本發(fā)明涉及工程與材料科學(xué)及表面涂層技術(shù)、耐磨耐沖蝕涂層，特別涉及一種強(qiáng)化水輪機(jī)葉片表面的超音速火焰噴涂方法。

背景技術(shù)：

長(zhǎng)久以來全球?qū)τ谒艿拈_發(fā)越來越深入，據(jù)報(bào)道，目前我國(guó)水利發(fā)電總裝機(jī)容量突破3億KW，約占全球水電裝機(jī)總量的1/4。水輪機(jī)過流部件的磨蝕嚴(yán)重導(dǎo)致水力發(fā)電設(shè)備需要經(jīng)常更換修復(fù)，不僅浪費(fèi)了大量的人力物力，還影響電站的經(jīng)濟(jì)效益。因此，解決水輪機(jī)過流部件尤其是水輪機(jī)葉片磨蝕問題十分緊迫。

水輪機(jī)作為動(dòng)力機(jī)械在水利發(fā)電中具有重要作用，但江河水中環(huán)境復(fù)雜，存在大量的泥沙和電解質(zhì)，其中水輪機(jī)葉片最易產(chǎn)生磨蝕現(xiàn)象。葉片長(zhǎng)期浸沒在高速旋轉(zhuǎn)的水流中，不僅受到高速水流的沖擊、氣蝕以及機(jī)械力作用，同時(shí)還受到水流中夾雜的泥沙等介質(zhì)的摩擦切削作用，對(duì)水輪機(jī)葉片造成嚴(yán)重威脅。沖刷磨損、磨蝕破壞、空蝕和點(diǎn)蝕是水輪機(jī)葉片的主要破壞形式。

在本發(fā)明提出之前，我國(guó)在水輪機(jī)葉片表面防護(hù)方面采取的有效方法有電鍍、激光表面淬火、氧乙炔火焰噴涂耐磨涂層結(jié)合重熔工藝、電火花沉積納米WC結(jié)合焊接增強(qiáng)、等離子熔覆耐磨耐熱涂層等。但這些方法往往存在一些不足，如污染環(huán)境、工藝復(fù)雜、設(shè)備昂貴、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高等，不適合大規(guī)模水輪機(jī)葉片的強(qiáng)化與修復(fù)，因此急需開發(fā)一種生產(chǎn)效率高且簡(jiǎn)單可行的方法來增加水輪機(jī)葉片的耐磨耐蝕性，延長(zhǎng)其使用壽命。

超音速火焰噴涂(HVOF)是將氣態(tài)或液態(tài)燃料與高壓氧氣混合后在特定的燃燒室或噴嘴中燃燒，燃燒焰流速度可達(dá)到五馬赫(1500m/s)以上，融化的粉末顆粒在燃燒的火焰中可以被加速到300-600m/s，甚至更高。超音速火焰噴涂粒子溫度低、飛行速度快，因此得到的涂層的結(jié)合強(qiáng)度高、孔隙率更低，在制備水輪機(jī)葉片表面耐磨耐蝕涂層方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

CN102506002A涉及一種耐氣蝕水輪機(jī)葉片以及氧-乙炔火焰噴涂結(jié)合重熔后處理的方法，該方法針對(duì)水輪機(jī)葉片在氣泡潰滅的沖擊作用下易發(fā)生彈性變形和塑性變形，如此反復(fù)而導(dǎo)致葉片表面發(fā)生裂紋，最終不得不更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的現(xiàn)象，采用火焰噴涂工藝在水輪機(jī)葉片表面噴涂Ni60+20％WC涂層，使水輪機(jī)葉片表面具有高耐氣蝕能力，涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度高，可以有效解決當(dāng)前水輪機(jī)葉片氣蝕現(xiàn)象。

CN105695987A發(fā)明一種金屬水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪表面電火花沉積納米碳化鎢強(qiáng)化方法，該發(fā)明先是除去水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的油污和氧化物，然后用聚乙烯醇把WC-Co納米晶粉末混合成糊狀預(yù)制在待沉積葉片表面，采用電火花沉積堆焊機(jī)把亞微米WC-Co陶瓷合金棒作為陽極，在Ar保護(hù)下，與被沉積的粉末的水輪機(jī)葉片作為陰極，將亞微米WC-Co陶瓷硬質(zhì)合金棒、WC-Co硬質(zhì)合金納米晶粉末和水輪機(jī)葉片熔融在一起，冷卻凝固。該發(fā)明制備的水輪機(jī)葉片硬度超高，致密性高，耐磨性好，壽命長(zhǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于克服上述缺陷，研制一種強(qiáng)化水輪機(jī)葉片表面的超音速火焰噴涂方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種強(qiáng)化水輪機(jī)葉片表面的超音速火焰噴涂方法，其主要技術(shù)特征在于，包含以下步驟：

(1)對(duì)水輪機(jī)葉片用有機(jī)溶劑清除油污、銹漬和氧化物處理并干燥；

(2)用棕剛玉對(duì)噴涂表面進(jìn)行噴砂粗化處理；

(3)稱取180～300目的硬質(zhì)合金粉末放于100℃烘箱中干燥2h備用；

(4)用超音速火焰噴槍在水輪機(jī)葉片表面空走一遍，對(duì)待噴涂表面進(jìn)行預(yù)熱；

(5)采用超音速火焰噴涂設(shè)備直接在預(yù)熱過的葉片表面噴涂耐磨耐蝕硬質(zhì)合金涂層；

(6)涂層厚度可根據(jù)需求分多次實(shí)施噴涂獲得；

(7)硬質(zhì)合金粉末材料包括不同Co含量的WC-Co硬質(zhì)合金粉末。

所述步驟(2)噴砂處理后粗糙度要求不低于Ra 7.0～9.0。

所述步驟(4)預(yù)熱溫度為100～300℃。

所述步驟(5)中火焰溫度為2500～3500℃，粒子速度為300～800m/s。

所述步驟(6)中涂層厚度為100～500μm。

所述步驟(7)中WC-Co硬質(zhì)合金粉末Co的質(zhì)量百分比為3～17％，添加相可以是Fe基、Ni基、Cr基等金屬材料。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果在于：

第一，本專利提出采用一種超音速火焰噴涂技術(shù)在水輪機(jī)葉片表面制備耐磨耐蝕硬質(zhì)合金涂層的方法，顯著增強(qiáng)葉片表面的強(qiáng)度硬度以及抗磨蝕性能。

第二，本發(fā)明提出的超音速火焰熱噴涂方法具有噴涂粒子溫度低，飛行速度快的特點(diǎn)，在噴涂過程中有效降低WC-Co顆粒在焰流中脫碳分解，涂層內(nèi)部孔隙率極低且與水輪機(jī)葉片基體結(jié)合強(qiáng)度高，無需進(jìn)行工藝復(fù)雜后處理便可投入使用，大大縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本。此方法易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和流水作業(yè)，符合綠色環(huán)保的生產(chǎn)理念，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。

相比于專利CN102506002A中采用的氧-乙炔火焰噴涂結(jié)合重熔強(qiáng)化水輪機(jī)葉片的方法，本專利對(duì)基體影響小，不會(huì)使基體變形，無需CN102506002A所需的重熔后處理步驟，因此具有工藝簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)。

相比于專利CN105695987A，本專利采用的制備技術(shù)操作更加簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率更高，涂層具有沉積效率高、涂層孔隙率低的特點(diǎn)，同時(shí)相比于CN105695987A中所使用的亞微米WC-Co陶瓷硬質(zhì)合金棒和納米晶WC-Co硬質(zhì)粉末，本專利所選用的粉末均是微米級(jí)的，因而成本更低。

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

附圖說明

圖1——本發(fā)明超音速火焰噴涂涂層形成原理示意圖。

圖中標(biāo)號(hào)表示對(duì)應(yīng)部件名稱如下：

超音速火焰噴槍1、燃料混合室2、焰流3、送粉管4、熔融顆粒5、水輪機(jī)葉片6、噴涂涂層7。

圖2——本發(fā)明實(shí)施例1中WC-12Co粉原料和HVOF涂層的XRD圖譜示意圖。

圖3——本發(fā)明實(shí)施例1中的WC-12Co涂層截面光學(xué)顯微示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的技術(shù)思路是：

本發(fā)明提供一種強(qiáng)化水輪機(jī)葉片表面的超音速火焰噴涂方法，通過超音速火焰噴涂硬質(zhì)合金涂層，解決現(xiàn)有方法中生產(chǎn)效率低、加工工藝復(fù)雜、涂層結(jié)合強(qiáng)度低、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，獲得具有結(jié)合強(qiáng)度高、硬度高、耐磨蝕、抗沖蝕的水輪機(jī)葉片表面涂層，進(jìn)而提高水輪機(jī)的出力和運(yùn)行效率。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理和功效，而非用于限制本發(fā)明。基于本發(fā)明的實(shí)施例，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下完成的一切等效修飾或改變，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明所需要的粉末原料、儀器、設(shè)備等均可從市場(chǎng)購(gòu)得或通過常規(guī)方法制得。

本發(fā)明所采用的超音速火焰噴涂涂層形成原理圖如圖1所示：

超音速火焰噴槍1的內(nèi)部包括燃料混合室2、焰流3、送粉管4以及部分的熔融顆粒5，其中燃料混合室2連接在超音速火焰噴槍1的尾部，混合均勻的燃料點(diǎn)燃后在燃料混合室2的右邊形成焰流3，送粉管4連接在超音速火焰噴槍1的中間位置，位于焰流3的上面，水輪機(jī)葉片6位于超音速火焰噴槍1的正前方，超音速火焰噴槍1噴出熔融顆粒5至水輪機(jī)葉片6的表面，形成噴涂涂層7.

本發(fā)明應(yīng)用過程簡(jiǎn)要說明：

采用機(jī)械手固定超音速火焰噴槍1并控制超音速火焰噴槍1的移動(dòng)，氧氣和煤油在燃料混合室2中混合均勻，點(diǎn)燃后形成焰流3，噴涂的硬質(zhì)合金粉末通過送粉管4送入焰流3中心位置并經(jīng)加熱融化形成熔融顆粒5，熔融顆粒5借助焰流3本身速度和壓縮空氣加速沉積到水輪機(jī)葉片6的表面形成均勻的噴涂涂層7。

下面由實(shí)施例來具體說明本發(fā)明所有過程步驟和細(xì)節(jié)。

實(shí)施例1：

1.用丙酮對(duì)水輪機(jī)葉片表面進(jìn)行清洗以去除油污、銹漬和雜質(zhì)，清洗完成后烘干備用。

2.選用粒度20目的棕剛玉對(duì)清洗后的水輪機(jī)葉片進(jìn)行噴砂粗化處理，要求粗化后表面粗糙度為Ra7.0～9.0。

3.稱取3000g粒度范圍在180～300目的WC-12Co粉末，放入100℃烘箱中烘2h以保證粉末的流動(dòng)性。

4.在噴涂作業(yè)前，為提高噴涂質(zhì)量和沉積效率，采用超音速火焰焰流在預(yù)處理的水輪機(jī)葉片表面空走一遍，使基體溫度預(yù)熱達(dá)到200℃左右。

5.將干燥好的粉末放入送粉器，送粉量調(diào)為50g/min送入焰流中心，超音速火焰噴涂過程中，火焰生成氣為煤油和氧氣，調(diào)節(jié)燃油壓力1.1MPa，氧氣壓力1.4MPa，壓縮空氣0.2MPa，噴涂距離30mm。用機(jī)械手夾持噴槍，噴槍移動(dòng)速度為300mm/s，每次向下移動(dòng)3mm，重復(fù)噴涂3次，在葉片表面獲得耐磨耐蝕硬質(zhì)合金涂層。

6.將制備得到的WC-12Co涂層通過光學(xué)顯微鏡OM觀察涂層與基體的結(jié)合情況以及涂層厚度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)涂層厚度約為320μm，如圖2所示。涂層與葉片界面結(jié)合良好。

7.將制備得到的WC-12Co涂層通過X射線衍射XRD分析，如圖3所示，可見衍射譜中主要以WC相為主與原始粉末相近，這說明在超音速火焰噴涂過程中材料成分損失較少，WC幾乎不發(fā)生脫碳現(xiàn)象，證明超音速焰流可以有效抑制WC的分解和氧化。

8.對(duì)制備得到的WC-12Co涂層做維氏硬度測(cè)試，結(jié)果表明涂層HV_0.1維氏硬度可達(dá)1205，是基體材料16Cr5Ni硬度的2.8倍。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：步驟3中稱取3000g粒度范圍在180～300目的WC-17Co粉末；在步驟5中，控制送粉量為45g/min送入焰流中心，超音速火焰噴涂過程中，燃油壓力1.2MPa，氧氣壓力1.4MPa，壓縮空氣0.2MPa，噴涂距離35mm；在步驟6中，涂層厚度約為300μm；在步驟8中，復(fù)合涂層HV_0.1硬度值為1108。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：步驟3中稱取3000g粒度范圍在180～300目的WC-10Co5Cr₃C₂粉末；在步驟5中，控制送粉量為40g/min送入焰流中心，超音速火焰噴涂過程中，燃油壓力1.2MPa，氧氣壓力1.4MPa，壓縮空氣0.2MPa，噴涂距離35mm；在步驟6中，涂層厚度約為280μm；在步驟8中，復(fù)合涂層HV_0.1硬度值為1183。

實(shí)施例4：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：步驟3中稱取3000g粒度范圍在180～300目的WC-15Co2Ni粉末；在步驟5中，控制送粉量為35g/min送入焰流中心，超音速火焰噴涂過程中，燃油壓力1.2MPa，氧氣壓力1.4MPa，壓縮空氣0.2MPa，噴涂距離35mm；在步驟6中，涂層厚度約為270μm；在步驟8中，復(fù)合涂層HV_0.1硬度值為1026。

實(shí)施例5：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于：步驟3中稱取3000g粒度范圍在180～300目的WC-10Co4Cr粉末；在步驟5中，控制送粉量為30g/min送入焰流中心，超音速火焰噴涂過程中，燃油壓力1.2MPa，氧氣壓力1.4MPa，壓縮空氣0.2MPa，噴涂距離35mm；在步驟6中，涂層厚度約為250μm；在步驟8中，復(fù)合涂層HV_0.1硬度值為1120。