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TRT葉片CoCr粉末防護涂層研究及應用

文檔作者：夏光明嚴淑群賀立盧靜張倩倩文檔來源：湖南省冶金材料研究所		點擊數：	更新時間： 2025年09月30日
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第30卷第5期
2012年1O月
粉末冶金技術
Powder M etallurgy Technology
Vo1．30，No．5
0ct．2O12
TRT葉片Co—Cr粉末防護涂層研究及應用
夏光明 嚴淑群 賀立 盧靜 張倩倩
(湖南省冶金材料研究所，長沙410014)
摘 要： 通過對TRT機組運行過程及高爐煤氣、爐塵的檢測，分析了TRT葉片腐蝕和磨損的基本情況，發現
采用co—cr粉末熱噴涂在TRT葉片上制備約400trm的防護涂層可符合TRT的運行要求。通過對工藝參數的
分析，確定了最佳熱噴涂工藝參數。制備的涂層硬度高、耐磨性能好、結合強度高，并具有抗熱震性能好等優
異性能。制備的該涂層產品已應用于生產實踐，結果表明，防腐耐磨性能優異。
關鍵詞：TRT；葉片；熱噴涂技術；涂層
The research on Co-Cr protective coating of
TRT blade and its application
Xia Guangming，Yan Shuqun，He Li，Lu Jing，Zhang Qianqian
(Hu’nan Research Institute of Metallurgy and Materials，Changsha 410014，China)
Abstract：The corrosion and wear of TRT blade were analyzed by investigating the working process and blast—
furnace gas and dust of TRT set． It’S found that protective coating about 400txm fabricated by thermal spraying
technology on TRT blade can conform to the operation requirement of TRT．The optimum process parameters were
determined through analyzing technology parameters． Protective coating fabricated by thermal spraying has high
hardness，wear—resisting property， high bond strength and well thermal shock resistance property． The coating
mentioned exhibits excellent corrosion resistance and good wear—resistant features when applied to production．
Key words：TRT；blade；thermal spaying technology；coating
高爐煤氣余壓透平發電裝置(簡稱TRT)是原
國家經貿委大力推廣的能量回收發電產品；它是利
用高爐爐頂煤氣過余壓力能量通過透平膨脹做功，
將其能量轉換成機械能，進而帶動發電機發電的節
能產品¨ 。圖1所示為TRT發電裝置轉子。
TRT葉片在高速、含有高爐爐塵及有腐蝕氣體
介質的條件下工作，工況復雜，工作周期長。經除塵
后，大部分爐塵得以除去，但在氣相介質中仍殘留一
定數量的爐塵、水氣以及因高爐原料不純而產生的
多種酸性氣體，如H：S、HC1、CO 等。由于沖刷和腐
蝕的存在，煤氣管線中的一些腐蝕產物也會混在煤
氣中，最終進入TRT裝置的是氣一汽一固組成的多
相流；高爐煤氣進入TRT裝置后，因膨脹做功，溫度
逐漸降低，煤氣中酸性氣體溶解在凝結水中，會在葉
{夏光明(1962一)，男，高級工程師。E—mail：helloeucu@sina．com
收稿日期：2012—07—18
圖1 TRT發電裝置轉子
Fig．1 The rotor of TRT power generation set
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第30卷第5期 夏光明等：TRT葉片co-cr粉末防護涂層研究及應用 377
片表面形成一層酸性水膜，對葉片表面透水腐蝕。
爐塵在氣流帶動下，流過金屬表面時會產生滑
動磨損和直射磨損。滑動磨損主要是由微觀切割所
引起，一個硬的尖頭或灰粒滑過一個較軟的金屬表
面，可以起微觀切削工具的作用，部件表面磨損后會
留下一道溝槽。直射磨損主要是金屬材料部件表面
疲勞磨損，灰塵被壓人金屬材料部件中形成一個個
塑性變形凹坑；在大量灰粒反復作用下，凹坑漸漸形
成一個塑性變形的薄層；當灰粒的作用負荷超過此
塑性變形的極限強度時，這層表面被破壞、掉落，形
成磨損 。
根據以上分析可知，TRT葉片工作時受到高爐
爐塵相當嚴重的磨損，并且經過s、V、K、Na、Ca、Mg、
SO，、SO 等介質侵蝕生成的腐蝕產物較疏松，在高
爐爐塵的硬質粒子沖刷下，反應產物很快剝落，露出
新的合金表面，往往導致葉片過早破壞，發生轉子振
動超標。發生這種狀況時，TRT機組就要停機檢修，
將葉片用激光熔覆修復，才能重新開機。TRT葉片
必需采用高質量的防護涂層來保證TRT發電裝置
能夠長期、安全、可靠地運行。
等離子噴涂技術是一種材料表面強化和表面改
性的技術，它采用等離子電弧作為熱源，將陶瓷、合
金、金屬等材料加熱到熔融或半熔融狀態，并以高速
噴向經過預處理的工件表面而形成附著牢固的表面
層，賦予基體表面耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、電絕緣、
隔熱、防輻射、減磨和密封等性能。該技術具有如下
特點：超高溫特性，便于進行高熔點材料的噴涂；噴
射粒子的速度高，涂層致密，粘結強度高；使用惰性
氣體作為工作氣體，噴涂材料不易氧化；工作效率
高，基體溫度低，基體無變形或形變小。
TRT的工作性質要求：TRT葉片不能變形，涂層
厚度要求達到400 m左右；涂層不能脫落，耐磨、耐
蝕性能強。根據上述要求，綜合考慮選擇等離子噴
涂技術 。筆者主要介紹等離子噴涂制備TRT葉
片Co-Cr防護涂層的研究與應用。
l 試驗
1．1 噴涂材料
選用c0一cr系列粉末作為TRT葉片的噴涂材
料，粉末粒度為38．5—741xm。Co．Cr系粉末的主要
成分(質量分數)為40％ ～50％Co，25％ ～35％Cr，
3％ 一5％ Si，3％ ～4％ B ，5％ ～6％ W 。
1．2 噴涂工藝
等離子噴涂設備為DH 一1080等離子噴涂系
統。等離子噴涂TRT葉片工藝流程如圖2所示。
圖2 等離子噴涂工藝流程
Fig．2 Process flow of plasma spraying
除油：TRT葉片經加工或使用后，表面沾有油
脂；葉片表面可能存在疏松或微細裂紋，而這些地方
往往存在油污，需要處理干凈，不能帶入下道工序。
除銹：TRT葉片在加工過程中或使用后，表面會
有氧化膜、銹漬、灰塵等，噴涂前需要徹底處理干凈。
表面粗化：噴涂前用粒徑<450Ixm 的石英砂、
剛玉砂對待噴涂葉片進行噴砂處理，提高表面活性；
葉片表面粗化，比表面積增大，涂層的結合力增加。
除濕氣：在除油、除銹、表面粗化等工藝流程中，
空氣中的水蒸氣會吸附在葉片表面形成一層薄薄的
水膜，影響涂層的結合力。
噴涂打底層：采用專用過渡層，使基材與涂層形
成良好結合，增強涂層與基體的結合力。
噴涂工作層：在葉片表面噴涂防腐蝕抗磨損的
Co—Cr涂層。
1．3 涂層性能檢測
采用場發射高分辨掃描電子顯微鏡(SEM)觀
察噴涂層組織結構和形貌特征；采用Buehler 5410
維氏硬度計測定涂層顯微硬度；采用Instron3369萬
能實驗機測試噴涂試樣涂層的結合強度。
結合強度的具體測試方法：將兩個帶涂層的試
樣用粘合劑對接粘合，經自然風干后用夾具固定
(以免兩試樣不在一條中心線上)，放人烘箱加熱固
化(3h、100℃)，隨爐冷卻，去除試樣周邊多余的膠
(加熱后軟化流淌至邊緣)，即可取出待測。測定
時，采用2t或5t拉力試驗機；用夾具和銷子將試樣
上下兩孔固定，開機低速拉伸至兩試樣斷裂分開。
2 結果與討論
2．1 噴涂功率對涂層性能的影響
等離子噴涂功率對涂層沉積率、硬度及涂層與
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378 粉末冶金技術 2012年10月
基體的結合強度等性能都有一定的影響。圖3為噴
涂功率與涂層硬度的關系圖，圖4為噴涂功率與涂
層結合強度的關系圖。
由圖3和圖4可知，當等離子噴涂功率過小，粉
末粒子沒有達到熔融或半熔融狀態，這將增加粉末
的飛濺損耗，導致粉末沉積率低，涂層與基體的結合
力小，涂層組織疏松，孔隙度大。因此，涂層的硬度
和結合強度都會較低。
隨著等離子噴涂功率的增加，粉末沉積率也增
加，粉末可以達到完全熔融狀態，沉積層的硬度和密
度得到顯著提高，因此，涂層的硬度和結合強度都會
達到最佳狀態。而當等離子噴涂功率過大時，粉末
粒子熔化后，由于溫度過高，部分粉末氣化，粉末氧
化加重，導致涂層的結合強度下降。從圖3和圖4
也可以看到，等離子噴涂功率過大時，涂層硬度和結
合強度都會下降；而且，材料損失增大，成本增加。
噴涂功率／kW
圖3 噴涂功率與硬度的關系
Fig．3 The relation of spraying power and hardness
2．2 氣體流量對沉積率的影響
等離子噴涂常用氣體為氮氣和氬氣；有時為了
提高等離子弧焰流的焓值，在氮氣中可加5％ ～
10％的氫氣 。用于等離子噴涂的工作氣體按實
用與經濟原則進行選擇，只要是不與噴涂粉末和工
件材料發生有害反應、價格低廉、易于等離子化的氣
體，均可作為工作氣體，筆者選用氬氣、氮氣、氫氣作
為噴涂的工作氣體。
工作氣體的流量是最重要的參數之一，它直接
影響到等離子焰流的熱焓及速度，繼而影響噴涂效
率及涂層孔隙度。隨著工作氣流量的增加，等離子
焰有足夠的熱量使粉末熔化。圖5所示為氣體流量
與粉末沉積率的關系。當氣體流量為1O～20L／min
罨
艇
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螺
衄
悠
圖4 噴涂功率與結合強度的關系
Fig．4 The relation of spraying power and bond strength
時，粉末沉積率隨著氣體流量的增加而有所增加；當
氣體流量進一步增大，達到30L／min時，粉末的沉積
率達到最大值，約為55％ 。但是，如果進一步提高
氣體流量，達到40L／rain時，因為工作氣體流量過
大，粉末被大量的氣流帶走，致使粉末沉積率下降。
工作氣體流量／(L·min )
圖5 工作氣體流量與粉末沉積率的關系
Fig．5 The relation of the working gas flow and
the rate of deposition of powder
2．3 噴涂距離與噴涂角度對沉積率的影響
圖6所示為等離子噴涂距離與粉末沉積率的關
系。噴涂距離對等離子噴涂的粉末沉積率有顯著影
響：當噴涂距離過小，如噴涂距離<50mm時，工件
局部溫度上升極快，涂層應力增大，工件變形，涂層
開裂、脫落；當噴涂距離在100～150mm時，可以獲
得最大粉末沉積率；噴涂距離過大，熔融的噴涂粉末
顆粒到達基體噴涂面的數量減少，粉末沉積率相應
降低。
等離子噴涂時，氣流軸線方向與噴涂面應保持
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第3O卷第5期 夏光明等：TRT葉片co—cr粉末防護涂層研究及應用 379
在60。～120。的角度。噴涂角度過小或過大均會影
響涂層的結合力，涂層的孔隙數量會急劇增加。
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圖6 噴涂距離與沉積率的關系
Fig．6 The relation of spraying distance
and the rate of deposition
2．4 噴槍移動速度對涂層性能的影響
在等離子噴涂工藝中，噴槍的移動速度對涂層
質量和噴涂效率的影響在較寬范圍內并不明顯。在
供粉量一定的情況下，噴槍移動速度的控制，便是對
每次鍍層厚度的控制；在實際操作中，一次噴涂的厚
度不能太厚，應控制在0．02～0．05mm。如果噴槍
移動速度太慢，會造成涂層均勻性差，涂層局部過
熱，收縮應力增大，涂層開裂或脫落。
綜上所述，等離子噴涂制備TRT葉片co—cr系
粉末防護涂層的最佳噴涂工藝參數見表1所示。
2．5 性能檢測及使用效果
采用表1列出的等離子噴涂工藝參數制備了
TRT葉片涂層，檢測結果表明：涂層常溫下顯微硬
度(載荷50g，加壓15s)為902HV，600℃ 時為
622HV；結合強度為58．3MPa；經熱震試驗(800oC，
10次)，涂層無起皮、開裂、脫落現象，涂層抗熱震性
能好。
表1 等離子噴涂TRT葉片工藝參數
Table 1 Technology parameters of plasma spraying TRT blade
圖7所示為涂層的微觀形貌。由圖7可見，涂
層比較致密，存在少量孔隙。圖中的黑點為孔隙，孔
隙產生的原因有：在制備金相試樣時，涂層中硬質相
金屬陶瓷由于脆性較大而破裂脫落；采用熱噴涂技
術制備涂層時，均會產生孔隙。因此，一般在噴涂完
成后，會進行封孔處理。
圖7 涂層金相組織
Fig．7 Microstructure of coating
TRT葉片噴涂C0一Cr涂層后，經封孔處理，在
某煉鋼廠應用，取得了顯著效果。2010年5月湖南
省冶金材料研究所與該煉鋼廠合作，對該廠的2號
高爐TRT發電裝置的54片動葉和57片靜葉進行
了噴涂；于2010年7月裝機開始試驗，經過近兩個
周期的運行，涂層磨損、腐蝕很小，無起皮、開裂、脫
落現象，證明涂層具有優良的抗腐蝕、耐磨損性能。
國內某大型煉鋼廠的TRT葉片，經過co—cr涂層修
復，實際運行一年多，葉片涂層情況良好，仍在繼續
使用。圖8和圖9所示的是噴涂前后的TRT動葉
片和靜葉片。
3 結論
1)通過對TRT機組在運行過程中葉片腐蝕和
磨損原因的分析，制訂了TRT葉片防護涂層的制備
工藝。
2)通過對等離子噴涂工藝過程參數的對比分
析，確定了制備TRT葉片防護涂層的最佳工藝。該
工藝流程簡單，工藝穩定，便于操作。
3)等離子噴涂技術制備的TRT葉片防腐蝕耐
磨涂層性能優異：涂層室溫顯微硬度902HV，涂層
高溫(600~C)顯微硬度622HV；涂層與基體的界面

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