摘 要

送风机叶片的失效会给电厂带来严重的经济损失，而对其进行再制造以及表面强化处理可以延长其使用寿命，从而带来显著的经济效益。本文主要在对电站锅炉送风机叶片进行冲蚀磨损失效机理分析的基础上，选用氩弧焊堆焊工艺及ER5183镁铝合金焊丝对送风机叶片进行修复，恢复其尺寸和形状。并且根据送风机叶片的失效机理、材质及其工况，为其设计了以下四种由高速电弧喷涂技术制备的耐磨涂层：K90、K99A、K99B和L88A。为了比较分析四种耐磨涂层的性能，采用GP-1干式喷砂机设备，分别以30°和90°两个不同的角度对各涂层试样进行了冲蚀磨损试验，得出了以下结论：在四种涂层中，K99A涂层具有最优良的抗冲蚀磨损性能。因此最终采用高速电弧喷涂技术为送风机叶片制备了K99A耐磨涂层。

关键词：送风机；冲蚀磨损；再制造；耐磨涂层

Abstract

The failure of the blower blades can cause serious economic losses to the power plant, and remanufacturing and surface-strengthening treatment of the blower blades can extend their service life, resulting in significant economic benefits. This paper mainly analyzes the erosion and wear failure mechanism of the blower blade of the power station boiler, selects the argon arc welding surfacing process and ER5183 magnesium aluminum alloy welding wire to repair the blower blade and restore its size and shape. And, according to the failure mechanism, material and working conditions of the blower blade, the following four wear resistant coatings prepared by high-speed arc spraying technology were designed: K90, K99A, K99B and L88A. In order to compare and analyze the performance of the four wear-resistant coatings, an erosion wear test was performed on each coating sample at two different angles, 30° and 90°, using GP-1 dry sandblasting equipment. The following conclusions: Among the four coatings, the K99A coating has the best erosion and wear resistance. Therefore, high-speed arc spraying technology was finally used to prepare K99A wear-resistant coatings for blower blades.

Key Words：forced draught blower; Erosion wear; Remanufacturing; Wear-resistant coating

目录

第1章 引言 1

1.1课题提出的背景和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3本论文的研究内容 2

1.4本章小结 3

第2章 电站锅炉送风机叶片的失效机理 4

2.1冲蚀磨损的机理 4

2.1.1冲蚀磨损理论 4

2.1.2影响冲蚀磨损的因素 5

2.2送风机叶片失效机理分析 7

2.2.1送风机的结构、作用和工作原理 7

2.2.2送风机叶片的失效机理 8

2.3本章小结 10

第3章 电站锅炉送风机叶片的再制造 11

3.1送风机叶片的再制造工艺过程 11

3.2送风机叶片的堆焊 11

3.2.1堆焊工艺的选择 11

3.2.2堆焊材料的选择 13

3.2.3堆焊的工艺流程 14

3.3本章小结 15

第4章 送风机叶片耐磨涂层的设计 16

4.1叶片耐磨涂层材料选择 16

4.1.1送风机叶片涂层必须满足的条件 16

4.1.2涂层材料的选择 16

4.2叶片耐磨涂层的制备工艺 17

4.2.1几种常用的热喷涂技术 17

4.2.2喷涂方法的选择 19

4.3叶片耐磨涂层的冲蚀磨损性能 19

4.3.1冲蚀磨损试验方案 20

4.3.2冲蚀磨损试验结果分析 21

4.4本章小结 22

第5章 送风机叶片耐磨涂层的制备 23

5.1叶片涂层的制备工艺参数 23

5.2叶片涂层的制备工艺过程 23

5.3本章小结 25

第6章 结论 26

参考文献 27

致谢 29

第1章 引言

1.1课题提出的背景和意义

目前，我国供应电力的主要方式仍然是火力发电，每年来自于火力发电的电量大约占全国总发电量的百分之八十左右^[1]。送风机在电厂中发挥着重要作用，是电站锅炉的重要辅机之一，为锅炉的燃烧提供所需要的二次空气。然而由风机内带粒流动的灰粒造成的叶片腐蚀或磨损的问题日益突出^[2]。风机叶片的失效，会造成锅炉燃烧不稳定，导致热负荷不平衡，热效率下降，甚至引起停炉，从而影响整台机组的正常工作^[3]。因此风机叶片需要及时更换，但由于叶片价格昂贵，会造成巨大的经济损失。而再制造技术具有优质、高效、节能、节材、环保的特点，可以很好地解决这一问题^[4]。在对风机叶片进行再制造的过程中，对其进行表面处理，提高其表面性能，可以很好地延长其使用寿命。所以，如何在分析失效机理的基础上，对风机叶片进行再制造，并进行表面处理工作，从而提高风机叶片的耐磨性和使用寿命是一个不可忽视的问题。

1.2国内外研究现状

对于电站风机的失效机理的分析以及再制造，近年来有不少研究。在排粉机方面，在2008年张迅民^[5]等人通过对冲蚀磨损理论分析以及利用Fluent 软件对煤粉的运动流场进行模拟,得出了如下两条结论：（1）排粉机叶片的冲蚀磨损是煤粉中高硬度而且带有棱角的长石和石英等杂质颗粒经过反复塑变、强化, 最终脱落成磨屑而导致的磨损。磨损量与磨料硬度有直接的关系。（2）进风口、靠后壁面叶片以及叶片弯曲外侧和出口处是叶片磨损的主要部位。2011年付开利^[6]在分析排粉机叶片的磨损机理的基础上，提出了几种防磨的措施，阐述了在目前国内应用的各种工艺中，表面堆焊的普遍性。而在表面技术方面，李永成^[7]研究和探讨了等离子熔覆金属陶瓷耐磨涂层的特性，在排粉机叶片的再制造中得到了很好的应用。在引风机方面，早在1997年徐向阳^[8]等人专门分析了引风机动叶片的磨损失效机理。他们通过理化分析和形貌观察，得出了以下结论：动叶片的磨损属于冲蚀磨损,且冲蚀角度较低；基体材料中的WC等金属化合物和镍基奥氏体发生磨损的机理是不同的，前者是疲劳脆断，后者属于微切削。2002年隆重^[9]又通过对叶轮磨损的理论分析，得出了影响叶片磨损的三个因素：①冲蚀速度和冲蚀角度；②叶片基体材料的耐磨性能；③磨粒的大小和磨削性能。在2007年赵辉^[10]等人研究了表面技术在引风机叶片上的应用，她们采用不同的热喷涂方法制备出了几种不同组织结构及性能的喷熔层和喷涂层, 并通过试验比较分析了各个涂层的抗冲蚀磨损性能,为引风机叶片耐磨涂层材料及制备工艺的选择提供了重要的理论依据。在之后的两年，郭保军^[11]等人阐述了热喷涂的工艺过程，分析了几种主要应用于引风机叶片的防护和修复的热喷涂工艺的特点，为引风机叶片耐磨涂层制备工艺的选择提供了参考价值。在2010年，丁彰雄^[12]等人研究了引风机叶片的再制造，根据其失效机理制定了再制造的工艺过程，选用微弧仿形堆焊或激光仿形堆焊的方法恢复其尺寸形状，也阐述了引风机叶片表面强化时的热喷涂涂层的材料与制备工艺的选择。在一次风机方面，冯驰^[1]等人为了研究表面技术在一次风机上的应用，对一次风机的失效机理进行了理论分析，他们认为对一次风机叶片的失效造成影响的因素有很多，其中主要包括：风机叶片开度的大小，叶片的材质及加工工艺，煤灰的温度和浓度，冲蚀时间以及冲蚀角度等。在此基础上，提出了利用叶片补焊来恢复叶片的几何尺寸的方法，从而保证一次风机在工作过程中有足够的出力。同时，他们选用了高速电弧喷涂的MMC涂层对一次风机叶片进行表面处理，并对其进行了性能试验，突出了该涂层的特点，为一次风机叶片耐磨涂层材料及制备工艺选择的提供了参考价值。而在送风机方面，相应的文献研究比较少，M.Nurbanasari^[13]等人在对某起送风机叶片事故分析的时候提到了叶片表面损伤是由于外部颗粒造成的，而外部颗粒为粉煤灰。H.Kazempour-Liacy^[14]等人通过目视检查，微观结构表征，断口表面研究和硬度测试对送风机叶片针对腐蚀和疲劳损坏进行了分析，结果表明由于发电厂位于海洋附近，大气中氯离子的存在导致叶片表面出现点蚀。此外，由于气流中颗粒物质的机械作用而导致的表面瑕疵的存在导致由于应力集中而在研究的叶片的表面上引发疲劳裂纹。这两个研究都未能对送风机的失效机理进行一个系统的分析。冯砚厅^[15]等人在分析某起送风机叶片断裂的事件时提到了利用焊接修复断裂的叶片，虽然对焊接采取了急冷，去除应力等一系列措施，可是缺少对表面涂层的处理，并没有将再制造技术很好地应用进来。目前，就表面技术方面，WC-CoCr等金属陶瓷热喷涂涂层由于其高硬度和高韧性而被广泛用于电沉积硬质Cr涂层的替代^[16]。而又有研究表明：纳米结构WC 基材料比普通微米WC 基材料具有更高的耐磨性^[17]。综上所述，关于送风机叶片的失效机理及再制造技术有待进一步地深入研究。

1.3本论文的研究内容

本论文的研究内容主要包括以下几个方面：

1. 分析送风机叶片的失效机理。
2. 为送风机叶片的再制造制定合适的再制造工艺，恢复其尺寸和形状。
3. 根据送风机叶片的失效机理，为其设计合适的耐磨涂层，提高其表面性能，延长其使用寿命。
4. 根据所选耐磨涂层，选择对应的热喷涂技术，制定合理的涂层喷涂工艺。
5. 设计试验，研究所制备涂层的抗冲蚀磨损性能。

1.4本章小结

本章主要阐明了该课题提出的背景和意义，概述了对于风机叶片失效机理的分析及再制造方面国内外的研究现状，指出了本论文主要的研究内容。

第2章 电站锅炉送风机叶片的失效机理

2.1冲蚀磨损的机理

2.1.1冲蚀磨损理论

冲蚀磨损是指材料表面因受到小而松散的液体或固体流动粒子的冲击而损耗的现象或过程^[18]，是造成材料和设备失效的重要因素之一。目前，已经有很多种冲蚀磨损模型被提出。以下是几种典型的冲蚀磨损理论。

（1）微切削理论

微切削理论是由Finnie .I^[19] 于1958 年首先提出。他将磨粒冲击靶材表面造成磨损的过程看作是一把微型刀具在靶材表面切割的过程。此外，他还发现了冲蚀体积与其影响因素之间的定量关系：材料的冲蚀体积与磨粒的动能成正比，与靶材的流动应力成反比，与冲击角度有一定的函数关系。经证实，此理论仅适用于典型的塑性材料在多角磨粒，低冲角情况下的磨损，而对于脆性材料，非多角磨粒，大冲角的情况有较大偏差。而且，靶材磨损体积与粒子冲蚀速度二者之间的平方关系也不是固定数值2，而是介于2.2和2.4之间。

（2）变形磨损理论

变形磨损理论是由Bitter^[20]于1963年提出的，他认为冲蚀磨损中同时存在有变形磨损和切削磨损两种作用效果，总的磨损量为二者的综合磨损量。该理论认为，冲蚀磨损破坏的原因可以归结为与力学原因，且在90°冲蚀角下的磨损和冲击时材料的变形密切相关。在粒子不断冲击的作用下，靶材表面会因产生了加工硬化而使弹性极限增加。在粒子冲击的过程中，若冲击力未超过靶材的屈服强度，靶材仅产生弹性变形；若冲击力超过了靶材的屈服强度，靶材除了会产生弹性变形还会产生塑性变形，从而形成裂纹。并且，Bitter在能量平衡观点的基础上，分别推导出了变形磨损的方程和切削磨损的方程。

（3）锻压挤压理论

锻压挤压理论是由Levy等人提出的。Levy^[21] 等人研究了冲蚀磨损的动态过程，研究表明，在粒子反复冲击的过程中，靶材的表面都会因不断地受到挤压而产生高度变形的小薄片，之后，随着粒子继续的冲击，这些高度变形的小薄片会受到反复的挤压变形，最终从靶材表面脱落造成材料的流失。而且此过程与冲蚀角度的大小无关。该理论可以很好地解释塑性材料的冲蚀磨损现象。

（4）脆性材料的冲蚀磨损理论

脆性材料与塑性材料不同，当受到粒子冲击时，脆性材料几乎不发生塑性变形。一般来说，塑性材料的冲蚀磨损过程可以分为两个过程：①冲蚀坑附近发生弹性变形；②表面裂纹的形成，发展和断裂^[22]。即脆性材料的磨损是裂纹产生、扩展形成碎片并最终脱落的过程，而且裂纹会首先在有表面缺陷的地方产生。脆性材料的冲蚀磨损理论由于起步相对较晚，发展还不是十分成熟。弹塑性压痕破裂理论属于脆性材料冲蚀磨损理论的一种，是目前影响较大的一种脆性材料的冲蚀磨损理论。

弹塑性压痕破裂理论是由Evans 等人提出的。该理论认为，材料的冲蚀磨损与冲击过程中产生弹性变形区有直接关系，该弹性变形区位于冲击压痕部位的下方，随着粒子持续的冲击，在该弹性变形区内会开裂产生裂纹。而且，若冲击应力超过冲击部位开裂的极限强度，材料内部将会产生很大的残余应力，以至于即使没有持续负荷的冲击，该残余应力也会导致靶材的进一步开裂进而形成横向的扩展裂纹。大量的试验证明了该理论在磨粒和靶材对冲蚀磨损的影响方面的合理性，但不适用于脆性粒子以及高温下的刚性粒子冲击脆性材料的现象^[18]。

（5）二次冲蚀理论

一般在冲蚀理论的研究中，都会假设粒子的硬度远大于靶材材料的硬度，不考虑粒子破裂的情况。但二次冲蚀理论阐述了冲击粒子破裂的情况下的冲蚀机理。该理论是G. P. Tilly ^[23]在试验的基础上提出来的。他把整个冲蚀过程划分为两个阶段，第一个阶段是粒子直接入射撞击到靶材上造成的一次冲蚀；第二个阶段是经过第一次撞击后破裂的粒子再次撞击到靶材表面而导致二次冲蚀。总的冲蚀磨损量为两次之和。G. P. Tilly认为, 粒子的粒度，冲击速度以及冲蚀角度影响了冲击之后粒子的破裂程度。而二次冲蚀的能力与粒子的动能和破裂程度成正比。该理论在一定程度上解释了脆性颗粒在大冲击角度下的冲蚀问题。

（6）绝热剪切与变形局部化磨损理论

绝热剪切与变形局部化磨损理论是由Hutchings^[24] 于1979年提出，Hutchings通过观察冲击试验的整个过程，发现了变形唇的存在，随后，基于对冲蚀时材料应变率的估算，他提出了绝热剪切与变形局部化磨损理论。该理论认为,靶材受到冲击产生严重的塑性变形，从而使得靶材的温度升高很快，开始的变形过程绝热化和后来的变形局部化形成绝热剪切带，从而产生了变形唇。目前，该理论已经得到了普遍的认可。

2.1.2影响冲蚀磨损的因素

（1）磨粒形状的影响

磨粒的形状对材料的冲蚀率有较大的影响。多角状磨粒和球状圆滑磨粒的磨削性能是不同的，同样的条件下前者对材料造成的冲蚀程度要远大于后者。如当冲击角为45°时, 二者造成的磨损量可相差四倍之多。甚至即使多角状磨粒的硬度稍低于球状圆滑磨粒时，多角状磨粒也还是具有更大的磨损能力^[18]。

（2）磨粒粒度的影响

粒度对塑性材料和脆性材料的影响是不同的。对于塑性材料，存在一个能造成冲蚀磨损的最小粒度值，当粒度在大于这个最小值的一定范围内，材料的冲蚀率会随粒度增加而上升。而在粒度增加的过程中，又会存在这样一个临界值，当粒度增大到这个临界值时，材料的冲蚀率将几乎不再随粒度的增加而上升或上升趋势极缓，这种现象被定义为“粒度效应”^[25]。而对于脆性材料而言，磨粒粒度的影响就比较简单了，冲蚀率会一直随粒度的增加而上升。

（3）磨粒硬度的影响

磨粒硬度的大小是相对于靶材硬度而言的，二者之间的相对硬度可以影响靶材冲蚀磨损的特性，通常可以用粒子硬度与靶材硬度之间的比值来界定冲蚀磨损特性的指标，当该比值较大时，靶材表现为塑性材料的冲蚀特性，冲蚀率较大；当该比值较小时，冲蚀率会随着该比值的减小而减小，且有研究表明该临界值为1.2。章磊、毛志远^[26]等人研究了磨粒对模具钢的冲蚀行为，他们认为，磨粒与靶材相对硬度不同，冲蚀磨损的机理也会不同，当二者硬度比接近或大于1时，冲蚀磨损以微切削和犁沟为主；而当二者硬度比小于1时，粒子会多次冲击靶材，使靶材呈小片脱落流失。

（4）冲蚀角度的影响

冲蚀角度是指粒子入射方向和靶材表面的夹角。粒子冲击到靶材表面会产生两种作用效果，一种是垂直方向的撞击作用，一种是水平方向的切削作用。两种作用效果随着冲蚀角度的改变此消彼长，综合作用也就会不同。因此，冲蚀角度对冲蚀磨损便产生了影响，而且，对于不同的材料产生的影响也不同。对于塑性材料，存在有一个临界角度值，在这个临界值处冲蚀率最大；小于该临界值时，冲蚀角度越大，冲蚀率越大，大于该临界值时则恰好相反。对于脆性材料，冲蚀角度的影响和粒度类似，冲蚀角度越大，冲蚀率也就越大。

（5）冲蚀速度的影响

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