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．，Fulaerji 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　　（b）17號　　（c）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葉片涂層質量檢驗

進氣側內層涂層厚約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），根據裂紋的形態(tài)和走向可分為橫向細長裂紋和網狀龜裂兩類；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；后者呈網狀。根據這兩類裂紋形態(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；網狀龜裂在投運前就存在。

表2　化學成分分析結果（質量分數）　%

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（質量分數）　%

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

內弧面和背弧面存在多條裂紋，根據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)，根據靠近進氣側未沖蝕斷口上的疲勞弧線與內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，經觀察發(fā)現運行中產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量無直接關系。

樣品源區(qū)位于葉片靠近進氣側的內弧表面，該部位涂層呈脆性開裂，進一步金相觀察發(fā)現運行中產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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［4］趙輝，劉兵，丁彰雄，等．燃煤鍋爐軸流式引風機葉片耐磨涂層的應用研究［J］．中國電力，2007，40（3）：23-27．

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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。