CN101994112A - 水轮机组转轮耐磨抗蚀涂层的激光熔覆工艺 - Google Patents

Abstract

一种水轮机组转轮耐磨抗蚀合金涂层的激光熔覆方法，其特点是：首先对水轮机组转轮表面的油污及锈层进行表面清理；然后选择铁基合金粉末，采用激光设备和调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末落在激光熔池内，调节送粉量，在上、下冠面加工表面形成均匀致密的激光熔覆层，其激光熔覆层厚度达到0.2-1.8mm；最后用着色探伤法对转轮上、下冠面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔等缺陷。本发明的激光熔覆合金涂层均匀、致密，与基体形成牢固的冶金结合并具有优良的耐磨抗蚀性能，可显著提高水轮机组转轮得耐磨抗蚀性能和使用寿命。

Description

水轮机组转轮耐磨抗蚀涂层的激光熔覆工艺

技术领域

本发明涉及一种发电设备部件的耐磨抗蚀方法，特别是涉及一种采用激光熔覆技术的制备水轮机组转轮表面耐磨抗蚀合金涂层的工艺，属于IPC国际专利分类表中的C23C24/10(2006.01)I技术领域。

背景技术

水轮机组转轮是水轮机组设备中的关键部件。水轮机过流部件的磨损和破坏一直是水电站运行的难治之症。尤其随着环境破坏加剧，泥沙含量增多，水轮机转轮磨损破坏呈加剧趋势。由于这种磨损和破坏使水轮机过流部件的形状和表面发生了变化，从而破坏了水流对表面应有的绕流条件，一方面直接影响机组效率，一方面也成为进一步加剧零件破坏的根源。水轮机转轮磨损破坏的主要原因是泥沙磨损和气蚀联合作用。对水轮机转轮采取防护措施所用的材料必须从两方面着手：一是寻找抗磨蚀性能好的合金材料，二是对过流部位进行表面处理，以提高其抗磨蚀性能。水轮机过流部件用抗磨损材料在相同的磨损作用条件下，材料的各种物理，力学性能和金属的微观组织与金相结构不同时，其抗泥砂和气蚀能力将有很大差别。固溶强化型不锈钢碳钢的抗磨蚀性较低，但其加工性，焊接性和力学性能指标均良好，而且价格便宜，水轮机转轮的母材一般都用它制作，在其上用热喷涂或电刷镀制备各种抗磨复层。由于涂层与基材之间为物理结合，结合力不高，在水轮机组长期工作时经常发生涂层脱落，引起磨损破坏，影响机组效率。其实际使用效果并不明显。

因此，选择适当的制备水轮机组转轮表面耐磨抗蚀合金涂层的工艺，使水轮机组转轮表面的耐磨抗蚀合金涂层与基体结合强度高、耐磨抗蚀性能好、合金涂层的厚度均匀，是当前亟待解决的课题。

激光熔覆技术作为一种先进的再制造技术，近年来得到了迅速推广和广泛应用。

激光熔覆技术利用高能量激光束聚集能量极高的特点，瞬间将在基材表面预置或与激光同步自动送置的、具有特殊物理、化学或力学性能的合金粉末完全熔化，同时基材部分熔化，形成一种新的复合型材料，激光束扫描后快速凝固，获得与基体冶金结合的致密覆层，以达到恢复几何尺寸和表面强化的目的。

目前，关于利用激光熔覆工艺制备设备部件耐磨抗蚀合金涂层的专利和报道很多，例如：

公开号为CN1202534的中国发明专利申请给出的《金属表面等离子喷涂后激光熔覆制备陶瓷涂层的方法》，该方法是先在金属表面用等离子喷涂方法制备陶瓷涂层，然后在激光照射的同时，将陶瓷粉末喷向涂层表面，对陶瓷涂层进行二次熔覆处理。

公开号为CN1786272的中国发明专利申请给出的《激光熔覆镍基纳米WC/Co预涂层的制备方法》，该制备方法包括下列步骤：①按每克重的虫胶与10～20克重的无水乙醇称量虫胶和无水乙醇，然后将所述的虫胶加入无水乙醇中制成粘结剂；②根据需要按每克镍基纳米WC/Co粉末与0.1毫升～0.25毫升的粘结剂的比例，称量镍基纳米WC/Co粉末和所述的粘结剂并混合，充分搅拌均匀制成预涂胶；③将上述预涂胶均匀地涂在待激光熔覆处理的工件表面，制成预涂层；④烘干。采用自制的粘结剂制备镍基纳米WC/Co预涂层，然后再采用激光熔覆工艺，制备出了表面较平整，较细密、基本消除了裂纹与孔隙并与基体呈冶金结合的镍基纳米WC/Co复合涂层。

公开号为CN101338427的中国发明专利申请给出的《液压支架立柱缸筒、活塞杆耐磨抗蚀涂层的激光熔覆工艺》，包括以下工艺过程：首先立柱缸筒、活塞杆表面预处理：室温下对立柱缸筒、活塞杆表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净；然后合金粉末的选择和自动送粉装置的调节：选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的铁基合金粉末，铁基合金粉末的成份中主要含有Fe、C、Cr、Ni、Mo、Si、N、Nb、Ta、B；最后自动送粉装置的调节：调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0.6-1.2mm。

公开号为CN101338425的中国发明专利申请给出的《铁路道岔滑床板表面耐磨抗蚀合金涂层激光熔覆工艺》，包括以下工艺过程：首先滑床板表面预处理，即在室温下对滑床板表面进行除油除锈，并用酒精清洗干净；然后是合金粉末的预置，即把待熔覆的铁基、镍基或钴基合金粉末预置于上述处理后的滑床板表面，并用带有导轨的刮尺来调整预制合金粉末，使之均匀分布在滑床板表面并具有适当的厚度，以满足熔覆后涂层厚度的要求；最后是光熔覆强化滑床板，选用气体CO₂激光器，工作台为数控机床，在滑床板表面进行激光熔覆强化。

公开号为CN101338428的中国发明专利申请给出的《镐形截齿齿体头部激光熔覆耐磨涂层强化工艺》，包括以下工艺过程：首先是截齿齿体头部表面预处理；然后是合金粉末的选择和自动送粉装置的调整；最后是截齿头部激光熔覆耐磨合金涂层。

现有技术给出的上述技术方案虽能利用激光熔覆工艺对部分设备部件进行防腐耐磨涂层处理，并通过配制适当的熔覆材料克服了激光熔层存在的裂纹、气孔和微观结构不均匀性的问题，取得一定的技术效果。但对其他特定的设备部件，例如像水轮机组转轮这样的特殊结构，现有的激光熔覆工艺已明显不能适应。

经本申请人检索查证：采用激光熔覆工艺完成水轮机组转轮表面耐磨抗蚀合金涂层，国内尚无先例，国外也没有见到相关报道。因此，寻找出适当的采用激光熔覆完成水轮机组转轮表面耐磨抗蚀合金涂层的工艺方法，仍需所属领域的技术人员进一步作出创造性的研究工作。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术对水轮机组转轮耐磨抗蚀合金涂层处理难的课题，通过反复研究改进，给出了一种新的水轮机组转轮耐磨抗蚀合金涂层的激光熔覆工艺，该激光熔覆工艺采用具有良好的抗腐蚀性和耐磨性的合金粉末作为激光熔覆合金材料，采取激光熔覆方法将具有耐磨抗蚀性能的合金粉末均匀地熔覆在水轮机组转轮上、下冠面上，形成均匀致密的冶金结合涂层，耐蚀性能达到不锈钢的水平，熔覆层与基体形成牢固的冶金结合，不产生剥落。

本发明给出的技术方案是：这种水轮机组转轮耐磨抗蚀合金涂层的激光熔覆工艺，其特点是包括有以下步骤：

(1)水轮机组转轮表面预处理

室温下对转轮上、下冠面加工表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净。

用着色探伤法对转轮上、下冠面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔、夹杂等缺陷；

(2)合金粉末的选择和自动送粉装置的调节

选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的铁基合金粉末，铁基合金粉末的化学成份按重量百分比为：C：0.08％、Cr：16％、Ni：3％、Mo：1％、Si：1％、N：0.8％、Nb：0.8％、Ta：0.3％、B：0.3％，余量为Fe。

其制备方法：

将Fe、C、Cr、Ni、Mo、Si、N、Nb、Ta、B按上述重量百分比提取后放入中频感应炉内，在氩气气氛下加热到1450-1550℃，使粉末完全融化并混合均匀，将熔融的金属液流注入水雾化设备的漏包坩埚，在漏包坩埚的下方置有水雾化喷嘴，当熔融的金属液流通过导流嘴流经喷嘴时，被喷嘴射出的高速水流击碎成小液滴、随后合金液滴落在水中凝固成粉末。

调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0.2-1.8mm。

(3)光束调节

选用10*1mm宽带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸：长*宽＝(8-10)*(1-1.5)mm。

(4)耐磨抗蚀涂层激光熔覆

选用DL-HL-T5000型CO₂激光器，工作台为SIMENS数控激光加工机。采用同步送粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，高功率聚焦激光束和自动送粉头沿转轮轴向进给，转轮按设定转速旋转，在上、下冠面加工表面形成均匀致密的激光熔覆层。

熔覆工艺参数如下：

激光功率P＝3500～4500W

聚焦矩形光斑尺寸：长*宽＝(8-10)*(1-1.5)mm

扫描速度V＝300-600mm/min

搭接率40～50％

涂层厚度：0.2-1.8mm。

(5)熔覆后探伤检验

用着色探伤法对转轮上、下冠面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔等缺陷。

本发明的原理是：采用具有优良的耐磨抗蚀性能、与水轮机组转轮基体具有良好冶金与力学相容的铁基合金粉末，在高功率激光束辐照工件表面的同时，采用自动送粉装置同步向激光熔池送入合金粉末，合金粉末在熔池内发生快速熔化和凝固，形成均匀致密的耐磨抗蚀熔覆层，熔覆层与基体形成牢固的冶金结合。熔覆层硬度可在HRC30-60内选择，熔覆层厚度在0.2-1.8mm，硬度、厚度均匀分布。

在上述技术方案使用的DL-HL-T5000型CO₂激光器和SIMENS数控激光加工机均为现有的专业设备。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、激光熔覆合金涂层均匀、致密，与基体形成牢固的冶金结合，涂层具有优良的耐磨抗蚀性能，采用本发明技术制造的水轮机组显著提高了耐磨抗蚀性能和使用寿命。

2、本发明可用于水轮机组转轮制造和修复再制造。

具体实施方式

实施例一：

(1)水轮机组转轮表面预处理

室温下对水轮机组转轮上、下冠面表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净。用着色探伤法对转轮上、下冠面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔、夹杂等缺陷；

(2)合金粉末的选择和自动送粉装置的调节

选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的铁基合金粉末，调节自动送粉头使粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量使涂层厚度达到1.0mm。

(3)光束调节

选用10*1mm宽带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸：长*宽＝8*1.5mm

(4)耐磨抗蚀涂层激光熔覆

开启DL-HL-T5000型CO₂激光器，工作台为SIMENS数控激光加工机。采用同步送粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，高功率聚焦激光束和自动送粉头沿水轮机组转轮轴向进给，转轮按设定转速旋转，在转轮上、下冠面外表面形成均匀致密的激光熔覆层。

熔覆工艺参数如下：

激光功率P＝4000W；

聚焦矩形光斑尺寸：长*宽＝8*1.5mm

扫描速度V＝400mm/min；

搭接率45％。

(5)熔覆后探伤检验

用着色探伤法对转轮上、下冠面加工部位进行检验，加工部位无裂纹、气孔等缺陷；

实施例二：

(1)水轮机组转轮表面预处理

室温下对水轮机组转轮上、下冠面表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净。用着色探伤法对转轮上、下冠面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔、夹杂等缺陷；

(2)合金粉末的选择和自动送粉装置的调节

选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的铁基合金粉末，调节自动送粉头使粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量使涂层厚度达到1.8mm。

(3)光束调节

选用10*1mm宽带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸：长*宽＝10*1mm

(4)耐磨抗蚀涂层激光熔覆

开启DL-HL-T5000型CO₂激光器，工作台为SIMENS数控激光加工机。采用同步送粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，高功率聚焦激光束和自动送粉头沿水轮机组转轮轴向进给，转轮按设定转速旋转，在转轮上、下冠面外表面形成均匀致密的激光熔覆层。

熔覆工艺参数如下：

激光功率P＝4000W；

聚焦矩形光斑尺寸：长*宽＝10*1mm

扫描速度V＝600mm/min；

搭接率45％。

(5)熔覆后探伤检验

用着色探伤法对转轮上、下冠面加工部位进行检验，加工部位无裂纹、气孔等缺陷。

Claims (1)

1.一种水轮机组转轮耐磨抗蚀合金涂层的激光熔覆工艺，其特征在于包括有以下步骤：

(1)水轮机组转轮表面预处理：

室温下对转轮上、下冠面加工表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净。

用着色探伤法对转轮上、下冠面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔、夹杂等缺陷；

(2)合金粉末的选择和自动送粉装置的调节

选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的铁基合金粉末，铁基合金粉末的化学成份按重量百分比为：C：0.08％、Cr：16％、Ni：3％、Mo：1％、Si：1％、N：0.8％、Nb：0.8％、Ta：0.3％、B：0.3％，余量为Fe。

调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0.2-1.8mm。

(3)光束调节

选用10*1mm宽带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸：长*宽＝(8-10)*(1-1.5)mm

(4)耐磨抗蚀涂层激光熔覆

选用DL-HL-T5000型CO₂激光器，工作台为SIMENS数控激光加工机。采用同步送粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，高功率聚焦激光束和自动送粉头沿转轮轴向进给，转轮按设定转速旋转，在上、下冠面加工表面形成均匀致密的激光熔覆层。

熔覆工艺参数如下：

激光功率P＝3500～4500W

聚焦矩形光斑尺寸：长*宽＝(8-10)*(1-1.5)mm

扫描速度V＝300-600mm/min

搭接率40～50％

涂层厚度：0.2-1.8mm。

(5)熔覆后探伤检验

用着色探伤法对转轮上、下冠面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔等缺陷。