论文部分内容阅读
汽蚀是一种微观、瞬时、复杂的现象,也是造成汽轮机低压缸末级叶片损伤的主要原因之一,因此研究汽蚀现象的发生机理和探索抗汽蚀材料,在汽轮机行业中具有十分重要的意义。本文结合汽轮机实际运行工况,深入分析了液滴撞击叶片时,其内部的空化现象;再通过比较液滴撞击固体表面产生的水锤压力以及气泡溃灭时微射流所产生的冲击压力,揭示汽轮机末级叶片损伤的主要原因。针对新型的抗汽蚀材料研究,本文利用激光熔覆技术在17-4PH不锈钢基体上制备低碳钴基合金熔覆层,试验采用的新型低碳钴基合金材料为Stellite 21（记为C12）和Stellite 728（记为C14）。采用超声波汽蚀实验机研究材料在3.5 wt.%Na Cl溶液中的汽蚀行为;通过电化学腐蚀试验,揭示了汽蚀与电化学腐蚀协同作用的机理。以17-4PH基体、锻造Stellite 6B以及Stellite 6熔覆层作为对照组,利用金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）和3D表面轮廓仪分析了汽蚀后材料的表面形貌和组织演变;通过汽蚀过程中不同阶段材料的累积失重量,失重速率,汽蚀表面形貌、孕育期时长以及寿命预测等分析,讨论了低碳钴基合金C12和C14熔覆层的抗汽蚀机理,对比了不同材料之间的汽蚀失效形式;再通过研究粗糙度、水质、材料硬度以及组织结构对汽蚀的影响,进一步探究材料的汽蚀强化机理。具体的研究内容及结果如下:（1）通过文献阅读和分析,得出液滴撞击固体表面时存在汽蚀现象,另计算了水滴撞击的水锤压力以及分析了气泡溃灭微射流的冲击压强,得出在汽轮机工况下液滴撞击叶片的冲击压强远小于一般汽轮机叶片材料屈服强度的范围,而汽蚀过程中的微射流压强远大于材料的屈服强度,因此汽轮机叶片低压缸末级叶片的损失主要为汽蚀造成的。（2）低碳钴基合金的特征是具有较低碳含量的同时,还含有一定的Mo元素。其强化相主要由Co7Mo6、Co3Mo和少量碳化物组成。C14与C12相比,其Mo含量是后者的两倍,随着Mo含量的增加,采用激光熔覆所制备的熔覆层强化相组织得到细化,且C14另外含有Nb元素,Nb C强化相进一步细化了组织,提高了C14熔覆层的硬度。（3）通过分析17-4PH基体、锻造Stellite 6B、Stellite 6熔覆层、C12熔覆层以及C14熔覆层在汽蚀不同阶段的累积失重量,失重速率,汽蚀表面形貌、孕育期时长以及寿命预测,得出激光熔覆低碳钴基合金熔覆层具有优异的抗汽蚀性能。随着Mo含量的提高,以及Nb元素的加入,C14熔覆层的累积失重率仅为基体的8.23%,失重速率为1.012 mg/h,在相同的汽蚀条件下具有最长的孕育期（35 min）。该熔覆层在汽蚀不同阶段的表面形貌均较为平滑,粗糙度值始终保持着较低的增长速率。（4）通过分析粗糙度、水质、材料硬度以及组织结构对汽蚀的影响。结果显示:较高的Rsk（粗糙度偏度）负值有利于形成水膜对汽蚀破坏起到缓冲作用;与去离子水相比,3.5 wt.%Na Cl溶液中氯离子的腐蚀作用协同汽蚀微射流,缩短了试样在汽蚀过程中的孕育期时长,加速了汽蚀的破坏;汽蚀过程会对材料表面产生加工硬化现象,从而在一定程度上提高材料的抗汽蚀性能。另外钴基合金的相变过程,也有助于提高抗汽蚀性能。（5）通过研究材料汽蚀的失效机理,可知,汽蚀过程中首先发生质量损失的区域为位错纠缠的晶界处,且不同取向的晶粒其抗汽蚀性能不同,体现出多晶体力学性能的各向异性。经Mo元素细化后的C14熔覆层由于晶粒尺寸明显减小,其抗汽蚀性能得到了进一步的提升。