【摘 要】
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大型离心式压缩机广泛应用于石化、冶金及西气东输工程,关键零部件叶片具有三高一复杂(价值高、附加值高、停机成本高、结构复杂)的特点,服役时,遭受气固两相流冲击,冲蚀损伤是重要的损伤形式之一。利用热喷涂技术在叶片表面制备抗冲蚀磨损的金属陶瓷涂层Cr3C2-NiCr,来开展叶轮叶片等关键零部件新品表面强化和旧件再制造意义重大。但是,型面复杂的叶片表面各位置处的冲击角度迥异,Cr3C2-NiCr涂层作为典
【基金项目】
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国家自然科学基金面向项目“面向冲蚀磨损的叶片切向渐变涂层设计及再制造修复”(51975338); 山东省重点研发计划项目“面向气体增压设备再制造的切向渐变涂层设计及工艺装备研发”(2019GGX104010);
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大型离心式压缩机广泛应用于石化、冶金及西气东输工程,关键零部件叶片具有三高一复杂(价值高、附加值高、停机成本高、结构复杂)的特点,服役时,遭受气固两相流冲击,冲蚀损伤是重要的损伤形式之一。利用热喷涂技术在叶片表面制备抗冲蚀磨损的金属陶瓷涂层Cr3C2-NiCr,来开展叶轮叶片等关键零部件新品表面强化和旧件再制造意义重大。但是,型面复杂的叶片表面各位置处的冲击角度迥异,Cr3C2-NiCr涂层作为典型的脆性材料,在以中、高冲击角度为主的大叶片前缘部位出现显著的抗冲蚀性能劣化,有待结合塑性材料在高冲击角度下优异的抗冲蚀性能,开展涂层的增塑改性研究。本文依托国家自然科学基金面上项目“面向冲蚀磨损的叶片切向渐变涂层设计及再制造修复”和山东省重点研发计划项目“面向气体增压设备再制造的切向渐变涂层设计及工艺装备研发”,面向多角度冲击需求,提出了添加延性金属对Cr3C2-NiCr涂层进行增塑改性的方法,调控高角度下脆性材料的断裂损伤为塑性材料的变形磨损损伤,主要工作如下:实验研究确立了涂层的改性配伍体系,评价了改性涂层的质量,测试了主要力学性能参数。以45钢为对照组,研究了 Cr3C2-NiCr涂层、基体FV520B及改性材料(NiCr和NiCrAl)在不同冲击角度下的冲蚀规律,基于冲蚀率尺度一致性原则,确定了以NiCr为改性材料的Cr3C2-kNiCr改性涂层配伍体系;利用超音速火焰喷涂设备制备了不同DBR(Ductile Brittle Ratio)的Cr3C2-kNiCr改性涂层,评价了涂层的微观结构,结果表明,涂层内、层间、界面质量好,孔隙率低于0.46%且分布均匀;显微硬度、弹性模量和断裂韧性随着DBR的变化而稳定变化。研究了改性涂层的冲蚀磨损规律,揭示了其冲蚀磨损机理。测试获取了改性涂层“冲蚀率-冲击角度-DBR”三者的映射关系,验证了增塑改性的可行性;结合冲蚀磨损特征分析,明晰了多角度冲击下涂层改性的本质是调控损伤形式和损伤程度;通过分析微切削、变形磨损、应力疲劳断裂和脆性断裂四种损伤的产生与演化过程,揭示了 Cr3C2-kNiCr改性涂层的冲蚀磨损机理,发现低、高冲击角度下抗冲蚀磨损的机制分别是高硬度和高韧性。阐释了力学性能对冲蚀率的影响,构建并检验了改性涂层的冲蚀率模型。分别剖析了涂层硬度Ht、冲蚀粒子与涂层硬度比Hp/Ht、涂层断裂韧性KIC和涂层断裂韧性与硬度乘积KIc.5·Ht0.5对总冲蚀磨损的综合影响和对法/切向冲蚀磨损的独立影响机制,进一步阐释了高硬度和高韧性对低和高冲击角度下抗冲蚀性能的影响,该影响即对切向和法向抗冲蚀磨损的影响;分析并求解了改性涂层冲蚀率模型中的4个关键变量:弹性极限速度Vel、材料属性因子K、法向磨损因子φ0和切向磨损因子ω0;引入DBR变量,构建并检验了 Cr3C2-kNiCr改性涂层的冲蚀率模型;发展了适用于脆塑复合材料的Bitter变形磨损理论,可为多冲击角度下改性涂层配伍的按需调控提供理论指导。提出了面向多角度冲击的改性涂层新结构及其设计制备方法。面向叶轮叶片等复杂型面的多角度冲击工况,提出了不同冲击角度下匹配不同DBR涂层的方法,进而提出了切向功能梯度涂层新结构;针对该结构对功能层与过渡层在法向和切向的双向过渡需求,提出了法/切双向梯度过渡层结构;基于道宽和道距约束,提出了切向功能梯度涂层的搭接区结构设计与性能预测方法;提出了基于等冲击角线的喷涂工艺路径规划方法,将复杂曲面表面的变DBR涂层转化为沿等冲击角线方向的恒DBR涂层。在板材上实现了含均质区和搭接区的切向功能梯度涂层的制备,并验证表征了涂层的微观结构与力学性能。增塑改性为脆性涂层在多角度冲击下的抗冲蚀性能提升提供了新思路,为表面改性的按需调控提供了新方法。
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