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抗固体粒子冲蚀磨损CrN_x镀层的性能研究

李伟光  
【摘要】:固体颗粒冲蚀磨损(S.P.E.)是汽轮机叶片的重要失效形式之一,对汽轮机叶片材料表面进行镀覆处理是提高材料耐冲蚀性能的主要手段。本文采用多弧离子镀方法对2Cr10MoVNbN钢表面进行了改性处理,分析了CrNx镀层组织并重点研究了镀层和母材的耐S.P.E性能。分析结果为:CrNx镀层从表面到膜基界面的相组成依次为CrN+Cr2N+Cr、Cr2N+Cr和Cr2N+Cr+Fe-Cr(固溶体);镀层组织致密,缺陷较少,镀层与基体结合良好;镀层表面有熔滴突起,镀层中存在单质Cr的颗粒。母材2Cr10MoVNbN钢具有典型塑性材料的冲蚀磨损特征,冲蚀磨损率在冲蚀角22°左右达到最大值;CrNx镀层具有典型的脆性材料的冲蚀磨损特征,冲蚀磨损率在冲蚀角为90°时达到最大值。速度越大,冲蚀磨损率越大。通过ANSYS/LS-DYNA有限元模拟和表面形貌分析,得出了两种材料的冲蚀磨损机理。对于2Cr10MoVNbN钢,低角度主要以“犁沟”和“变形唇”为主要失效特征,由于固体粒子75%为片状,冲蚀速度较高,粒子携带的能量较大,直接把变形唇片冲击剪切掉,故而冲蚀磨损较严重。高角度条件下,材料以塑性变形为主,粒子反复冲击下,材料塑性变形能力耗尽,最终发生表面疲劳剥落。CrNx镀层在低角度下仍然有切削的痕迹,但镀层硬度比较大,组织均匀致密,缺陷较少,切削只是轻微的痕迹,在缺陷部位和Cr熔滴脱落的部位有片状剥落和Cr熔滴拔出的现象。高角度条件下,粒子冲击镀层表面,在表面产生局部应力集中,且应力集中沿层间扩展,粒子反复冲击,裂纹连接在一起,镀层发生片状剥落。通过母材和CrNx镀层的耐S.P.E的实验发现:CrNx镀层的抗高温固体粒子冲蚀磨损性能远大于母材,速度为210m/s时,冲蚀角为18°时,母材的冲蚀磨损率是CrNx镀层的400倍左右,90°时则为27倍左右。速度为420m/s时,冲蚀角为18°时,母材的冲蚀磨损率是CrNx镀层的400倍左右,90°时则为3.0倍左右。同时,与汽轮机经常采用的防护层渗硼层冲蚀磨损实验结果和力学性能进行比较,无论18°冲蚀角还是90°冲蚀角,渗硼层的冲蚀磨损率都要大于CrNx抗固体粒子冲蚀磨损性能比渗硼层要好。两者硬度相近,CrNx镀层的断裂韧性优于渗硼层。因此,CrNx镀层是一种比较理想的汽轮机叶片材料抗固体粒子冲蚀磨损防护层。


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