CN103286516A

CN103286516A - 一种水力机械过流部件空蚀复合修复覆层及其制备方法

Info

Publication number: CN103286516A
Application number: CN2013102131633A
Authority: CN
Inventors: 吴玉萍; 何智华; 李改叶; 郭文敏; 洪晟; 高文文; 王博
Original assignee: JIANGSU IRRIGATION CANAL ADMINISTRATION DIVISION; Hohai University HHU
Current assignee: JIANGSU IRRIGATION CANAL ADMINISTRATION DIVISION; Hohai University HHU
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: CN103286516B

Abstract

本发明公开一种用于水力机械过流部件空蚀的复合修复覆层，所述复合修复覆层由堆焊层和高速电弧喷涂涂层组成，所述高速电弧喷涂涂层各组分及其质量百分比含量范围如下：Ni:5-15%，Cr:15-40%，B:4.0-8.0%，C:0.1-1.0%，Si:1.0-3.0%，Re:0.1-1.0%，Ti、Nb均不大于1%，其余为Fe。还公开了该用于水力机械过流部件空蚀的复合修复覆层的制备方法。所述复合修复覆层采用表面堆焊、打磨喷砂、高速电弧喷涂、封闭处理联合制备的方法，工作层为铬系金属陶瓷Fe基涂层，基体、堆焊、高速电弧喷涂涂层结合紧密，具有优良的抗空蚀性能，有效修复及防护水泵等水力机械表面，延长使用寿命。

Description

一种水力机械过流部件空蚀复合修复覆层及其制备方法

技术领域

本发明涉及水力机械表面修复与防护领域，具体涉及一种水力机械空蚀损伤复合修复覆层及其制备方法。

背景技术

我国水力资源丰富但分布不均，水利工程意义重大。空蚀普遍存在于水泵、水轮机等水力机械过流部件的运行过程中，在空蚀、腐蚀、锈蚀等因素的综合作用下，水力机械过流部件表面大面积剥落，形成具有凸起与坑洞的蜂窝状表面，导致水力机械功效降低，振动加剧，大幅缩短水泵使用寿命，严重威胁水力机械的安全可靠运行。

提高水力机械过流部件表面的抗空蚀性能，主要从水力机械制造材料和结构设计方面入手。水力机械采用抗空蚀性能较好的材料制造将提升成本，为此可采用成本低廉的碳素结构钢或低合金结构钢等制造母材，然后进行镀覆处理，对发生在水力机械过流部件表面的空蚀损伤进行修补及防护，既节约贵重材料，又对空蚀严重部分进行有效保护，因此表面镀覆处理是一种经济有效的措施。

目前水力机械过流部件的空蚀修复多采用堆焊方法处理，堆焊层与基材呈冶金结合，结合强度高，能有效填补修复空蚀深坑。但堆焊热影响大，基体易变形，焊层厚度不均，加工余量大且对基体材料可焊接性能要求高。修复后堆焊层与基材界面受空蚀作用易发生二次损伤，堆焊层发生整体剥落，修复效果不理想。

另一种有效防护过流部件空蚀的方法是采用先进的超音速火焰喷涂技术，涂层具有高硬致密、结合强度高的特点，但设备成本高昂，施工环境和喷涂工艺参数限制严格，且沉积率低、无法有效修复严重空蚀的深度坑洞。

高速电弧喷涂具有涂层性能优异、喷涂效率高、喷涂材料广泛、工艺设备简单和施工便捷成、本低廉的特点，配合堆焊修补技术，可以成功制备出有效抗空蚀的复合覆层。

发明内容

发明目的：本发明第一个目的是提供一种用于水力机械过流部件空蚀的复合修复覆层。本发明的第二个目的是提供的该水力机械空蚀复合修复覆层的制备方法，在堆焊修复后的过流部件整体表面进行高速电弧喷涂制备复合修复涂层，涂层与基体和堆焊层结合良好，厚度均匀，具有较高强韧性能，可有效保护水力机械过流部件表面免受或减轻空蚀及腐蚀损伤。

技术方案：本发明提供一种用于水力机械过流部件空蚀的复合修复覆层，所述复合修复覆层由堆焊层和高速电弧喷涂涂层组成，所述高速电弧喷涂涂层的各组分及其质量百分比含量范围如下：Ni:5-15%，Cr:15-40%，B:4.0-8.0%，C:0.1-1.0%，Si:1.0-3.0%，Re:0.1-1.0%，Ti、Nb均不大于1%，其余为Fe。

一种用于水力机械过流部件空蚀的复合修复覆层的制备方法，包括以下步骤：

1）对水力机械过流部件表面空蚀损伤深度大于1mm的坑洞进行堆焊修复；若空蚀坑洞深度<1mm，步骤1）可略过，直接进行步骤2）；

2）对堆焊修复后的水力机械过流部件表面用砂轮打磨平整，喷砂粗化，完全除去氧化皮、锈迹、污垢和其他附着物、露出新鲜表面；

3）在步骤2）处理后的过流部件的新鲜表面上采用高速电弧喷涂所述的高速电弧喷涂涂层；

4）在步骤3）喷涂后的高速电弧喷涂涂层表面采用封孔剂进行封闭处理即完成复合修复覆层的制作。

优选地，所述步骤1）中的堆焊修复采用堆焊焊丝或焊条进行修复，焊丝或焊条的组成成分与过流部件的母材组成成分一样。

优选地，所述步骤2）中的用砂轮打磨平整，其打磨平整后坑洞的倾角小于25°。所述步骤2）中喷砂粗化采用目数为25目～60目的刚玉砂或优质石英砂或河砂中的一种或几种，喷砂气压大于0.5MPa。

优选地，所述步骤3）中高速电弧喷涂的工艺参数为：喷涂距离为150～350mm，喷涂电流为120～300A，喷涂电压为20～50V。

优选地，所述步骤3）中的高速电弧喷涂涂层厚度为0.1～0.5mm。

优选地，所述步骤4）中封闭处理采用涂刷法或喷射法处理。

优选地，所述步骤4）中封闭处理采用的封孔剂为有机硅透明树脂，所述有机硅透明树脂中含有1%～6%的纳米Al₂O₃陶瓷微粒。

优选地，所述Al₂O₃陶瓷粒径为5nm～150nm。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：1）本发明的水力机械过流部件修复方法采用高速电弧喷涂联合堆焊处理，效率高成本低，工作涂层与基体及堆焊层的结合强度>50MPa，工作层硬度>700HV_0.3。2）本发明的涂层具有优异抗空蚀性能，涂层厚度仅为0.1～0.5mm，不影响叶片尺寸。3）涂层有效地保护堆焊层与基体结合界面，防止堆焊层二次空蚀剥落，大幅延长过流部件维修周期，有效提升过流部件抗空蚀性能。4）涂层表面采用有机硅透明树脂复合纳米Al₂O₃陶瓷微粒封孔材料，渗透能力强，室温可固化，封闭效果好，耐腐蚀、抗空蚀性能好。5）所述复合修复覆层采用表面堆焊、打磨喷砂、高速电弧喷涂、封闭处理联合制备的方法，工作层为铬系金属陶瓷Fe基涂层，基体、堆焊、高速电弧喷涂涂层彼此间结合紧密，涂层具有优良的抗空蚀性能，能有效修复及防护水泵等水力机械表面，延长使用寿命。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明进一步说明，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

附图说明

图1本发明方法制备的过流部件空蚀复合修复覆层相组成X-Ray衍射图谱，涂层主要相为α-Fe(Cr)，硬质陶瓷增强相为硼化物。

图2实施例1制备的复合修复覆层的截面金相显微照片。

图3实施例2制备的复合修复覆层的截面金相显微照片。

图4实施例3制备的复合修复覆层的截面金相显微照片。

实施例1：本实施例中的过流部件为水泵叶片。

一种用于水力机械水泵叶片空蚀的复合修复覆层，所述复合修复覆层由堆焊层和高速电弧喷涂涂层组成，所述高速电弧喷涂涂层的各组分及其质量百分比含量范围如下：Ni:5%，Cr:15%，B:4.0%，C:0.1%，Si:1.0%，Re:0.1%，Ti、Nb均为0.5%，其余为Fe。

一种用于水力机械水泵叶片空蚀的复合修复覆层的制备方法，包括以下步骤：

1）对水泵叶片表面空蚀损伤深度大于1mm的坑洞进行堆焊修复；所述堆焊修复采用堆焊焊丝或焊条对叶片空蚀坑洞进行修复，焊丝或焊条的组成成分与过流部件的母材组成成分一样；若空蚀坑洞深度<1mm，步骤1）可略过，直接进行步骤2），

2）对堆焊修复后的水泵叶片表面用砂轮打磨平整，其打磨平整后坑洞的倾角小于25°，喷砂采用目数为40目的优质石英砂，喷砂气压大于0.5MPa，喷砂粗化，完全除去氧化皮、锈迹、污垢和其他附着物、露出新鲜表面；

3）在步骤2）处理后的水泵叶片表面的新鲜表面上采用高速电弧喷涂所述的高速电弧喷涂涂层；高速电弧喷涂的工艺参数为：喷涂距离为150mm，喷涂电流为120A，喷涂电压为35V，高速电弧喷涂涂层厚度为0.15mm；涂层中含有CrB、FeB等硼化物陶瓷硬质增强相，涂层致密无明显分层，孔隙率低，涂层硬度高，涂层与基体和堆焊层以机械结合为主，辅以微冶金接合，结合强度高，复合涂层的孔隙率、硬度及结合强度见表2；

4）在步骤3）喷涂后的高速电弧喷涂涂层表面采用封孔剂进行封闭处理即完成复合修复覆层的制作。封闭处理采用的封孔剂为有机硅透明树脂，所述有机硅透明树脂中含有3%的纳米Al₂O₃陶瓷微粒，所述Al₂O₃陶瓷粒径为20nm、60nm和100nm。封闭处理采用涂刷法涂刷适当遍数至封孔剂渗入涂层并挂覆水泵叶片表面无明显滴落，根据水泵叶片表面面积及施工温度静置12小时处理。所述的3%的纳米Al₂O₃陶瓷微粒有机硅透明树脂封孔剂采用机械力搅拌和超声波分散法制备而成，对涂层进行刷涂封孔，有效降低涂层表面粗糙度。

实施例2：本实施例中的过流部件为水泵转轮室。

一种用于水力机械水泵转轮室空蚀的复合修复覆层，所述复合修复覆层由堆焊层和高速电弧喷涂涂层组成，所述高速电弧喷涂涂层的各组分及其质量百分比含量范围如下：Ni:10%，Cr:25%，B:6%，C:0.5%，Si:2%，Re:0.5%，Ti、Nb均为0.7%，其余为Fe。

一种用于水力机械水泵转轮室空蚀的复合修复覆层的制备方法，包括以下步骤：

1）对水泵转轮室表面空蚀损伤深度大于1mm的坑洞进行堆焊修复；所述堆焊修复采用堆焊焊丝或焊条进行修复，焊丝或焊条的组成成分与水泵转轮室表面的母材组成成分一样；若空蚀坑洞深度<1mm，步骤1）可略过，直接进行步骤2），

2）对堆焊修复后的水泵转轮室表面用砂轮打磨平整，其打磨平整后坑洞的倾角小于25°，喷砂采用目数为60目的优质石英砂和河砂，喷砂气压大于0.5MPa，喷砂粗化，完全除去氧化皮、锈迹、污垢和其他附着物、露出新鲜表面；

3）在步骤2）处理后的水泵转轮室新鲜表面上采用高速电弧喷涂所述的高速电弧喷涂涂层；高速电弧喷涂的工艺参数为：喷涂距离为250mm，喷涂电流为200A，喷涂电压为20V，高速电弧喷涂涂层厚度为0.35mm，含有CrB等硼化物陶瓷硬质增强相，涂层致密无明显分层，孔隙率低，涂层硬度高，涂层与基体和堆焊层以机械结合为主，辅以微冶金接合，结合强度高，复合涂层的孔隙率、硬度及结合强度见表2。；

4）在步骤3）喷涂后的高速电弧喷涂涂层表面采用封孔剂进行封闭处理即完成复合修复覆层的制作。封闭处理采用的封孔剂为有机硅透明树脂，所述有机硅透明树脂中含有6%的纳米Al₂O₃陶瓷微粒，所述Al₂O₃陶瓷粒径为10nm、75nm、120nm。封闭处理采用涂刷法涂刷适当遍数至封孔剂渗入涂层并挂覆水泵转轮室表面无明显滴落，根据水泵转轮室面积及施工温度静置24小时处理。所述的5%的纳米Al₂O₃陶瓷微粒有机硅透明树脂封孔剂，对涂层进行刷涂封孔，有效降低涂层表面粗糙度，复合修复覆层抗空蚀性能与1Cr18Ni9Ti相近。

实施例3：本实施例中的过流部件为水轮机叶片。

一种用于水力机械水轮机叶片空蚀的复合修复覆层，所述复合修复覆层由堆焊层和高速电弧喷涂涂层组成，所述高速电弧喷涂涂层的各组分及其质量百分比含量范围如下：Ni:15%，Cr:40%，B:8.0%，C:1.0%，Si:3.0%，Re:1.0%，Ti、Nb均为1%，其余为Fe。

一种用于水力机械水轮机叶片空蚀的复合修复覆层的制备方法，包括以下步骤：

1）对水力机械水轮机叶片表面空蚀损伤深度大于1mm的坑洞进行堆焊修复；所述堆焊修复采用堆焊焊丝或焊条进行修复，焊丝或焊条的组成成分与水轮机叶片的母材组成成分一样；若空蚀坑洞深度<1mm，步骤1）可略过，直接进行步骤2），

2）对堆焊修复后的水力机械水轮机叶片表面用砂轮打磨平整，其打磨平整后坑洞的倾角小于25°，喷砂采用目数为25目的刚玉砂，喷砂气压大于0.5MPa，喷砂粗化，完全除去氧化皮、锈迹、污垢和其他附着物、露出新鲜表面；

3）在步骤2）处理后的水轮机叶片的新鲜表面上采用高速电弧喷涂所述的高速电弧喷涂涂层；高速电弧喷涂的工艺参数为：喷涂距离为350mm，喷涂电流为300A，喷涂电压为50V，高速电弧喷涂涂层厚度为0.5mm，涂层中含有CrB等硼化物陶瓷硬质增强相，涂层致密无明显分层，孔隙率低，涂层硬度高，涂层与基体和堆焊层以机械结合为主，辅以微冶金接合，结合强度高，复合覆层的孔隙率、硬度及结合强度见表2。

4）在步骤3）喷涂后的高速电弧喷涂涂层表面采用封孔剂进行封闭处理即完成复合修复覆层的制作。封闭处理采用的封孔剂为有机硅透明树脂，所述有机硅透明树脂中含有1%的纳米Al₂O₃陶瓷微粒，所述Al₂O₃陶瓷粒径为5nm、50nm和150nm。封闭处理采用涂刷法涂刷适当遍数至封孔剂渗入涂层并挂覆水轮机叶片表面无明显滴落，根据水轮机叶片表面面积及施工温度静置18小时处理。所述的3%的纳米Al₂O₃陶瓷微粒有机硅透明树脂封孔剂，对涂层进行刷涂封孔，有效降低涂层表面粗糙度。

表1各实施案例中喷涂工艺参数

表2各实施案例中复合覆层的硬度及结合强度

上述仅为本发明优选的实施例，并不限制于本发明。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施例来举例说明。而由此方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于水力机械过流部件空蚀的复合修复覆层，所述复合修复覆层由堆焊层和高速电弧喷涂涂层组成，其特征在于，所述高速电弧喷涂涂层的各组分及其质量百分比含量范围如下：Ni:5-15%，Cr:15-40%，B:4.0-8.0%，C:0.1-1.0%，Si:1.0-3.0%，Re:0.1-1.0%，Ti、Nb均不大于1%，其余为Fe。

2.一种用于水力机械过流部件空蚀的复合修复覆层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）对水力机械过流部件表面空蚀损伤深度大于1mm的坑洞进行堆焊修复；

3）在步骤2）处理后的过流部件的新鲜表面上采用高速电弧喷涂权利要求1所述的高速电弧喷涂涂层；

3.根据权利要求2所述的复合修复覆层的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的堆焊修复采用堆焊焊丝或焊条进行修复，焊丝或焊条的组成成分与过流部件的母材组成成分一样。

4.根据权利要求2所述的复合修复覆层的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中的用砂轮打磨平整，其打磨平整后坑洞的倾角小于25°。

5.根据权利要求2所述的复合修复覆层的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中喷砂粗化采用目数为25目～60目的刚玉砂或优质石英砂或河砂中的一种或几种，喷砂气压大于0.5MPa。

6.根据权利要求2所述的复合修复覆层的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中高速电弧喷涂的工艺参数为：喷涂距离为150～350mm，喷涂电流为120～300A，喷涂电压为20～50V。

7.根据权利要求2所述的复合修复覆层的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中的高速电弧喷涂涂层厚度为0.1～0.5mm。

8.根据权利要求2所述的复合修复覆层的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中封闭处理采用涂刷法或喷射法处理。

9.根据权利要求2所述的复合修复覆层的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中封闭处理采用的封孔剂为有机硅透明树脂，所述有机硅透明树脂中含有1%～6%的纳米Al₂O₃陶瓷微粒。

10.根据权利要求9所述的复合修复覆层的制备方法，其特征在于，所述Al₂O₃陶瓷粒径为5nm～150nm。