CN103276341B - 一种水轮机过流部件耐磨蚀涂层的喷涂方法 - Google Patents
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Abstract
一种水轮机过流部件耐磨蚀涂层的喷涂方法，采用高能量密度的火焰枪辅助活化燃烧-超音速火焰喷涂AC-HVAF方法喷涂，具体步骤如下：1.将涂层材料金属陶瓷粉末烘干；2.采用金刚砂、棕刚玉或白刚玉对需喷涂的水轮机过流部件进行喷砂处理；3.采用高能量密度的火焰枪对喷砂处理后的水轮机过流部件表面进行初预热，使水轮机过流部件表面温度达到80-100℃；4.采用高能量密度的火焰枪对初预热后的水轮机过流部件表面进行再预热的同时采用活化燃烧-超音速火焰喷枪将抗磨蚀涂层材料喷涂于预热后的水轮机过流部件表面，形成具有耐磨蚀功能的涂层。本发明喷涂方法具有工艺简单、制备的耐磨蚀涂层结合强度高且涂层表面无需抛光处理的特点。
Description
技术领域
本发明涉及水轮机过流部件耐磨蚀涂层技术领域，具体涉及一种水轮机过流部件耐磨蚀涂层的喷涂方法。
背景技术
水电站水轮机过流部件如导叶、顶盖、底环、桨叶、转轮等部件由于输送的介质通常为两相流结构，通常除了液体介质外，还包括泥沙等固体颗粒，过流部件表面常常受到如腐蚀、气蚀、磨损、冲蚀等损伤。尤其是当水流中固体颗粒含量高、硬度高时，过流部件的损伤更严重，将引起系统安全故障，增加检修和维护成本。
目前对于水轮机的抗磨蚀涂层制备方法通常有以下几种：传统热喷涂方法，如传统超音速火焰喷涂、喷焊等；涂抹环氧金刚砂；超弹性软体抗磨涂层，如聚氨酯涂层、高超分子量聚乙烯等。
1）传统热喷涂耐磨涂层技术，采用如传统超音速火焰喷涂（HVOF）、火焰喷焊等技术将具有耐磨蚀功能的金属、陶瓷、金属陶瓷等材料喷涂于水轮机过流部件成为耐磨涂层。该技术目前已广泛获得使用，但喷涂后必须对喷涂层表面进行抛光处理，以保证喷涂后流体的流动特性，提高抗磨蚀能力，喷涂速度较低，一般为3～6kg/h，大面积工件的喷涂施工工期较长，对于检修时间比较短或检修工作量比较大的单位，很难实施，通常要坚持到大修期才能对过流部件进行喷涂施工，影响机组安全性。
2）涂抹环氧树脂，该方法通过将水轮机过流部件表面喷砂获得粗糙表面，然后通过环氧树脂将金刚砂涂抹于部件表面，以形成抗磨蚀涂层。但该方法结合强度低，经过一段时间的服役使用后，常常会发生大面积脱落。
3）超弹性软体抗磨涂层，该方法制备的涂层具有较高的抗磨蚀性能，但该涂层同样存在结合强度低的问题。
因此，对于发生冲蚀、气蚀、磨损的水轮机过流面，需要一种高效、高性能的耐磨涂层制备工艺。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种水轮机过流部件耐磨蚀涂层的喷涂方法，具有工艺简单且制备的耐磨蚀涂层结合强度高的特点。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种水轮机过流部件耐磨蚀涂层的喷涂方法，采用高能量密度的火焰枪辅助活化燃烧-超音速火焰喷涂方法喷涂，具体包括如下步骤：
步骤1：将涂层材料金属陶瓷粉末在100-120℃的烘箱中烘干1-2h。
步骤2：采用金刚砂、棕刚玉或白刚玉对需喷涂的水轮机过流部件进行喷砂处理；
步骤:3：采用高能量密度的火焰枪对喷砂处理后的水轮机过流部件表面进行初预热，使水轮机过流部件整体表面温度达到80-100℃；
步骤4：开始喷涂，继续采用高能量密度的火焰枪对初预热后的水轮机过流部件表面继续预热，同时采用活化燃烧-超音速火焰喷枪将抗磨蚀涂层材料喷涂于预热后的水轮机过流部件表面，形成具有耐磨功能的涂层，火焰枪预热点与喷涂点间距不超过20mm，再预热点预热后局部瞬时温度为400-800℃。
所述高能量密度的火焰枪的功率密度为3500-4500kW/m2，乙炔流量为800-1200L/h，氧气流量为850-1750L/h。
所述活化燃烧-超音速火焰喷枪的压缩空气压力为0.5-0.8MPa，流量为5-9m3/min，采用丙烷作为燃气，燃气压力为0.5-0.7MPa，流量为200-300L/min，送粉速率为50-800g/min，喷枪行走速度为400-1000mm/s。
所述高能量密度的火焰枪与水轮机过流部件表面距离为10-50mm，所述活化燃烧-超音速火焰喷枪与水轮机过流部件表面的距离为150-250mm。
步骤1所述的金属陶瓷粉末为WC金属陶瓷粉末，粒度为10-45μm。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1、喷涂过程中涂层粉末粒子温度低于熔点，且速度可达到3倍音速，喷涂粉末颗粒在喷涂过程中充分扁平化，涂层处于压应力状态，因此，喷涂厚度能达到0.1-0.5mm，而不会发生龟裂、剥落等现象；同时，由于水轮机过流部件预热后表面温度高，涂层沉积效率也得到显著提高。活化燃烧-超音速火焰喷涂压缩空气流量大，因此喷涂后涂层表面温度低于120摄氏度。
2、本发明涂层的沉积速度可达5-50kg/h，喷涂效率高；涂层处于压应力状态，结合强度高可达70-120MPa，所制备的涂层比传统超音速火焰喷涂（HVOF）制备的涂层结构致密、氧含量低、孔隙率低（<0.2%）。
3、由于喷涂过程中粒子速度高，粒子沉积前底部的涂层或基体温度高，所喷涂的抗磨蚀涂层在喷涂后无需抛光处理，涂层表面粗糙度平均值小于1μm。
4、本发明喷涂过程简单，操作灵活，工艺稳定，可重复性好，适合现场以及车间内施工。
附图说明
图1为火焰枪和喷枪安装示意图。
图2为本发明喷涂方法现场喷涂挂片试验组织结构。
图3为利用本发明方法喷涂的涂层表面轮廓结构。
图4为传统HVOF涂层表面状态及组织结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
某电厂水轮机顶盖（喷涂区域外径3710mm，内径2655mm，喷涂区域面积为5.71m2）的喷涂，首先将水轮机顶盖采用棕刚玉进行喷砂处理，棕刚玉粒度为16目，气体压力为0.4MPa。如图1所示，将高能量密度的火焰枪与超音速火焰喷枪共同安装于机器人上，采用机器人进行喷涂，根据顶盖的形状，编制机器人行走程序，机器人携带喷枪及火焰枪的行走速度为700mm/s；采用粒度分布在10-45μm的WC金属陶瓷粉末作为涂层材料，喷涂前将粉末在120℃的烘箱中进行烘干2h，然后采用活化燃烧-超音速火焰喷涂技术（AC-HVAF）进行喷涂。喷涂时，首先进行预热，预热时喷枪与火焰枪同时打开，火焰枪预热时，乙炔流量为1000L/h，氧气流量为1450L/h。火焰枪与工件表面距离设置为20mm。当基体整体表面温度达到80°后开始送粉喷涂，火焰枪继续对喷涂区域进行预热，局部预热温度可达到450℃，由于采用了高能量密度的火焰枪进行加热，基体的局部温度可以很快达到上述要求。而且喷枪与火焰枪紧靠，因此在粉末粒子沉积时，不会产生明显的温度下降。喷涂时，压缩空气压力为0.7MPa，流量为7.8m3/min。采用丙烷作为燃气，丙烷压力为0.53MPa，流量为248L/min，喷涂距离200mm，送粉速率为200g/min，喷涂涂层厚度为0.3mm。在工件喷涂过程中，设置挂片试样，用于喷涂后的涂层性能检测。整个顶盖完成喷涂所需时间为3小时左右。与传统超音速火焰喷涂（HVOF）方法相比，由于基体温度显著提高，使喷涂速度提高了4-5倍。将挂片试样在实验室进行检测，对同步喷涂挂片试样进行测试，结合强度超过76MPa，孔隙率<0.2%，如图2所示。喷涂涂层组织结构比传统HVOF喷涂涂层更致密，如图3和图4所示，表面粗糙度更低，多次测量粗糙度平均值为0.7μm。
Claims (5)
1.一种水轮机过流部件耐磨蚀涂层的喷涂方法，其特征在于：采用高能量密度的火焰枪辅助活化燃烧-超音速火焰喷涂AC-HVAF方法喷涂，具体包括如下步骤：
步骤1：将涂层材料金属陶瓷粉末在100-120℃的烘箱中烘干1-2h。
步骤2：采用金刚砂、棕刚玉或白刚玉对需喷涂的水轮机过流部件进行喷砂处理；
步骤3：采用高能量密度的火焰枪对喷砂处理后的水轮机过流部件表面进行初预热，使水轮机过流部件表面温度达到80-100℃；
步骤4：开始喷涂，继续采用高能量密度的火焰枪对初预热后的水轮机过流部件表面进行预热，同时采用活化燃烧-超音速火焰喷枪将抗磨蚀涂层材料喷涂于预热后的水轮机过流部件表面，形成具有耐磨功能的涂层，火焰枪预热点与喷涂点间距不超过20mm，再预热点预热后局部瞬时温度为400-800℃。
2.根据权利要求1所述的一种水轮机过流部件耐磨蚀涂层的喷涂方法，其特征在于：所述高能量密度的火焰枪的功率密度为3500-4500kW/m2，乙炔流量为800-1200L/h，氧气流量为850-1750L/h。
3.根据权利要求1所述的一种水轮机过流部件耐磨蚀涂层的喷涂方法，其特征在于：所述活化燃烧-超音速火焰喷枪的压缩空气压力为0.5-0.8MPa，流量为5-9m3/min，采用丙烷作为燃气，燃气压力为0.5-0.7MPa，流量为200-300L/min，送粉速率为50-800g/min，喷枪行走速度为400-1000mm/s。
4.根据权利要求1所述的一种水轮机过流部件耐磨蚀涂层的喷涂方法，其特征在于：所述高能量密度的火焰枪与水轮机过流部件表面距离为10-50mm，所述活化燃烧-超音速火焰喷枪与水轮机过流部件表面的距离为150-250mm。
5.根据权利要求1所述的一种水轮机过流部件耐磨蚀涂层的喷涂方法，其特征在于：步骤1所述的金属陶瓷粉末为WC金属陶瓷粉末，粒度为10-45μm。
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