專利名稱：用于制造防侵蝕層和具有所述防侵蝕層的部件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及根據相應類型的獨立權利要求中的前序部分所述的一種用于在基板上制造防侵蝕層的方法且涉及一種具有這種防侵蝕層的部件。
背景技術：
由于發(fā)生侵蝕而給部件帶來的損傷在許多技術領域和工業(yè)領域中都是很重要的問題。因此，例如由于發(fā)生水滴侵蝕會使得在汽輪機中的渦輪葉片上出現(xiàn)嚴重的損傷。特別地，在渦輪機的低溫范圍內或此外在低壓汽輪機中，可能會出現(xiàn)水滴從蒸汽中分離出來的情況，所述水滴隨后沖擊到轉子的旋轉渦輪葉片上或沖擊到導流輪葉的固定渦輪葉片上并導致在那些地方發(fā)生侵蝕且因此導致出現(xiàn)材料磨蝕。
在旋轉渦輪葉片中，葉片的前緣尤其會遭受水滴的侵蝕。
已公知的做法是在制造完成后通過有意識地引入熱量的方式對最易于發(fā)生侵蝕的區(qū)域如葉片的前緣進行硬化處理以便防止出現(xiàn)侵蝕效應，例如這些效應。這可例如通過感應硬化或激光硬化來實現(xiàn)。然而，由此實現(xiàn)的結果并不是令人滿意的。
進一步已公知的做法是通過對護軍進行硬釬焊(brazing)或借助于對硬質層進行激光沉積焊接從而保護葉片前緣。目前，將斯特萊特硬質合金(Stellite， 一種鎢鉻鈷合金)既用于該護罩的解決方案又用于激光沉積焊接是通常的做法。斯特萊特硬質合金，例如Stellite 6,是眾所周知的鈷鉻合金，該鈷鉻合金通常用來防止部件發(fā)生磨損、磨蝕或腐蝕。
斯特萊特硬質合金的缺點在于難以對斯特萊特硬質合金進行機加工。對斯特萊特硬質合金進行的焊接工藝通常是成本較高的且僅可很困難地操控所述焊接工藝。結果導致產生了殘余應力且形成了裂紋。對斯特萊特硬質合金護軍實施的釬焊(soldering)是一種難以操控的帶來了問題的過程。通常情況下，當對斯特萊特硬質合金進行焊接或釬焊時，必須隨后進行附加的熱處理。盡管采取了這種在某種程度上很復雜的最
3終處理，但所獲得的耐侵蝕性能以及斯特萊特硬質合金在基板上的結合程度卻并不總是令人滿意的。
進一步地，斯特萊特硬質合金并不那么適于或甚至不適于在例如必須重新構建葉片前緣的一些部分時對已經受損的葉片前緣進行修補，這
料。 、_ 、'、 構材
然而，水滴侵蝕的問題同樣會出現(xiàn)在燃氣輪機中。這里，水滴侵蝕
特別地會發(fā)生在渦輪機的壓縮機側部上，在所述壓縮機側部處，空氣被
吸入且隨后被壓縮。這會導致來自已被吸入的空氣的水滴冷凝下來，所
述水滴隨后會沖擊到渴輪機的壓縮機級的葉片上。
一般說來，侵蝕還可能導致在其它液動機或旋轉機中出現(xiàn)嚴重的問
題。當水中包含較高比例的沖積顆粒如砂或其它固體時，侵蝕的跡象通
常出現(xiàn)在水輪機的輪子上，所迷水輪機例如是培爾頓(Pel ton)水輪機。由砂或另一種固體導致產生的侵蝕還可導致對壓縮機葉片且對渦輪葉片產生嚴重的損傷。
此外，術語"侵蝕"被用來覆蓋可能通過空穴作用而在水輪機或旋轉泵的葉片處出現(xiàn)的所有損傷。這里，還需要確保能更好地防止部件受到侵蝕效應的作用。

發(fā)明內容
從該現(xiàn)有技術出發(fā)，本發(fā)明的目的在于提出一種方法，通過所述方法可有效地防止部件，特別是來自流體發(fā)動機(How engine)或旋轉發(fā)動機的部件，產生侵蝕。所迷方法應該既適用于制造新制品又適用于修補部件。進一步地，本發(fā)明的目的在于提出一種耐侵蝕的部件。
滿足了該目的的本發(fā)明的主題具有相應類型中的獨立權利要求中的技術特征。
因此，根據本發(fā)明，提出了一種用于在金屬基板上產生防侵蝕層的方法，其中材料被焊接到所述金屬層上。所述材料是包含至少0.1%的碳和至少12%的鉻的鋼。通過激光沉積焊接將所迷材料施加到所述基板上。
令人驚奇的是，本文已經證明了可通過用簡單的方式利用激光沉積焊接將含碳量低的鋼焊接在基板上從而產生性能非常良好的防侵蝕層，所述防侵蝕層的附著力極好且具有高硬度和非常良好的耐腐蝕性。
此外，這類鋼的價格也比較合理，這使得根據本發(fā)明的方法實施起
來比用于實現(xiàn)防侵蝕的其它方法要經濟得多。
然而，這些鋼也可不以常規(guī)方式進行焊接或僅困難地進行多種復雜
的處理如預熱和隨后的熱處理。
進一步的有利之處在于可以簡單的方式并且在可靠的工藝中借助于激光沉積焊接對適用于本發(fā)明的方法的鋼進行加工。
此外，由于采用了激光沉積焊接，因此使得在所述基板上僅形成了狹窄的導熱區(qū)帶，這使得所述基板的基材及其熱處理狀態(tài)即便是受到影響的話，這種影響也僅是輕微的。由此可使得不必進行隨后的熱處理，這使得根據本發(fā)明的方法更簡單、更迅速、也更經濟。
當所述材料包含至少0. 2%的碳且優(yōu)選包含至少0. 4%的碳時，對于耐侵蝕性而言是特別有利的。這種包含較高百分比的碳的鋼仍然可借助于激光沉積焊接進行加工而不會出現(xiàn)問題。
一個優(yōu)選的實施例是在對部件進行修補時采用根據本發(fā)明的方法，用于根據本發(fā)明的方法的材料還特別適于用作結構材料，這與用于進行防侵蝕的其它材料形成了對比，從而使得有可能以簡單的方式采用根據本發(fā)明的方法重建受損表面。
另一優(yōu)選實施例是采用根據本發(fā)明的方法制造新部件。通過在金屬基板上制造根據本發(fā)明的防侵蝕層，使得可簡單地制造出具有優(yōu)良的耐侵蝕性的新部件。
根據一種優(yōu)選的應用，所述部件是壓縮機或渦輪葉片。在這種布置中，所述部件還可以是蒸汽輪機的渦輪葉片。由于水滴導致出現(xiàn)的侵蝕損傷通常出現(xiàn)在這些部件中。根據本發(fā)明的方法既適用于修補受損渦輪葉片也適用于防止在制造新渦輪葉片的過程中發(fā)生侵蝕。所述部件還可以是燃氣輪機的葉片，其中特別地在壓縮機側部或葉輪側部會出現(xiàn)由于水滴或固體材料顆粒導致出現(xiàn)的侵蝕損傷。所迷渦輪葉片進一步地還可以是液體渦輪機，特別是水輪機，的推進器的葉片，所述水輪機例如為培爾頓水輪機，在所述葉片處可能會通過沖積顆粒如砂或通過水的效應而導致出現(xiàn)侵蝕損傷。侵蝕損傷特別地還可能是由于空穴作用帶來的損傷而造成的。
一種有利的措施是僅為在運行狀態(tài)中最易產生侵蝕的基板區(qū)域設置防侵蝕層。通過這種方式可節(jié)省材料、時間和金錢。在燃氣輪機或蒸汽輪機的渦輪葉片中，該區(qū)域例如是渦輪葉片的葉片前緣。
一個有利的實施例是當進行焊接時使用可移動的激光器設備。因此可直接就地進行修補。由此使得可例如避免進行昂貴且費時的拆卸工作和避免進行輸運渦輪機或輸運渦輪機轉子的工作，這是因為可在渦輪機的運行位置處直接對有缺陷或受損的渦輪葉片進行處理且在絕大多數情況下不必拆下轉子。
本發(fā)明進一步提出了一種部件，所述部件具有金屬基板和被施加到所述基板上的防侵蝕層，其中所述防侵蝕層是采用根據本發(fā)明的方法制造而成的。
即使在根據本發(fā)明的所述部件中，優(yōu)選也僅為在運行狀態(tài)中最易產生侵蝕的基板區(qū)域設置防侵蝕層。
在一個優(yōu)選實施例中，所述部件被設計為渦輪葉片或壓縮機葉片，特別是被設計為燃氣輪機或蒸汽輪機的葉片。
在從屬權利要求中闡明了本發(fā)明的進一步有利的措施和其它的優(yōu)選實施例。


下面將借助于實施例及附圖對本發(fā)明作出更詳細地說明。在所述附
圖中
圖l是穿過蒸汽輪機的渦輪葉片的剖面圖，所述渦輪葉片是采用根
據本發(fā)明的方法的一個實施例新制造而成的；
圖2是穿過蒸汽輪機的渦輪葉片的剖面圖，所述渦輪葉片是采用根
據本發(fā)明的方法的一個實施例進行修補的渦輪葉片；和
圖3是示出了耐侵蝕性的曲線圖。
具體實施例方式
根據本發(fā)明的方法用于在金屬基板上制造防侵蝕層3(參見圖1)。
術語"侵蝕"應該被理解為包括由于空穴作用導致產生的效應或損傷。
根據特定應用場合，防侵蝕層3可防止發(fā)生不同種類的侵蝕，例如防止發(fā)生液滴侵蝕，尤其是水滴侵蝕，防止發(fā)生由于固體顆粒或懸浮顆
6蝕，或還防止發(fā)生由于空穴作用造成的侵蝕的跡象。 原則上，根據本發(fā)明的所迷方法適用于其中的部件經受侵蝕作用的 所有設備。這些設備特別地為液動機、旋轉發(fā)動機、旋轉泵如離心泵或 軸流泵、 一般意義上的渦輪機、利用液體運行的渦輪機-例如具有培爾 頓輪或其它輪的水輪機-燃氣輪機、蒸汽輪機。
下面將示例性地結合在實踐中特別重要的特定實例進行描述，在這 些實例中，防侵蝕層旨在防止蒸汽輪機的渦輪葉片遭受水滴侵蝕。在蒸 汽輪機中，水滴侵蝕會導致對葉片且特別地對旋轉渦輪葉片產生嚴重損 傷。尤其是在渦輪機的更冷的區(qū)域中和/或在低壓蒸汽輪機中，溫度條 件和壓力條件會有規(guī)律地導致冷凝出水滴，所述水滴隨后以相對較高的
的損傷。特別地，渦輪葉片的前邊緣A前緣在運行過程中最易產生侵蝕。 根據本發(fā)明，現(xiàn)在提出了一種在金屬基板上制造防侵蝕層3的方 法。圖1示出了穿過新制造而成的部件的剖面，所述部件在此處被設計 為蒸汽輪機的渦輪葉片1。渦輪葉片1包括金屬基板2和被施加在基板
2上的防侵蝕層3。防侵蝕層3被施加在葉片前邊緣4的區(qū)域中，從而 使得至少整個葉片前邊緣4受到防侵蝕層3的保護。
為了進行制造，首先以本質上已公知的方式制造出以渦輪葉片形式 存在的金屬基板2。就這方面而言，可在葉片前邊緣4上設置凹部，所 述凹部會承接防侵蝕層3。可在金屬基板2的制造過程中直接設置該凹 部或也可在制造之后通過機加工步驟如打磨或磨削來產生該凹部。當 然，另一種可選方式是，也有可能在并不設置專用于防侵蝕層的凹部的 情況下將防侵蝕層3施加到葉片前邊緣4上。
在下一工藝步驟中，實施制造防侵蝕層3的過程。通過對材料進行 激光沉積焊接而將該防侵蝕層施加到金屬層2上。所屬領域技術人員對 于激光沉積焊接技術有著充分的認識且因此此處不再對該技術進行更 詳細地描述。通常用于進行焊接的所有激光焊接設備都是適當的，特別 是Nd:YAD激光器、二極管激光器、光纖激光器以及具有介于10"nm與 1070mn之間的典型波長的盤形激光器和具有10600nm波長的C02激光 器。
根據本發(fā)明，用于借助于激光沉積焊接工藝來制造防侵蝕層3的材 料是鋼，所述鋼包含至少0.1%的碳(C)和至少12%的鉻。
7在本申請的范圍內，所提到的百分比所指的均為重量百分比。 所述鋼的這種高鉻含量為防侵蝕層賦予了非常良好耐腐蝕性。所述 鋼特別地是不銹鋼。
所述鋼的這種高碳含量為防腐蝕層3提供了高硬度，這就確保了耐 侵蝕性的獲得。
所述鋼特別地是馬氏體鋼；這意味著該結構的至少一部分是馬氏體。
所述鋼特別地是可硬化且可在空氣中回火的鋼，即鋼的碳含量高到 使得可在空氣中對鋼進行回火。這意味著，不必在進行了激光沉積焊接 之后借助于油或水對鋼進行冷卻，而是，鋼在空氣中的冷卻梯度足以大 到至少部分地產生馬氏體結構。
防侵蝕層3在冷卻下來之后優(yōu)選具有至少主要的馬氏體結構。 在實踐中已經證明，當材料是包含至少0. 2%的碳且優(yōu)選包含至少
0. 4%的碳的鋼時，會特別有益。防侵蝕層通過這種高C含量而獲得了特 別良好的硬度。由于利用了激光沉積焊接技術來進行焊接，因此這種高 碳含量不會給焊接工藝造成問題。
例如，本文已經證明可使用X42Crl3鋼實現(xiàn)非常良好的結果。這 種可從商業(yè)渠道獲得的鋼具有0. 42%的碳含量和13%的鉻含量。本文提 出的進一步的實例是X20Crl3鋼，這種鋼具有0. 2%的碳含量和13%的鉻 含量。
在制造新葉片1的過程中，防侵蝕層的厚度通常達到0.2 mm至
1. 5mm。
圖2示出了一個實例，在該實例中對部件進行修補。圖2示出了穿 過燃氣輪機的渦輪葉片l'的剖面，采用根據本發(fā)明的方法的一個實施例 對所述渦輪葉片進行修補。
在蒸汽輪機的運行過程中，由于水滴侵蝕而使得在葉片前邊緣的區(qū) 域中會有大量材料被剝除。在實施修補之前，葉片前邊緣區(qū)域具有由線 5示出的輪廓或表面。根據本發(fā)明，現(xiàn)在借助于激光沉積焊接而在剩余 的金屬基板2'上產生防侵蝕層3'-如果有必要的話，則在進行了預先的 清潔或制備步驟之后形成該防侵蝕層，這是通過將具有至少0. 1%的C 和至少12%的Cr的鋼焊接到金屬基板2'上來實現(xiàn)的。
就這方面而言，對激光焊接工藝進行控制從而重新構建出渦輪葉片l'的原始形狀且特別是重新構建出葉片前邊緣的原始形狀。就這方面而 言，以下這種情況是特別有利的，即根據本發(fā)明所使用的材料可以是結 構材料，換句話說是一種不僅可以產生一個涂層而且可以重新構建出部
件的原始形狀的材料。X42Crl3鋼也是特別適于用作這種材料的。
使用可移動的激光器設備來進行激光沉積焊接是特別有利的，特別 是在修補時更是如此。使用可移動的激光器設備使得可在運行位置處直 接修補渦輪葉片，且如果有必要的話，不需要完全地拆除渦輪或轉子。 從經濟角度來看，這一點是特別有利的，這是因為這節(jié)省了運輸要被修 補的渦輪葉片的運輸時間，且根據應用場合還可縮減組裝和拆卸工作。 因此，可大大減少由于進行修補而導致的停機時間。
在下文中，將借助于實例并借助于圖3對根據本發(fā)明而形成的防侵 蝕層與現(xiàn)有技術的防護層進行對比。在水滴侵蝕試驗床上實施涉及防侵 蝕性的實驗。在該水滴侵蝕試驗床處，要進行測試的材料樣品被置于轉 子上。借助于固定的注射噴嘴排出水滴，所述水滴循環(huán)地沖擊在被附接 到旋轉轉子上的樣品上。
樣品的形狀和尺寸取決于試驗床。樣品基本上具有平行六面體形 狀，該形狀尺寸為25mmx8mmx3mm且具有30。的倒角。其中一個樣品， 樣品A，是利用根據本發(fā)明的方法制造而成的樣品，且該樣品包括金屬 基板2，在所述金屬基板上設置了防侵蝕層3。防侵蝕層3包括X42Cr13 鋼，所述鋼通過激光沉積焊接工藝被施加到基板2上。
作為對比性實例，使用了根據現(xiàn)有技術的樣品B，所述樣品由目前 常用的材料制成且已公知地具有良好的耐侵蝕性。Stellite 6的鍛造 條被釬焊到金屬基底本體上。
在下面的實驗條件下對這兩個樣品進行測試水滴具有0. 2mm的直 徑且以400m/s的速度沖擊在相應的樣品上。所運行的循環(huán)次數達到一 千萬次，即樣品在旋轉時通過該固定注射噴嘴的次數達一千萬次，這意 味著有一千萬個水滴沖擊在樣品上。
作為水滴侵蝕試驗的結果而確定出了相應樣品的質量損失。隨后在 體積損失的相應比密度的幫助下由該質量損失計算出體積損失。樣品A 的密度為7. 70g/cm3，而樣品B的密度為8. 15g/cm3。
圖3以曲線圖的方式示出了試驗結果。循環(huán)次數被標在水平軸X上， 所述循環(huán)次數等同于沖擊次數，所述水平軸線的刻度是取了對數的刻度。體積損失被標在垂直軸線Y上，所述垂直軸線具有線性刻度線，單 位為咖3。標記為A的曲線表示樣品A，所述樣品是利用根據本發(fā)明的 方法制造而成的樣品，標記為B的曲線則表示樣品B，所述樣品是根據 現(xiàn)有技術制造而成的樣品。從圖中明顯可以看出樣品A具有優(yōu)良得多 的耐侵蝕性。而對于樣品B而言，在百萬次循環(huán)之后的體積損失已經達 到了 0. 49mn^且隨后更是迅速增加，而樣品A中的體積損失甚至在一千 萬次循環(huán)之后也僅為0. 317mm3。
此外，通過試驗還確定了潛伏期，所述潛伏期是用來衡量在發(fā)生由 于材料剝除而導致的損傷之前的時間有多長的一個指標。該潛伏期被定 義為達到0. 1,3的體積損失時的循環(huán)次數。根據本發(fā)明制造而成的樣品 A的潛伏期為六百萬次循環(huán)，而樣品B的潛伏期則僅為100， 000次循環(huán)。
該結果非常明顯地表明可利用根據本發(fā)明的方法制造出比現(xiàn)有技 術中已公知的其它方法具有優(yōu)良得多的防侵蝕性的防侵蝕層。
盡管本文是結合與蒸汽輪機的渦輪葉片實際相關的部件進行說明 的，但本發(fā)明絕不限于這些部件。
水滴侵蝕還可能例如出現(xiàn)在燃氣輪機的葉輪側或壓縮機側上。在新 部件的制造過程中和在對燃氣輪機中的受損葉片進行修補的過程中，根
侵蝕層。
根據本發(fā)明的方法還適于防止液體輪機中的輪葉或葉片、水輪機如 培爾頓渦輪機中的輪葉或葉片、旋轉泵中的輪葉或葉片或液動機中的輪 葉或葉片大體上不會受到由于空穴效應帶來的損傷。
根據本發(fā)明的方法進一步適于防止燃氣輪機、蒸汽輪機和液體輪機 中的輪葉或葉片、水輪機如培爾頓渦輪機中的輪葉或葉片、旋轉泵中的 輪葉或葉片或液動機中的輪葉或葉片大體上不會受到侵蝕損傷，這種侵 蝕損傷可能是由于固體材料顆粒如砂帶來的，或可能是由于懸浮顆粒帶 來的。
因此，根據本發(fā)明的部件還可特別地被形成為所有類型的渦輪機中 的渦輪葉片、形成為轉子葉片、形成為一般意義上的轉子或形成為旋轉 機器和液動機中的經受侵蝕的其它部件。
在各種渦輪機中，根據本發(fā)明的方法既適用于旋轉發(fā)動機部件(轉 子)的輪葉或葉片又適用于固定部件，例如導流輪葉，的葉片。
10
權利要求
1、一種用于在金屬基板上制造防侵蝕層的方法，其中材料被焊接到所述金屬基板(2、2′)上，其特征在于，所述材料是包含至少0.1％的碳和至少12％的鉻的鋼，且通過激光沉積焊接將所述材料施加到所述基板(2、2′)上。
2、 根據權利要求1所述的方法，其中所述材料包含至少0. 2%的碳 且優(yōu)選包含至少0. 4%的碳。
3、 根據前述權利要求中任一項所述的方法，采用所述方法對部件 (1)進行修補。
4、 根據前述權利要求中任一項所述的方法，采用所述方法新制造 出部件(1)。
5、 根據權利要求3或4所述的方法，其中所述部件(l、 l')是壓 縮機葉片或渦輪葉片。
6、 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中僅為在運行狀態(tài) 中所述基板(2)的最易產生侵蝕的區(qū)域設置防侵蝕層。
7、 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中使用能夠進行移 動的激光器設備進行焊接。
8、 一種部件，所述部件具有金屬基板(2、 2')和被施加到所述基 板(2、 2')上的防侵蝕層(3、 3')，其特征在于，所迷防侵蝕層(3、 3')是采用根據前述權利要求中任一項所述的方法制造而成的。
9、 根據權利要求8所述的部件，其中僅為在運行狀態(tài)中所述基板 (2、 2')的最易產生侵蝕的區(qū)域設置防侵蝕層U、 3')。
10、 根據權利要求8或9所述的部件，所述部件被設計為渦輪葉片 或壓縮機葉片，特別是被設計為燃氣輪機或蒸汽輪機的葉片。
全文摘要
根據本發(fā)明，提出了一種用于在金屬基板上制造防侵蝕層的方法，其中材料被焊接到所述金屬基板(2、2′)上。所述材料是包含至少0.1％的碳和至少12％的鉻的鋼。通過激光沉積焊接將所述材料施加到所述基板(2、2′)上。本發(fā)明進一步提出了一種部件(1、1′)，所述部件具有金屬基板(2、2′)和被施加在所述基板(2、2′)上的防侵蝕層(3、3′)，其中所述防侵蝕層(3、3′)是采用根據本發(fā)明的方法制造而成的。
文檔編號B23K26/34GK101462202SQ20081018843
公開日2009年6月24日 申請日期2008年12月22日 優(yōu)先權日2007年12月21日
發(fā)明者E·登茲勒, F·奇伊塔尼, M·丹納, P·厄恩斯特, T·彼得斯 申請人:蘇舍市場及技術有限公司