CN102506002B - 耐汽蚀水轮机叶片及热喷涂方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发电厂水轮机设备的维护，即耐汽蚀水轮机叶片及热喷涂方法。包括(1)对喷涂部位清洗、除油；(2)对喷涂部位表面粗化处理；(3)对喷涂部位预热；(4)对喷涂部位保温：在喷涂过程中，在喷涂作业部位的背面采用烤枪持续加热，保持作业部位的温度；(5)喷涂：采用氧-乙炔喷枪火焰喷涂，在喷涂部位多次喷涂Ni60+20％WC粉末；(6)重熔：喷涂完毕，对已喷涂到工件表面上的粉末进行加热重熔。采用火焰喷涂工艺在水轮机叶片表面喷涂Ni60+20％WC涂层，增加了水轮机表面强度及耐腐蚀性，具有高耐汽蚀能力，防止或减轻了汽蚀，涂层和基体的结合强度高，可以很好的解决当前水轮机叶片汽蚀现象。

Description

耐汽蚀水轮机叶片及热喷涂方法

技术领域

本发明涉及一种发电厂水轮机设备的维护，即耐汽蚀水轮机叶片及热喷涂方法。

背景技术

在现有技术中，我国水电从1912年云南石龙坝修建第一座水电站开始，至今水电装机总容量已突破了2亿kW，现有单站装机容量500千瓦以上的水电站约6,000余座，其中1/3左右的水轮机不同程度地遭受着汽蚀破坏，部分水轮机运行5,000小时后，出力下降到70％以下，机组便须停机大修。在个别地区，甚至出现每年不得不更换水轮机转轮的现象。汽蚀作用于工件表面是主要在气泡溃灭的冲击作用下，发生弹性变形和塑性变形，由于相邻两相的晶体结构不同，造成变形不协调，相界面附近形成位错塞积，在相界面局部形成高应力场，如此反复作用，当位错塞集达到一定程度，应力达到某个临界值时，在相界面上就会发生裂纹，裂纹从相界处产生，在汽蚀过程中形成汽蚀源，并以一定的方向倾斜向内部扩散，形成裂纹。热喷涂技术自1910年在瑞士发明以来，随着科学技术的进步、热喷涂/喷涂理论的不断完善，已发展成为一项重要的材料表面强化技术。近几年，随着表面处理技术的不断进步，金属表面热喷涂增加表面强度的方法已经广泛应用于许多行业，如能将此技术应用于水轮机汽蚀防治将对水电行业起着非常重大的意义。由于多数企业对热喷涂/喷涂技术不太了解，对发生汽蚀的叶片主要还是采用能电弧堆焊的工艺，受合金系统的限制，修复后的水轮机抗汽蚀能力还不理想，而且热输入量较大，汽轮机叶片存在变形，运行时噪音大，有时还存在磨轴现象。

白山水电站一期、二期工程已经建成20几年，水轮机汽蚀现象非常严重，每次大修，对汽蚀部位的处理都是工期最长、强度最大的工作。利用热喷涂/喷涂技术替代传统的电弧堆焊来提高水轮机叶片的抗汽蚀能力势在必行。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足而提供一种采用热喷涂方法增加水轮机表面强度及耐腐蚀性，防止或减轻汽蚀对水轮机损害的耐汽蚀水轮机叶片及热喷涂方法。

本发明的技术解决方案是：耐汽蚀水轮机叶片是在叶片表面喷涂有Ni60+20％WC粉末涂层，进行修复。涂层厚度为100～250μm。优选涂层厚度为150～250μm。

耐汽蚀水轮机叶片热喷涂方法，其步骤如下：

(1)对喷涂部位清洗、除油；

(2)对喷涂部位表面粗化处理；

(3)对喷涂部位预热；

(4)对喷涂部位保温：在喷涂过程中，在喷涂作业部位的背面采用烤枪持续加热，保持作业部位的温度；

(5)喷涂：采用氧-乙炔喷枪火焰喷涂，在喷涂部位多次喷涂Ni60+20％WC粉末，厚度为100～250μm；

(6)重熔：喷涂完毕，立即从喷涂部位一端开始，对已喷涂到工件表面上的粉末进行加热重熔。

耐汽蚀水轮机叶片热喷涂方法工艺流程：工件的清洗、除油→工件表面粗化处理→预热和保温→喷涂和重熔。

本发明的优点是：1、采用火焰喷涂工艺在水轮机叶片表面喷涂Ni60+20％WC涂层，增加了水轮机表面强度及耐腐蚀性，具有高耐汽蚀能力，防止或减轻了汽蚀，涂层和基体的结合强度高，可以很好的解决当前水轮机叶片汽蚀现象。2、利用热喷涂/喷涂技术替代传统的电弧堆焊来提高水轮机叶片的抗汽蚀能力是可行的，具有重要的工程意义和经济社会效益。

附图说明

图1是水轮机叶片结构简图。

图2是火焰喷涂Ni60+20％WC合金涂层截面显微组织照片。

图3是喷涂涂层在放大到100倍时的扫描图片。

图4是Ni60+20％WC涂层钢试样冲蚀后的扫描照片

图5是45#钢试样冲蚀后的扫描照片

下面将结合实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。

具体实施方式

实施例1

参见图1，1-水轮机，2-叶片。耐汽蚀水轮机叶片是在叶片表面喷涂有Ni60+20％WC粉末涂层，进行汽蚀修复或防护。

实施例2

耐汽蚀水轮机叶片及热喷涂方法：

1、设计喷涂层厚度：对修复件，如果不需要机加工，则喷涂到原来尺寸即可。反之应留0.25～1mm的加工余量。对水轮机叶片应考虑重熔后喷涂层约有20％的收缩量，根据水轮机的工作原理，喷涂层在叶片表面不能改变水的流体状态，设定喷涂厚度约为150～250μm。

2、设备准备：根据工件的大小、喷涂部位面积、涂层厚度及采用的喷涂施工工艺，选用型号为SPH-4/h的氧-乙炔喷枪，选择工作气体压力为：氧气1.5MPa、乙炔0.5MPa。火焰喷涂应用灵活，喷涂设备轻便简单，可移动，价格低于其他喷涂设备。

3、喷涂表面预加工：喷涂件表面的预加工目的是除去表面的氧化物、疲劳层以及原有特殊表层(如铬层、涂装、渗碳、渗氮、淬火层等)，也有净化、粗化和活化表面的作用。本实施例对待喷涂的表面是用砂轮打磨，直至露出基体金属光泽。

4、喷涂粉末：选用的喷涂粉末为Ni60+20％WC粉末(Ni基WC)，Ni60粉末属于镍基自熔性合金粉末。粒度为50-80微米。电子显微镜下，WC颗粒为尺寸约80-120微米不规则的颗粒状，Ni60合金为50-80微米的球形颗粒。在加热熔化态时，熔化的Ni合金具有一定的液态流动性和良好的润湿性。粉末有良好的球形和适当的粒度，能满足在进行火焰喷涂时，粉粒被均匀加热不致出现粉末过烧、氧化过重或加热不足等现象。而且所用粉末的体膨胀系数(Ni基为13.0)与水轮机转轮的体膨胀系数(ZG20MnSi为12.7)比较接近，适宜进行火焰喷涂。此粉末的含氧量较低，有效地降低了喷涂涂层的气孔率和夹杂率。

5、预热工件：喷涂作业之前，为提高喷涂质量和粉末的沉积率，根据喷涂区域的大小、部位和材质，预热温度选在220～280℃。由于水轮机叶片为特大件，叶片厚度大，体积大，散热也快，因此采用特大烤枪对叶片喷涂区域进行预热。预热达到一定温度后对待喷涂表面先喷涂一层预保护粉Ni60+20％WC粉末，防止工件预热区域氧化。在喷涂的过程中为保持叶片的温度，在喷涂作业面的背面采用烤枪持续加热。

6、喷涂：在整个已喷涂了预保护粉的喷涂部位上均匀地多次喷涂粉末，达到预定厚度为止。每次最大厚度不超过0.1mm，即涂层表面不出现球状团聚体。多次薄层覆盖既有利于控制涂层的厚度均匀性，也有利于减少涂层的内应力。

7、重熔：喷涂完毕，工件温度一般达到240～300℃，立即从喷涂部位一端开始，对已喷涂到工件表面上的粉末进行加热重熔。不仅可以使加热到熔融温度要求的热量减少，而且可以减少由于喷涂层冷却造成的裂纹或剥离，使原来疏松的粉末层融化成致密的、与基体冶金结合的喷涂层。

根据水轮机转轮的形状和厚度，以及涂层成分、厚度，重熔时采用能量较大的柔性火焰的中性焰或弱碳化焰。重熔时枪口离工件表面应远一些，以防止局部高温。开始重熔时，火焰不可对准工件的端部或边缘处，应距端部30mm左右。重熔结束时，应使重熔枪慢慢地移开工件。对喷涂层的接头处要提高加热枪的距离，但应避免接头产生收缩和疏松。重熔时应采用能量较大的柔火焰，即调节火焰参数时，氧气及乙炔的压力小些，流量大些，以防止气体压力过高，吹力过大，把熔融金属吹散，造成喷涂层不均匀。重熔时应注意控制温度，温度不足和过熔，均会影响喷涂层的质量，注意观察涂层表面状态的变化，当喷涂粉末逐渐变红，由粗糙变光滑，在火焰照射下呈“镜面反光”时，标志重熔合格，此时应移动火焰，以避免熔融金属过热和金属流失。由于氧-乙炔火焰对金属的保护效果较差，火焰易对涂层产生氧化，因此从重熔开始到重熔结束的时间应尽量短些。

实验例-喷涂涂层性能实验分析

为了解Ni基WC涂层材料的组织和性能是否满足设计需要，特对此材料制备实验用试样，并对试样进行了组织结构和力学性能分析。

1、喷涂层显微结构分析：参见图2，为火焰喷涂Ni60+20％WC合金涂层截面显微组织照片，由图2可见喷涂试样金相显微结构的明显的上、下层次结构，上层为喷涂Ni60+20％WC合金粉末的涂层显微组织，下层为基体20#低碳钢显微组织。图2中可以看出，火焰喷涂涂层与基体熔合线清晰，熔合区窄，属于冶金结合，因此涂层具有极高的结合强度。

2、扫描电镜观察：参见图3，采用JSM-5600LV扫描电子显微镜对试样进行高倍扫描，图3为喷涂涂层在放大到100倍时的扫描图片，由图3看到在涂层表面较均匀的分布着白亮有棱角的不规则WC(碳化钨)粒子，WC微粒是烧结而成的，使得喷涂涂层具有良好耐磨和耐高温的性能。

3、显微硬度测定试验：涂层中的WC具有很高的显微硬度，其HV可达1000以上，因此在涂层中弥散分布的WC颗粒可显著提高涂层的硬度和耐磨损耐冲蚀、耐汽蚀性能。

4、汽蚀实验：采用转盘式汽蚀试验台进行了汽蚀实验，汽蚀破坏是不是材料破坏的主导因素与水流速度有关，当水流速度抵御15-20m/s时，化学腐蚀起主导作用，当流速在20-30m/s时，化学腐蚀和汽蚀共同起作用，当流速大于30m/s时则主要是汽蚀破坏。本实验的当量流速为45m/s。汽蚀介质为清水中添加适量黄沙，以模拟水轮机实际工作环境。汽蚀实验试验周期为30h，试验完成后称重测量。经过汽蚀实验发现，Ni基WC涂层的失重量为40.3mg，不锈钢的汽蚀量为127.6mg，普通低碳钢的汽蚀量为243.5mg，可见Ni基WC涂层的耐汽蚀能力相对比不锈钢和低碳钢有很大的提高。Ni60+WC涂层试样表面变化不大，仅存在及其微小的孔洞。在Ni60喷焊层的汽蚀试验中，裂纹也产生于相界处，涂层表面硬度对抗汽蚀性能有很大影响，由于喷焊层中硬质相的存在，以及WC颗粒的高硬度，使得涂层的相界增多，位错滑移受阻，裂纹在扩展中受到的阻力显著增大，因此，Ni60+WC涂层表现出非常好的抗汽蚀性能。

5、耐磨损试验测试：本次磨损试验采用冲蚀磨损。当流体介质中微细磨粒以高速冲击工件表面时造成表面材料磨损的现象。实验以0.12mm的玻璃珠为磨料，采用压缩空气以一定角度冲蚀材料基体。试验结果如表1所示。从Ni60+20％WC涂层与45#钢(淬火+回火组织)的磨损数据比较可以看出后者的磨损率较大，主要是由于Ni60+20％WC涂层中含有大量的硬质相，导致了涂层耐磨性提高。

表1涂层材料和45#钢冲蚀磨损实验结果

从上表还看出，45度攻角比90度攻角的磨损率大，这是由于小角度冲蚀时粒子对表面冲击可分为平行表面的切向运动和垂直于表面的法向运动，前者有如刀具对材料的切削运动，砂粒对涂层产生切削作用，结果会产生凿切唇，容易在连续冲击下脱落而失重。高角度冲蚀时，凿切力基本消失，涂层仅受正面冲击，因反复挤压而使涂层剥落。参见图4、5，是涂层和45号钢冲蚀后的扫描照片。从图5的扫描电镜照片可以看出45#钢冲蚀后表面非常粗糙，而图4涂层冲蚀后的形貌则比较均匀，涂层表面变化不大，造成这种现象的主要原因与涂层的结构以及涂层的硬度有关。涂层结构对冲蚀磨损的影响：火焰重熔的涂层更加致密，气孔率很低。如图4冲蚀后涂层的扫描电镜照片，可以看出涂层表面形冲蚀后形貌有少量的大块白色颗粒状硬质相，冲蚀的扫描照片多细小的针状，条状等形态的组织，就是由于这种凸凹不平的涂层组织，使涂层容易脱落。涂层表面有蚀坑存在，因为还有部分未熔的大块碳化钨硬质相颗粒没有被冲蚀掉，仍留在涂层的表面。涂层硬度对冲蚀磨损的影响：从磨损试验数据可以看出Ni60+20％WC涂层的损失率很小，而45#钢相对磨损率大，主要是由于镍基碳化钨涂层的硬度高，从而提高了涂层的耐磨性，其原因是弥散在镍基中的硬质相碳化钨增大了涂层的硬度，45#钢(淬火+回火组织)硬度低，造成了磨损率大。

结论：本项目研究了Ni60+20％WC涂层经火焰喷涂处理后的组织和性能。在研究了Ni60自熔合金粉末制备涂层的基础上，加入20％WC作为强化硬质相喷涂材料，采用氧-乙炔火焰重熔的工艺将其掺入20％WC的自熔性合金粉末熔敷在普通钢的表面上，形成一种符合水轮机工作原理，具有高耐汽蚀能力的涂层材料。通过金相显微镜观察涂层的组织形貌，扫描电镜及能谱分析其化学成分，X射线衍射分析其涂层的相组成，硬度试验和耐汽蚀实验和冲蚀磨损试验，测试涂层的性能并对其机理进行分析。结果表明：Ni60+20％WC涂层经火焰喷涂重熔后涂层结构致密，表面平整光滑，组织均匀而细小。涂层中WC硬质颗粒在涂层中起弥散强化作用，使涂层的硬度提高，具有耐汽蚀能力和耐磨性能，在重熔过程中熔融的自熔性合金粉末与基材形成了良好的冶金结合，增加了涂层和基体的结合强度。

Claims (1)

1.一种耐汽蚀水轮机叶片，其特征在于叶片表面喷涂有Ni60+20﹪WC粉末涂层；涂层厚度为150～250μm；Ni60+20﹪WC粉末中WC颗粒为80－120微米不规则的颗粒状，Ni60合金为50－80微米的球形颗粒。