求】
1. 一種葉片表面修復的復合梯度涂層，其特征在于：包括經真空釬涂的底層和面層； 且底層形成于待修復葉片表面，面層形成于底層表面；其中，所述底層的材料包括NiCrBSi 鎳基自熔合金屬粉末；面層的材料包括NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末。
2. 根據權利要求1所述的葉片表面修復的復合梯度涂層，其特征在于：所述的NiCrBSi 鎳基自熔合金屬粉末以重量百分比計，包括60 %?80 %的Ni，7 %?17 %的Cr，0. 2 %? 1. 1%的C，l. 5%?4. 0%的B，2. 0%?5. 0%的Si，彡5%的Fe，總重量百分比為100%。
3. 根據權利要求1所述的葉片表面修復的復合梯度涂層，其特征在于：所述的 NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末，按重量百分比計，包括60 %?80 %的Ni，7 %?18. 5 %的Cr， 0? 5%?3. 0% 的 Cu，1. 0%?3. 0% 的 Mo,0. 2%?1. 0% 的 Nb，0. 2%?0? 5% 的 C，1. 5%? 3. 8%的B，2. 0%?4. 5%的Si，彡5%的Fe，0. 25%?0? 5%的RE，總重量百分比為100%。
4. 根據權利要求1所述的葉片表面修復的復合梯度涂層，其特征在于：所述的NiCrBSi 鎳基自熔合金屬粉末和NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末的粒度均為150?300目。
5. -種如權利要求1-4中任意一項權利要求所述的葉片表面修復的復合梯度涂層的 制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 向NiCrBSi鎳基自熔合金屬粉末中加入粘合劑，攪拌成底層料漿；然后將底層料漿 涂敷在待修復葉片表面的凹坑型面上，填平凹坑，形成底層料漿覆層，接著烘干并修型，在 待修復葉片表面上得到底層； 2) 向NiCrMoRE鎳基復合金屬粉末中加入粘合劑，攪拌成面層料漿；然后將面層料漿涂 敷于底層表面，得到面層料漿覆層，接著烘干并修型，在底層表面得到面層； 3) 將涂敷好底層和面層的葉片進行真空釬涂，然后轉移至冷室進行冷卻，整修型面，得 到葉片表面修復的復合梯度涂層。
6. 根據權利要求5所述的葉片表面修復的復合梯度涂層的制備方法，其特征在于，所 述的步驟3)中真空釬涂的工藝參數如下：真空度為1?0. OlPa，升溫速率為5?10°C / min，加熱溫度為1050?1080°C，保溫時間為5?15min。
【文檔編號】B32B15/01GK104385703SQ201410667839
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月20日 優先權日:2014年11月20日
【發明者】溫禎洪, 徐金, 韓增福, 韓志海, 楊建鋒, 白宇, 亢永霞 申請人:西安交通大學