專利名稱：渦輪機構(gòu)件的涂層制備方法、該構(gòu)件及對應(yīng)機械部分的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦輪機構(gòu)件涂層的制備方法。本發(fā)明還涉及該構(gòu)件本身及安裝有 該構(gòu)件的渦輪機械部分。
背景技術(shù)：
由于渦輪機葉輪與工藝流體相互作用，且承受著連續(xù)的機械，化學(xué)以及熱應(yīng)力的 作用，因此它是渦輪機的關(guān)鍵構(gòu)件。這些構(gòu)件通常用“重”合金制造，從而在工作期間具有高度的持久性?！爸亍焙辖鹜ǔＲ馕吨@樣的金屬基合金，其中金屬具有高原子序數(shù)，例如鐵，鎳， 鈷等。不銹鋼和大體上所有的超合金(以鎳，鈷或許多其它金屬為基)都屬于重合金。通?；谔囟ǖ挠猛荆瑯?gòu)件或制造該構(gòu)件的材料須經(jīng)過機械、熱和/或化學(xué)處理 以改善其內(nèi)部或表面結(jié)構(gòu)，或制造表面涂層，從而提高機械，化學(xué)和/或熱的耐受性。通常進行鍍鎳步驟，形成保護涂層，以抵抗“腐蝕”?！案g”可以簡單地被定義為 金屬發(fā)生初始退化，并隨之與其它元素進行重組的典型過程。金屬比相應(yīng)的礦物具有更高 的能級，正因為如此，在特定環(huán)境中，金屬易于發(fā)生轉(zhuǎn)變或退化，稱之為“腐蝕”。腐蝕過程可 以依據(jù)不同的化學(xué)/物理過程，分類為例如干燥環(huán)境中的化學(xué)腐蝕，稱為“純化學(xué)腐蝕”或 晶間/晶界腐蝕；或潮濕環(huán)境中的電流/電化學(xué)腐蝕，或其它。鍍鎳是一種特殊表面處理， 使得鎳原子沉積在待處理表面，其目的是改善待處理材料的表面特性(例如硬度，對其所 處外部因素的耐受性)。鎳涂層具有低的孔隙率，從而在上述過程之后，基體材料被牢固的封閉以抵抗外 部因素的侵入，避免腐蝕的發(fā)生。因此，該涂層的抗腐蝕保護能力是優(yōu)良的，即使其還依賴所使用金屬的種類，依賴 金屬的具體的孔隙率，粗糙度和表面狀況；高濃度的磷(化學(xué)符號“P”)，超過10%，似乎能 夠提高耐蝕性。也可通過對于涂覆部分進行熱處理(退火)，以提高硬度和耐磨性，但后一種情況 會導(dǎo)致耐蝕性的下降。在渦輪機的離心式葉輪表面鍍鎳的最大缺點是，葉輪在使用時，由于 離心力，會發(fā)生徑向膨脹。因此，鍍鎳涂層可能膨脹產(chǎn)生小裂紋或裂縫，腐蝕將發(fā)生于此。盡管目前一系列新的鋼質(zhì)三維離心式葉輪正被開發(fā)，但出現(xiàn)了使用較輕的合金制 造葉輪的需求，特別是在某些應(yīng)用中，為了降低生產(chǎn)成本和提高安裝該構(gòu)件的機器的機械 性能。另一個引人注意的改進是，在使用具有比鋼更高的比電阻的材料時，可以增加相 同葉輪的轉(zhuǎn)速；鈦基、鋁基和鎂基輕合金由于較低的密度，均具有上述特征。使用輕合金制造的離心式葉輪有一個主要的缺點，即它們易于被流體沖蝕，該流 體速度很快，可造成磨損，特別是如果該流體包含液體或固體顆粒。在使用傳統(tǒng)重合金制造 的葉輪時，侵蝕通常并不明顯；但對于輕合金的葉輪，由于其材料具有低硬度和不耐侵蝕的 特性，侵蝕變得很嚴重并具有潛在的災(zāi)難性危險。
由于葉輪的轉(zhuǎn)速，損傷可進一步加大，轉(zhuǎn)速越高，侵蝕越嚴重這個問題限制了輕 合金，例如鋁在制造高轉(zhuǎn)速葉輪中的應(yīng)用?！扒治g”可以被簡要地被定義為一種現(xiàn)象，其伴隨著材料逐漸被氣體、流體或液體 等外部因素除去，該過程可伴隨物理或化學(xué)過程，也可與之交替發(fā)生?！澳p”可被定義為一 種具體的侵蝕現(xiàn)象，材料逐漸被固體外部因素除去。另一個困難是離心式葉輪的涂層通常必須以最容易地且最順利地“可加工”，以限 制制造成本。“可加工”是指可通過特定裝置(電化學(xué)浴池或其它)被制造的能力，使得具 有復(fù)雜幾何外形的葉輪被完全涂覆；這特別適用于三維封閉葉輪。而且，涂層須保證具有高 的表面硬度，以確保在長期工作期間材料的耐受性以及保護涂層本身，同時還要確保對于 異物萬一沖擊的耐受性。另一個不利因素是，必須仔細控制涂層的沉積，以保證工程公差，同時避免成品中 出現(xiàn)不可接受的缺陷，例如污點，涂層分層和破裂，要將其控制在特定涂層的可接受范圍 內(nèi)。因此，目前，渦輪機離心式葉輪的制造仍然面臨著技術(shù)進步的問題，需要更輕并更 具有耐受性，以適應(yīng)各種特殊應(yīng)用，同時還需要如“重”合金一樣至少同樣耐受固體顆粒和 液滴的侵蝕。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種生產(chǎn)渦輪機葉輪的簡單經(jīng)濟的方法，從而克服至少 一部分上述提到的問題。另一個目的是制造具有更好技術(shù)規(guī)范的葉輪和安裝該葉輪的渦輪機部分。一個特定目的也是使用特定涂層以消除某些上述缺陷，并同時制造具有比現(xiàn)用產(chǎn) 品更好技術(shù)規(guī)范的最終產(chǎn)品。在實踐中，這些目的可通過權(quán)利要求1中的方法，權(quán)利要求6和8中的葉輪和渦輪 機部分以及權(quán)利要求9中的用途來實現(xiàn)。本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢列在下面的權(quán)利要求中。本發(fā)明的一個主要方面是一種制造渦輪機葉輪的方法，至少包括以下步驟-制造“輕”合金葉輪，-在葉輪上涂覆至少一層鍍鎳涂層，本申請全文和所附權(quán)利要求中的“涂層”意味著這樣一種涂層，該涂層包括中間層 或在其上添加更多的中間層；這樣，涂層由許多層組成，一層疊一層，并且每一層的至少一 部分滲入另一層中?！拜p”合金表示合金的基體金屬具有低原子序數(shù)，例如鋁，鈦，鎂等。根據(jù)特定用途，本發(fā)明的一個非常合適的應(yīng)用是輕合金為鋁基的情況。在該應(yīng)用中，適用于本發(fā)明的鍍鎳是“化學(xué)鍍鎳”。“化學(xué)鍍鎳”通常是在工藝浴池中將還原劑直接作用在需要沉積的鎳離子上的過 程，從而激發(fā)鎳化學(xué)還原的自催化過程；該還原反應(yīng)通過次磷酸鈉(NaH2PO2XH2O)發(fā)生。浸 于工藝浴池中的機械構(gòu)件可以充當(dāng)催化劑。沉積可在任何材料(即使不是導(dǎo)電體)上完成， 例如金屬，玻璃，陶瓷或塑料。
特別是，考慮到工藝浴池中的主要試劑，可以確定以下的化學(xué)關(guān)系式(1) Η2Ρ02_+Η20 — Η2Ρ03_+Η2(2) Ni2++H2P02_+H20 — Ni+H2P03_+2H+次磷酸鹽離子在水溶液中催化氧化變成亞磷酸鹽離子并釋放氣態(tài)氫，與此同時， 鎳陽離子被水中的次磷酸鹽離子催化還原為金屬鎳，并伴隨著次磷酸鹽離子被氧化成亞磷 酸鹽離子，同時釋放出氫離子。鎳在這兩個反應(yīng)中均作為催化劑，該過程是“自觸發(fā)”。根據(jù)特定應(yīng)用，工藝浴池可包括更多的元素或物質(zhì)，例如，有機螯合劑，緩沖溶液， 激發(fā)劑，穩(wěn)定劑，PH調(diào)節(jié)劑或潤濕劑，以便獲得酸浴或堿浴，或氟化物基或氨基浴，或其它。該程序使得生產(chǎn)的鎳涂層具有恒定厚度(避免沉積后需要修正)，而與該構(gòu)件的 幾何形狀無關(guān)，從而避免電解步驟中的典型缺陷。在該發(fā)明的非常方便的應(yīng)用中，其涂層保護輕合金葉輪，鋁合金葉輪等使其不被 侵蝕。在該情況中，該鍍鎳應(yīng)用于渦輪機部分中所用的葉輪上，該渦輪機部分包含可導(dǎo)致侵 蝕現(xiàn)象的高風(fēng)險工藝流體，例如其中懸浮有液體或固體顆粒的氣體。本發(fā)明可用于工業(yè)應(yīng)用，例如天然氣和石油的抽出位置，因為從井中涌出的氣體 中可能含有液體或固體顆粒。化學(xué)鍍鎳的用于輕合金葉輪、特別是鋁基葉輪的另一個好處是，但非排它性的是， 由于基體材料上粘附有涂層，其硬度和耐磨性都很突出；還可通過進一步處理提高涂層部 分的硬度(例如，熱退火或其它)，這可以提高構(gòu)件抵抗侵蝕的能力。根據(jù)另一個方面，本發(fā)明可被看作輕合金渦輪機葉輪的制造，其上涂覆至少一層 保護性鎳涂層，優(yōu)選化學(xué)鍍鎳涂層。本發(fā)明的另一個方面是關(guān)于渦輪機部分，該渦輪機部分上裝配了至少一個上述相 同類型的葉輪。本發(fā)明的另一個方面是關(guān)于上述涂層的用途，用于保護渦輪機部分的輕合金葉 輪，特別是鋁基(但并非必須是鋁基)葉輪至少部分地不被侵蝕。本發(fā)明實施方法的一個優(yōu)點是，可以通過簡單和成本高效的方法將保護涂層用于 涂覆輕合金機械構(gòu)件，使其能有效地安裝在渦輪機部分中，特別是過程中涉及的流體是高 度侵蝕性的時候。另一個優(yōu)點是涂層可被容易地涂覆在復(fù)雜表面的構(gòu)件上，例如，離心壓縮機或膨 脹器的三維葉輪。另一個優(yōu)點是生產(chǎn)輕合金離心式葉輪，其明顯降低了構(gòu)件的重量，降低了機械應(yīng) 力和機床轉(zhuǎn)子的振動。減輕重量產(chǎn)生的另一個優(yōu)點是增加渦輪機的級數(shù)目和/或增加轉(zhuǎn) 速。另一個優(yōu)點是成本和生產(chǎn)時間非常低，從而大大提高生產(chǎn)力。另一個優(yōu)點是制造質(zhì)量提高，這是因為鎳的沉積易于控制，非常平均，產(chǎn)生均勻的厚度。另一個優(yōu)點是該方法用途很廣，其可通過自動化控制與部分制造工作一起完成， 例如涂漆或其它。另一個優(yōu)點是很容易獲得在項目中研究的具有理論流體動力學(xué)的最終構(gòu)件，最終 考慮了總比表面積增加系數(shù)。
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最后，上述發(fā)明允許用輕合金，特別是鋁基合金，制造離心壓縮機或膨脹器的葉 輪，并具有上面列出的優(yōu)點。本發(fā)明進一步的合適性能和制造方法在所附權(quán)利要求中列出， 并在可能應(yīng)用的一些實施例中進一步如下說明。


本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)附圖能夠很容易了解本發(fā)明的許多目的和優(yōu)點，但附圖所 示為實際的非限制性實施例。在圖中圖1表示本發(fā)明的方法制備的保護涂層的示意性剖面，并非按比例繪制；圖2表示根據(jù)本發(fā)明的方法制造的具有保護性涂層的機械構(gòu)件的剖視圖；圖3表示渦輪機部分的示意性剖面，其中安裝有本發(fā)明描述的機械構(gòu)件；圖4表示一組試樣的一些侵蝕試驗的結(jié)果圖，其中根據(jù)本發(fā)明所述方法涂覆涂層 的試樣，以及作為對比的商業(yè)用合金試樣。
具體實施例方式在圖中，(其中相同數(shù)字對應(yīng)相同部分)，如本發(fā)明所指出的(參見圖1)，涂層1通 過化學(xué)鍍鎳涂覆在離心式葉輪3的被處理表面3S上，該葉輪由輕合金制成。葉輪可以為各種類型，例如向心型，混流型或其它。圖2表示離心壓縮機的離心式 葉輪3的部分截面，并非按比例繪制，葉輪3表面按照本發(fā)明涂覆有上述的涂層1，并安裝在 軸5上；請注意，葉輪3的表面3S既包括外表面也包括內(nèi)表面(內(nèi)部通道)，但不包括用于 安裝在軸5上的孔3F。特別是，圖中的葉輪3是三維封閉式葉輪。很明顯，該葉輪可以為任 何其它類型，例如，開放三維葉輪，或封閉二維葉輪，或開放二維葉輪，或任何其它類型。需 要注意的是，圖1和2并非按比例繪制，涂層1的厚度也僅是用于說明書目的。圖3示意性描繪了一個普通的離心壓縮機10，其中包括定子盒12，其中的軸5可 自由轉(zhuǎn)動；軸置于一組軸承上，其提供了支柱14，一系列離心式葉輪3安裝在軸承上。葉輪 已涂覆涂層1，它們每一個分別安裝在壓縮機10的每一級上。在盒子中，定子通道被切開 16，工藝流體達到第一個葉輪的出口，通向第二級，等等，直到流體流出壓縮機10。請注意的是，壓縮機僅是示例，本發(fā)明還可被用于其它類型的離心式壓縮機，或其 它離心渦輪機，例如泵，或膨脹器，或其它類型的設(shè)備。涂覆保護涂層1時，該方法方便地建 議將葉輪3浸入包含試劑水溶液的工藝浴池中?；瘜W(xué)浴中至少含有以下試劑鎳鹽，與水溶液混合的次磷酸鈉還原劑。反應(yīng)在葉輪 浸入浴池中的瞬間觸發(fā)，開始在葉輪3上覆蓋薄的鎳基涂層1?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)葉輪在浴池中的時間，控制涂層的厚度(一旦沉積速度已知)，優(yōu)選 50-100 μ m或更多。依賴于特定應(yīng)用，可在鎳基涂層上涂覆更多的涂層，例如油漆或樹脂，或其它相似 的產(chǎn)品。依賴于特定應(yīng)用，還可在化學(xué)浴池中加入特定元素或物質(zhì)，例如碳化鎢，DLC,碳化 鉻，乳酸或其它?？赏ㄟ^以下預(yù)處理步驟處理葉輪3表面，例如噴丸以減少應(yīng)力和提高材料 的應(yīng)力抗力；通過溶劑，或去垢劑，或蒸汽，或浸入構(gòu)件對葉輪進行化學(xué)降解處理；掩蓋不需涂覆的表面，例如安裝軸的孔，或其它處理。本發(fā)明最方便的應(yīng)用中，制備機械構(gòu)件3的輕合金是鋁基合金。作為例子，下表列出了鋁合金7175-T74和7050-T7452的成分(依據(jù)國際標準 ASTM B 247M)，其可用于制備構(gòu)件3;顯然，這只是個示例，輕合金的技術(shù)規(guī)范允許可使用不 同的成分和含量。
權(quán)利要求
一種制造渦輪機葉輪的方法，其特征在于，所述方法至少包括以下過程 用輕合金制造所述葉輪； 在所述葉輪上涂覆至少一層鍍鎳涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鍍鎳通過化學(xué)鍍鎳進行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述鍍鎳至少包括以下步驟將所述 葉輪浸入工藝浴池中，該工藝浴池至少含有水溶液中的次磷酸鈉離子。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，基于需要使用所述葉輪的特定應(yīng)用，加入 更多的元素，例如，有機螯合劑，緩沖溶液，激發(fā)劑，穩(wěn)定劑，PH調(diào)節(jié)劑或潤濕劑。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所使用的所述輕合金是鋁或 鈦或鎂，或任何輕金屬。
6.一種用于渦輪機部分的葉輪，其特征在于，所述葉輪由輕合金制成，并且所述葉輪上 涂覆有至少一層根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所形成的涂層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的葉輪，其特征在于，所述葉輪與渦輪機部分相關(guān)聯(lián)，該渦輪機 部分由于工藝流體，例如含有液體或固體顆粒的氣體而工作，該工藝流體引發(fā)侵蝕現(xiàn)象。
8.一渦輪機部分，其特征在于，它包括至少一個如權(quán)利要求6或7所述的離心式葉輪。
9.化學(xué)鎳涂層在至少部分地保護渦輪機葉輪方面的用途；所述葉輪由輕合金制成，所 述輕合金例如是鋁或鈦或鎂或任何其它輕金屬基合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造渦輪機葉輪的方法，至少包括以下步驟用輕合金制造葉輪，在葉輪上涂覆鍍鎳涂層。
文檔編號F04D29/02GK101956187SQ20101050421
公開日2011年1月26日 申請日期2010年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月15日
發(fā)明者A·阿萬茲尼, E·焦爾尼, I·焦萬內(nèi)蒂, M·詹諾茲, R·保萊特 申請人:諾沃皮尼奧內(nèi)有限公司