專利名稱：耐汽蝕水輪機(jī)葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及ー種發(fā)電廠水輪機(jī)設(shè)備的維護(hù)，即耐汽蝕水輪機(jī)葉片。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，我國(guó)水電從1912年云南石龍壩修建第一座水電站開(kāi)始，至今水電裝機(jī)總?cè)萘恳淹黄屏?2億kW，現(xiàn)有單站裝機(jī)容量500千瓦以上的水電站約6，000余座，其中1/3左右的水輪機(jī)不同程度地遭受著汽蝕破壞，部分水輪機(jī)運(yùn)行5，000小時(shí)后，出力下降到70%以下，機(jī)組便須停機(jī)大修。在個(gè)別地區(qū)，甚至出現(xiàn)每年不得不更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的現(xiàn)象。汽蝕作用于エ件表面是主要在氣泡潰滅的沖擊作用下，發(fā)生彈性變形和塑性變形，由于相鄰兩相的晶體結(jié)構(gòu)不同，造成變形不協(xié)調(diào)，相界面附近形成位錯(cuò)塞積，在相界面局部形成高應(yīng)カ場(chǎng)，如此反復(fù)作用，當(dāng)位錯(cuò)塞集達(dá)到一定程度，應(yīng)カ達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，在相界面上就會(huì)發(fā)生裂紋，裂紋從相界處產(chǎn)生，在汽蝕過(guò)程中形成汽蝕源，并以一定的方向傾斜向內(nèi)部擴(kuò)散，形成裂紋。熱噴涂技術(shù)自1910年在瑞士發(fā)明以來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、熱噴涂/噴涂理論的不斷完善，已發(fā)展成為ー項(xiàng)重要的材料表面強(qiáng)化技木。近幾年，隨著表面處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，金屬表面熱噴涂増加表面強(qiáng)度的方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)，如能將此技術(shù)應(yīng)用于水輪機(jī)汽蝕防治將對(duì)水電行業(yè)起著非常重大的意義。由于多數(shù)企業(yè)對(duì)熱噴涂/噴涂技術(shù)不太了解，對(duì)發(fā)生汽蝕的葉片主要還是采用能電弧堆焊的エ藝，受合金系統(tǒng)的限制，修復(fù)后的水輪機(jī)抗汽蝕能力還不理想，而且熱輸入量較大，汽輪機(jī)葉片存在變形，運(yùn)行時(shí)噪音大，有時(shí)還存在磨軸現(xiàn)象。白山水電站一期、二期工程已經(jīng)建成20幾年，水輪機(jī)汽蝕現(xiàn)象非常嚴(yán)重，每次大修，對(duì)汽蝕部位的處理都是エ期最長(zhǎng)、強(qiáng)度最大的工作。利用熱噴涂/噴涂技術(shù)替代傳統(tǒng)的電弧堆焊來(lái)提高水輪機(jī)葉片的抗汽蝕能力勢(shì)在必行。Ν 60+20 % WC粉末涂層耐磨耐蝕性比較好。Ni60+20 % WC含義是80%質(zhì)量的鎳60合金顆粒加上20%質(zhì)量的碳化鶴顆粒混合成的合金粉末。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對(duì)上述不足而提供一種采用熱噴涂方法增加水輪機(jī)表面強(qiáng)度及耐腐蝕性，防止或減輕汽蝕對(duì)水輪機(jī)損害的耐汽蝕水輪機(jī)葉片。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是耐汽蝕水輪機(jī)葉片是在葉片表面噴涂有鎳基碳化鎢合金粉末涂層，所述的鎳基碳化鎢合金粉末涂層專指Ni60+20 % WC粉末涂層。涂層厚度為100 250 μ m。優(yōu)選涂層厚度為150 250 μ m。耐汽蝕水輪機(jī)葉片熱噴涂修復(fù)方法，其步驟如下( I)對(duì)噴涂部位清洗、除油；(2)對(duì)噴涂部位表面粗化處理；(3)對(duì)噴涂部位預(yù)熱；(4)對(duì)噴涂部位保溫在噴涂過(guò)程中，在噴涂作業(yè)部位的背面采用烤槍持續(xù)加熱，保持作業(yè)部位的溫度；(5)噴涂采用氧-こ炔噴槍火焰噴涂，在噴涂部位多次噴涂Ni60+20 % WC粉末，厚度為100 250μ ;(6)重熔噴涂完畢，立即從噴涂部位一端開(kāi)始，對(duì)已噴涂到エ件表面上的粉末進(jìn)行加熱重熔。耐汽蝕水輪機(jī)葉片熱噴涂方法エ藝流程エ件的清洗、除油一エ件表面粗化處理—預(yù)熱和保溫一噴涂和重熔。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1、采用火焰噴涂エ藝在水輪機(jī)葉片表面噴涂Ni60+20%WC涂層，増加了水輪機(jī)表面強(qiáng)度及耐腐蝕性，具有高耐汽蝕能力，防止或減輕了汽蝕，涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度高，可以很好的解決當(dāng)前水輪機(jī)葉片汽蝕現(xiàn)象。2、利用熱噴涂/噴涂技術(shù) 替代傳統(tǒng)的電弧堆焊來(lái)提高水輪機(jī)葉片的抗汽蝕能力是可行的，具有重要的工程意義和經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

圖I是水輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖2是火焰噴涂Ni60+20 % WC合金涂層截面顯微組織照片。圖3是噴涂涂層在放大到100倍時(shí)的掃描圖片。圖4是Ni60+20 % WC涂層鋼試樣沖蝕后的掃描照片圖5是45#鋼試樣沖蝕后的掃描照片下面將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式作進(jìn)ー步詳細(xì)描述。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例I參見(jiàn)圖1，I 一水輪機(jī)，2 —葉片。耐汽蝕水輪機(jī)葉片是在葉片表面噴涂有Ni60+20% WC粉末涂層，進(jìn)行汽蝕修復(fù)或防護(hù)。實(shí)施例2耐汽蝕水輪機(jī)葉片熱噴涂修復(fù)方法I、設(shè)計(jì)噴涂層厚度對(duì)修復(fù)件，如果不需要機(jī)加工，則噴涂到原來(lái)尺寸即可。反之應(yīng)留O. 25 Imm的加工余量。對(duì)水輪機(jī)葉片應(yīng)考慮重熔后噴涂層約有20 %的收縮量，根據(jù)水輪機(jī)的工作原理，噴涂層在葉片表面不能改變水的流體狀態(tài)，設(shè)定噴涂厚度約為150 250 μ m02、設(shè)備準(zhǔn)備根據(jù)エ件的大小、噴涂部位面積、涂層厚度及采用的噴涂施工エ藝，選用型號(hào)為SPH-4/h的氧-こ炔噴槍，選擇工作氣體壓カ為氧氣I. 5MPa、こ炔O. 5MPa?；鹧鎳娡繎?yīng)用靈活，噴涂設(shè)備輕便簡(jiǎn)單，可移動(dòng)，價(jià)格低于其他噴涂設(shè)備。3、噴涂表面預(yù)加工噴涂件表面的預(yù)加工目的是除去表面的氧化物、疲勞層以及原有特殊表層(如鉻層、涂裝、滲碳、滲氮、淬火層等)，也有浄化、粗化和活化表面的作用。本實(shí)施例對(duì)待噴涂的表面是用砂輪打磨，直至露出基體金屬光澤。4、噴涂粉末選用的噴涂粉末為Ni60+20 % WC粉末(Ni基WC)，Ν 60粉末屬于鎳基自熔性合金粉末。粒度為50-80微米。電子顯微鏡下，WC顆粒為尺寸約80 — 120微米不規(guī)則的顆粒狀，Ni60合金為50 — 80微米的球形顆粒。在加熱熔化態(tài)時(shí)，熔化的Ni合金具有一定的液態(tài)流動(dòng)性和良好的潤(rùn)濕性。粉末有良好的球形和適當(dāng)?shù)牧６龋軡M足在進(jìn)行火焰噴涂時(shí)，粉粒被均勻加熱不致出現(xiàn)粉末過(guò)燒、氧化過(guò)重或加熱不足等現(xiàn)象。而且所用粉末的體膨脹系數(shù)(Ni基為13. O)與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的體膨脹系數(shù)(ZG20MnSi為12. 7)比較接近，適宜進(jìn)行火焰噴涂。此粉末的含氧量較低，有效地降低了噴涂涂層的氣孔率和夾雜率。5、預(yù)熱エ件噴涂作業(yè)之前，為提高噴 涂質(zhì)量和粉末的沉積率，根據(jù)噴涂區(qū)域的大小、部位和材質(zhì)，預(yù)熱溫度選在220 280°C。由于水輪機(jī)葉片為特大件，葉片厚度大，體積大，散熱也快，因此采用特大烤槍對(duì)葉片噴涂區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱達(dá)到一定溫度后對(duì)待噴涂表面先噴涂ー層預(yù)保護(hù)粉Ni60+20 % WC粉末，防止エ件預(yù)熱區(qū)域氧化。在噴涂的過(guò)程中為保持葉片的溫度，在噴涂作業(yè)面的背面采用烤槍持續(xù)加熱。6、噴涂在整個(gè)已噴涂了預(yù)保護(hù)粉的噴涂部位上均勻地多次噴涂粉末，達(dá)到預(yù)定厚度為止。毎次最大厚度不超過(guò)O. 1mm，即涂層表面不出現(xiàn)球狀團(tuán)聚體。多次薄層覆蓋既有利于控制涂層的厚度均勻性，也有利于減少涂層的內(nèi)應(yīng)力。7、重熔噴涂完畢，エ件溫度一般達(dá)到240 300°C，立即從噴涂部位一端開(kāi)始，對(duì)已噴涂到エ件表面上的粉末進(jìn)行加熱重熔。不僅可以使加熱到熔融溫度要求的熱量減少，而且可以減少由于噴涂層冷卻造成的裂紋或剝離，使原來(lái)疏松的粉末層融化成致密的、與基體冶金結(jié)合的噴涂層。根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的形狀和厚度，以及涂層成分、厚度，重熔時(shí)采用能量較大的柔性火焰的中性焰或弱碳化焰。重熔時(shí)槍ロ離エ件表面應(yīng)遠(yuǎn)ー些，以防止局部高溫。開(kāi)始重熔時(shí)，火焰不可對(duì)準(zhǔn)エ件的端部或邊緣處，應(yīng)距端部30_左右。重熔結(jié)束時(shí)，應(yīng)使重熔槍慢慢地移開(kāi)エ件。對(duì)噴涂層的接頭處要提高加熱槍的距離，但應(yīng)避免接頭產(chǎn)生收縮和疏松。重熔時(shí)應(yīng)采用能量較大的柔火焰，即調(diào)節(jié)火焰參數(shù)時(shí)，氧氣及こ炔的壓カ小些，流量大些，以防止氣體壓カ過(guò)高，吹カ過(guò)大，把熔融金屬吹散，造成噴涂層不均勻。重熔時(shí)應(yīng)注意控制溫度，溫度不足和過(guò)熔，均會(huì)影響噴涂層的質(zhì)量，注意觀察涂層表面狀態(tài)的變化，當(dāng)噴涂粉末逐漸變紅，由粗糙變光滑，在火焰照射下呈“鏡面反光”吋，標(biāo)志重熔合格，此時(shí)應(yīng)移動(dòng)火焰，以避免熔融金屬過(guò)熱和金屬流失。由于氧-こ炔火焰對(duì)金屬的保護(hù)效果較差，火焰易對(duì)涂層產(chǎn)生氧化，因此從重熔開(kāi)始到重熔結(jié)束的時(shí)間應(yīng)盡量短些。實(shí)驗(yàn)例ー噴涂涂層性能實(shí)驗(yàn)分析為了解Ni基WC涂層材料的組織和性能是否滿足設(shè)計(jì)需要，特對(duì)此材料制備實(shí)驗(yàn)用試樣，并對(duì)試樣進(jìn)行了組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能分析。I、噴涂層顯微結(jié)構(gòu)分析參見(jiàn)圖2，為火焰噴涂Ni60+20 % WC合金涂層截面顯微組織照片，由圖2可見(jiàn)噴涂試樣金相顯微結(jié)構(gòu)的明顯的上、下層次結(jié)構(gòu)，上層為噴涂Ν 60+20 % WC合金粉末的涂層顯微組織，下層為基體20#低碳鋼顯微組織。圖2中可以看出，火焰噴涂涂層與基體熔合線清晰，熔合區(qū)窄，屬于冶金結(jié)合，因此涂層具有極高的結(jié)合強(qiáng)度。2、掃描電鏡觀察參見(jiàn)圖3，采用JSM-5600LV掃描電子顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行高倍掃描，圖3為噴涂涂層在放大到100倍時(shí)的掃描圖片，由圖3看到在涂層表面較均勻的分布著白亮有棱角的不規(guī)則WC (碳化鎢)粒子，WC微粒是燒結(jié)而成的，使得噴涂涂層具有良好耐磨和耐高溫的性能。[0039]3、顯微硬度測(cè)定試驗(yàn)涂層中的WC具有很高的顯微硬度，其HV可達(dá)1000以上，因此在涂層中彌散分布的WC顆粒可顯著提高涂層的硬度和耐磨損耐沖蝕、耐汽蝕性能。4、汽蝕實(shí)驗(yàn)采用轉(zhuǎn)盤(pán)式汽蝕試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了汽蝕實(shí)驗(yàn)，汽蝕破壞是不是材料破壞的主導(dǎo)因素與水流速度有夫，當(dāng)水流速度抵御15-20m/s時(shí)，化學(xué)腐蝕起主導(dǎo)作用，當(dāng)流速在20-30m/s時(shí)，化學(xué)腐蝕和汽蝕共同起作用，當(dāng)流速大于30m/s時(shí)則主要是汽蝕破壞。本實(shí)驗(yàn)的當(dāng)量流速為45m/s。汽蝕介質(zhì)為清水中添加適量黃沙，以模擬水輪機(jī)實(shí)際工作環(huán)境。汽蝕實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)周期為30h，試驗(yàn)完成后稱重測(cè)量。經(jīng)過(guò)汽蝕實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Ni基WC涂層的失重量為40. 3mg,不銹鋼的汽蝕量為127. 6mg,普通低碳鋼的汽蝕量為243. 5mg,可見(jiàn)Ni基WC涂層的耐汽蝕能力相對(duì)比不銹鋼和低碳鋼有很大的提高。Ni60+WC涂層試樣表面變化不大，僅存在及其微小的孔洞。在Ni60噴焊層的汽蝕試驗(yàn)中，裂紋也產(chǎn)生于相界處，涂層表面硬度 對(duì)抗汽蝕性能有很大影響，由于噴焊層中硬質(zhì)相的存在，以及WC顆粒的高硬度，使得涂層的相界增多，位錯(cuò)滑移受阻，裂紋在擴(kuò)展中受到的阻カ顯著増大，因此，Ni60+WC涂層表現(xiàn)出非常好的抗汽蝕性能。5、耐磨損試驗(yàn)測(cè)試本次磨損試驗(yàn)采用沖蝕磨損。當(dāng)流體介質(zhì)中微細(xì)磨粒以高速?zèng)_擊エ件表面時(shí)造成表面材料磨損的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)以O(shè). 12mm的玻璃珠為磨料，采用壓縮空氣以一定角度沖蝕材料基體。試驗(yàn)結(jié)果如表I所示。從Ni60+20%WC涂層與45#鋼(淬火+回火組織)的磨損數(shù)據(jù)比較可以看出后者的磨損率較大，主要是由于Ni60+20%WC涂層中含有大量的硬質(zhì)相，導(dǎo)致了涂層耐磨性提高。表I涂層材料和45#鋼沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果
權(quán)利要求1.一種耐汽蝕水輪機(jī)葉片，其特征在于葉片表面噴涂有鎳基碳化鎢合金粉末涂層。
2.按照權(quán)利要求I所述的耐汽蝕水輪機(jī)葉片，其特征在于涂層厚度為100 250μ m。
3.按照權(quán)利要求I或2所述的耐汽蝕水輪機(jī)葉片，其特征在于涂層厚度為150 250 μ m0
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種發(fā)電廠水輪機(jī)設(shè)備的維護(hù)，即耐汽蝕水輪機(jī)葉片。是在葉片表面噴涂有Ni60+20％WC粉末涂層，進(jìn)行修復(fù)。涂層厚度為150～250μm。水輪機(jī)葉片熱噴涂修復(fù)方法工藝流程工件的清洗、除油→工件表面粗化處理→預(yù)熱和保溫→噴涂和重熔。采用火焰噴涂工藝在水輪機(jī)葉片表面噴涂Ni60+20％WC涂層，增加了水輪機(jī)表面強(qiáng)度及耐腐蝕性，具有高耐汽蝕能力，防止或減輕了汽蝕，涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度高，可以很好的解決當(dāng)前水輪機(jī)葉片汽蝕現(xiàn)象。
文檔編號(hào)F03B3/12GK202510273SQ201220000339
公開(kāi)日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年1月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月1日
發(fā)明者喬木, 劉淑娟, 尉青連, 張德浩, 樸順花, 欒春林, 胡海平, 辛峰, 郭秀蘭, 高連偉 申請(qǐng)人:白山發(fā)電廠