[实用新型]表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片

说明书

本实用新型公开了一种表面钎焊陶瓷基复合材料的抗水蚀叶片，该抗水蚀叶片由内部叶片金属基体、中间钎焊层与最外层具有高硬度抗磨损的陶瓷基复合材料抗水蚀层组成；为提高陶瓷基复合材料的可焊接性，实用新型利用待焊表面覆盖有厚度为0.1mm～0.5mm金属层的陶瓷基复合材料和含有少量可与陶瓷基复合材料发生互渗透的过渡金属成分的钎料进行钎焊，有效改善了陶瓷基复合材料的焊接性能，同时实现了钎料中的少量成分与陶瓷基复合材料发生原位反应，形成强结合界面，从而提高了叶片基体与陶瓷基复合材料的结合性能；本实用新型可用于大型核电汽轮机、火电汽轮机及抗水蚀叶片制备，有效提高叶片抗水蚀性能，延长部件的服役性能和使用寿命。

技术领域

本实用新型涉及抗水蚀涂层技术领域，特别涉及一种表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片。

背景技术

水蚀现象在核电机组、火电机组汽轮机末级叶片中普遍存在，水蚀导致汽轮机末级叶片产生锯齿状毛刺，造成应力集中，并且减小叶型根部截面的面积，改变叶片的振动特性，极大地损害了叶片的强度，使叶栅的气动性能恶化。汽轮机末级叶片的水蚀不仅使汽轮机级效率下降，严重者会引起叶片的断裂，导致机组设备损坏的严重事故。

国内外对汽轮机末级叶片水蚀问题的认识和研究由来已久，对水蚀问题的防护与修复研究一直都在进行中，所涉及的领域主要有水蚀理论、防水蚀防护措施、汽轮机低压缸的结构型式设计、热力系统设计及末级叶片的选用材料、结构、振动性能等各个方面。目前常用的汽轮机叶片防护与修复工艺包括焊接硬质合金、激光熔覆抗水蚀涂层、电镀硬铬、等离子喷涂、电火花强化、喷丸强化等方法，但均难以达到较好的防水蚀效果。陶瓷基复合材料(ceramic matrix composite，简称CMCs)具有耐磨抗蚀、高强度、高刚度、低密度等优良性能，并且可以具有类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感、没有灾难性损毁等优点，在抗水蚀领域有着广阔的应用前景。然而，发展陶瓷基复合材料叶片不仅成本高，且难度大，而将陶瓷基复合材料直接连接到金属叶片表面，实现对叶片基体的保护是更加切实可行且行之有效的方法。

陶瓷基复合材料与金属连接常用方法有：①借助粘结剂将CMCs与金属材料连接在一起，但其粘结强度较低，不能满足汽轮机叶片高速运转的需求；②利用机械紧固件对CMCs与金属材料进行机械连接，但是这样会增加叶片整体的质量，另外其对连接件的形状及可加工性有较高的要求，而这恰恰是CMCs很难达到的一点，并且对叶片造成机械损伤；③利用焊接技术将CMCs与金属材料进行连接，使CMCs与金属材料的待焊界面发生反应和扩散等物理或化学作用而完成结合，连接强度高，适用于叶片高速运转的要求。然而，CMCs在其焊接的过程中存在很大的难度：(1)不宜使用熔焊进行焊接，因为陶瓷材料熔点高，且部分陶瓷材料在高温容易分解(如Si₃N₄陶瓷在熔化前将升华或分解)；(2)陶瓷材料流塑性差且脆性大，因此不宜使用压焊的方式进行焊接；(3)由于大多数陶瓷材料不导电，故不能使用电弧焊和电阻焊进行焊接；(4)对于钎焊而言，由于陶瓷材料的化学惰性使钎料在母材表面的润湿程度较低，从而给钎焊也增加一定的困难；(5)CMCs中增强体通常为纤维或晶须，这些增强体在高温条件下可能导致性能下降，这就给焊接温度增加了苛刻的限制条件。考虑CMCs的特性，在焊接方法的选择上，应更多地考虑CMCs的适应性。