WC- Ni粉末火焰噴涂軸流式引風機動葉片開裂原因分析

劉天佐，楊衛(wèi)東，史志剛，崔雄華，張寶柱（.華電國際電力股份有限公司，濟南　5004；.華電能源股份有限公司富拉爾基熱電廠，黑龍江　齊齊哈爾　604；.西安熱工研究院有限公司，西安700）

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WC- Ni粉末火焰噴涂軸流式引風機動葉片開裂原因分析

劉天佐1，楊衛(wèi)東2，史志剛3，崔雄華3，張寶柱3
（1.華電國際電力股份有限公司，濟南250014；2.華電能源股份有限公司富拉爾基熱電廠，黑龍江齊齊哈爾161041；3.西安熱工研究院有限公司，西安710032）

摘要：對在投運較短時間內(nèi)發(fā)生開裂的WC-Ni粉末火焰噴涂處理的軸流式引風機動葉片進行試驗分析，結果表明：WC-Ni粉末火焰涂層中的龜裂或運行中產(chǎn)生的裂紋誘發(fā)了葉片的開裂，葉片開裂過程為：涂層開裂—煙塵沖蝕使裂紋擴展和基體形成凹坑—運行應力下裂紋疲勞擴展開裂。

關鍵詞：軸流式引風機；動葉片；WC-Ni粉末火焰噴涂；開裂

LIU Tianzuo1，YANG Weidong2，SHI Zhigang3，CUI Xionghua3，ZHANG Baozhu3

（1．Huadian Power International Co．，Ltd．，Jinan 250014，China；

2．Huadian Energy Co．，Ltd．，F(xiàn)ulaerji Thermal Power Plant，Qiqihaer 161041，China；3．Xi’an Thermal Power Research Institute，Xi’an 710032，China）

0　引言

軸流式風機因其體積小、重量輕和經(jīng)濟性好等優(yōu)點，已大量用作600 MW以上鍋爐的引風機。其動葉片為鋼質(zhì)葉片，在運行中受到煙氣中飛灰的沖蝕，使用壽命短。為了減緩煙塵的磨損，普遍采用粉末火焰熱噴涂對葉片表面進行處理來提高其使用壽命［1-6］。

近年發(fā)現(xiàn)多臺采用WC-Ni粉末火焰熱噴涂后的引風機在投運較短時間就發(fā)生動葉片開裂或斷裂，其中動葉片開裂的兩臺引風機的情況見表1。通過對A廠動葉片開裂的引風機的現(xiàn)場查看、取樣試驗分析和綜合分析對葉片開裂原因進行了分析，以期避免同類故障的再次發(fā)生。

表1　兩臺動葉片開裂的引風機情況

1　現(xiàn)場查看情況

動葉片葉身和葉柄的材料牌號為Q390B，其中葉身使用50 mm厚的鋼板，先進行銑和彎曲成型，然后與葉柄焊接。葉片表面涂層材料為硬質(zhì)合金粉末（鎳基合金Ni60、碳化鎢），噴涂方法為火焰熱噴涂，噴涂后進行火焰重熔，對葉身進氣側進行二次噴涂。

編號為15和17的兩只一級動葉片葉身開裂，15號葉片開裂位置位于葉身進氣側，裂縫在內(nèi)弧表面、背弧表面的長度分別為54 mm、62 mm、距葉柄距離147 mm；17號葉片開裂位置位于葉身進氣側，裂縫在內(nèi)弧表面、背弧表面的長度分別為85 mm、77 mm、距葉柄距離243 mm；兩只葉片裂縫均為從葉身進氣側附近的內(nèi)弧面向出氣側和背弧面方向擴展。綜上可知，兩只葉片裂縫的開裂位置和擴展方向相同，但距葉柄的距離有明顯差異，差96 mm。兩只葉片形貌見圖1。對引風機其他動葉片進行滲透檢測，發(fā)現(xiàn)葉身表面均存在線性缺陷顯示，其中1個葉片滲透檢測形貌見圖1（c）。

（a）15號　?。╞）17號　?。╟）滲透形貌圖1　葉片開裂和滲透檢測的宏觀形貌

2　試驗結果與分析

2.1葉片基體質(zhì)量檢驗

葉片基體的化學成分、抗拉強度、斷后伸長率和沖擊吸收能量符合標準對Q390B原材料的要求，葉片的規(guī)定塑性延伸強度和出氣側硬度值不符合標準的要求，其原因為在制作葉片所用鋼板的后續(xù)加工過程形變強化所致，基體組織未見異常，檢驗結果見表2、表3和圖2。

圖2　基體的金相組織形貌

2.2葉片涂層質(zhì)量檢驗

進氣側內(nèi)層涂層厚約0．2 mm，外層涂層厚約0．8 mm，涂層硬度在884～990 HV之間，涂層材料為Ni60，其中進氣側附近兩面的二次噴涂層材料為Ni60+WC顆粒，涂層材料成分含量（表4和圖3）、組織形態(tài)和硬度未見異常；葉片涂層表面存在較多裂紋（圖4），根據(jù)裂紋的形態(tài)和走向可分為橫向細長裂紋和網(wǎng)狀龜裂兩類；前者與葉身徑向垂直，即與葉身運行中變形方向垂直且裂紋相互近似平行；后者呈網(wǎng)狀。根據(jù)這兩類裂紋形態(tài)及與運行中受力方向關系，可判斷橫向細長裂紋為在運行過程中受離心力、煙塵激振力及振動等運行應力引起葉身輕微變形所導致；網(wǎng)狀龜裂在投運前就存在。

表2　化學成分分析結果（質(zhì)量分數(shù)）　%

表3　室溫拉伸和沖擊試驗結果

表4　涂層的EDS能譜分析結果（質(zhì)量分數(shù)）　%

圖3　涂層的能譜測試位置

圖4　葉片表面裂紋

2.3葉片開裂特征

內(nèi)弧面和背弧面存在多條裂紋，根據(jù)是否擴展至基體可分為未擴展到基體和已擴展到基體兩類，前者裂紋較細、尖端較尖，后者裂紋面間較寬、尖端圓鈍、剛擴展至基體中，在涂層和基體交接形成較大球形空洞，見圖5。

樣品進氣側斷口已被煙塵沖蝕，無法分辨該部位是否為源區(qū)，根據(jù)靠近進氣側未沖蝕斷口上的疲勞弧線與內(nèi)弧面涂層近似平行的特征（圖6和圖7），推斷斷口源區(qū)位于靠近進氣側的內(nèi)弧表面，該部位涂層脆性開裂；斷口擴展區(qū)和尖端存在放射狀臺階、疲勞弧線和疲勞條帶。樣品進氣側存在明顯煙塵沖蝕痕跡，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)運行中產(chǎn)生的橫向細長裂紋雖然有些在進氣側邊緣已開裂，但在進氣側未見首先啟裂跡象，考慮到裂縫斷口源區(qū)也非該部位，因此煙塵沖蝕不是葉片起裂的主要原因。因此可知葉片開裂類型為涂層脆性開裂+高周疲勞擴展。

圖5　涂層裂紋金相形貌

圖6　葉片斷口宏觀形貌

3　開裂原因分析

葉片的規(guī)定塑性延伸強度和硬度值不符合標準對原材料的要求，但其抗拉強度合格，故葉片的開裂與基體的材料質(zhì)量無直接關系。

樣品源區(qū)位于葉片靠近進氣側的內(nèi)弧表面，該部位涂層呈脆性開裂，進一步金相觀察發(fā)現(xiàn)運行中產(chǎn)生的橫向細長裂紋有的已擴展至基體中。

WC-Ni粉末火焰噴涂后的涂層為拉應力［7］，且葉片在運行過程中，承受離心力、煙塵激振力及振動等運行應力，不可避免的會引起葉身輕微變形，涂層會因葉身輕微變形和噴涂拉應力作用下而產(chǎn)生局部脆性開裂，隨著運行時間的延長逐漸擴展至基體，在煙氣中的微小固體顆粒沖擊下使裂紋開口不斷擴大形成通道，進而使得微小固體顆粒直接沖蝕葉片基體形成凹坑，最后引起葉片疲勞開裂，見圖8。

圖8　葉片開裂的幾個發(fā)展階段

4　結語

WC-Ni粉末火焰涂層中龜裂或運行中產(chǎn)生的裂紋誘發(fā)葉片的開裂。葉片開裂過程為涂層開裂—煙塵沖蝕使裂紋擴展和基體形成凹坑—運行應力下裂紋疲勞擴展開裂。粉末火焰噴涂的WC-Ni涂層雖提高了葉片的耐磨性能，但由于涂層為拉應力故易使涂層開裂，建議采取降低涂層脆性開裂傾向的相關措施以避免葉片的開裂，如將噴涂工藝改為涂層為壓應力的超音速火焰噴涂等。

參考文獻

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［7］徐潤生，徐濱示，劉曉明．涂層開裂對幾種熱噴涂涂層抗蝕效果的影響［J］．表面技術，2005（4）：40-42．

Cause Analysis on Blades Cracking for the Axial-Flow Fan with WC-Ni Power Flame Spraying

Key words:axial-flow fan；moving vane；WC-Ni power flame spraying；cracking

Abstract:Blades cracking of the axial-flow fan with WC-Ni power flame spraying is investigated．It is shown that the cracking in WC-Ni induces the blode cracking．Process of leaf blade cracking is：first，coating cracking；then，soot erosion crack propagation and the matrix form；finally，run under the stress cracking fatigue crack extension．

中圖分類號：TH431．1；TG135．6

文獻標志碼：B

文章編號：1007-9904（2016）02-0044-03

收稿日期：2015-08-13

作者簡介：

劉天佐（1963），男，高級工程師，主要從事電站金屬部件失效分析和鍋爐防磨防爆管理。