CN1042588A - 水轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水轮机，特别是关于：在泥砂含量大的水流中工作的旋转机械构件的表面，易受气蚀、泥砂磨损以及这些因素造成的复合损伤，因此，敷设一层可以防止这类损伤的耐水中泥砂磨损性能好的堆焊层的水轮机，其特征在于，该堆焊层是一种具有奥氏体不锈钢基体和弥散于此基体中的碳化物的金属组织。

Description

本发明涉及一种水轮机，特别是关于一种为防止在含泥砂量大的水流中工作的旋转机械构件等表面免受气蚀、泥砂磨损以及这些因素的复合损伤，而在其表面上敷设一层能耐水中泥砂磨损的堆焊层的水轮机。

水力发电设备上用的水轮机转子、导叶和静叶等与水流接触的构件，由于构件形状与流速的关系而产生的气穴的破碎和冲击作用，有时会受到气蚀的损伤。这种由气蚀造成的构件损伤，其现象是，在高速水流中发生的气穴，冲击构件表面后破碎时，有较强大的冲击应力作用于构件上，从而使该部分受到侵蚀。此时的冲击压力很高，在流速35～120m/sec时为517～1745atm。

因此，曾开发出几种旨在把耐气蚀性能好的不锈钢材料堆焊在接触水流部位的母材表面用以防止损伤的金属堆焊材料。这些堆焊材料的成分已公开于特开昭57-152447号、特开昭57-156894号、特开昭57-199593号的公报中，并一直使用不锈钢材料至今。作为防止气蚀损伤的材料，不仅要求其具有高强度和高硬度，而且还应当是一种能利用冲击压力对表层有加工硬化作用的堆焊材料。

另一方面，水泵等构件所用的铸铁，耐磨性能欠佳，因而开发了一些将陶瓷颗粒弥散在耐磨橡胶、聚氨基甲酸乙酯或环氧树脂等中的耐磨材料。这些材料的成分曾在特开昭59-45363号至特开昭59-45366号，特开昭59-68349号，特开昭62- 72922号至特开昭62-72923号等公报中公开过许多种。

使用含有大量泥砂的河水的水力发电用水轮机，其构件因受泥砂成分中硬质的SiO₂和Al₂O₃的切削作用而被侵蚀。一般来说，越是硬度大的金属材料越能耐气蚀损伤，但是在含有泥砂的环境中，硬度大者未必都好。只要是硬度比泥砂成分中的物质的硬度大的材料，一般就可以防止切削作用等造成的侵蚀。但是，要将硬度大的材料按规定的形状敷设在大型构件上，一般来说这是非常困难的。

另外，到目前为止，在含泥砂量大的地点使用水力发电机用水轮机的实际经验还较少，所以为防止水中泥砂的磨损而直接开发出来的材料还没有见到过。因而，现在采用的办法是，在水轮机转子等部位采用经淬火、回火处理满足其强度要求的含Ni13Cr铸钢，并在其表面上采用一种由JIS    D308，JISD    309    Mo，HST    25等材料构成的包剂焊条电弧焊堆焊工艺。但是，这种措施并不是为了提高对水中泥砂的耐磨性而采取的，所以将它用于泥砂含量大的地点的水力发电机用水轮机上时，因其对水中泥砂的耐磨性欠佳，而出现了严重的磨损。

在特开昭62-134193号说明书中公开了一种以混合粉末作为包剂焊条电弧焊堆焊用的材料，在母材表面上敷设堆焊层的技术，该混合粉末系由Co基超耐热合金粉末与陶瓷粉末混合而成，但是，这种技术是为了提高高温构件表面的耐热性和耐压缩变形性能而采用的技术，并不适用于本发明提出的那种水轮机的情况。

如所周知，以往在水轮机构件上堆焊金属焊接材料，固然是为了提高其耐蚀性，但其主要目的是为了防止水轮机转子等受气蚀的侵蚀，然而它对水中泥砂的耐磨性并不是很好的。这是由于气蚀与泥砂磨损 两者之间的损伤机理有所不同。也就是说，前者是，由于在高速水流中发生的气穴在材料表面上碰撞、破碎时产生的冲击压力造成的侵蚀;而后者主要是，因泥砂的切削作用而发生的侵蚀现象。此外，在含泥砂量大的水流中，有气蚀与泥砂磨损复合作用的情况下，材料的损伤要比单一因素时加快。因此，上述以往的材料，即JISD308，JISD309Mo，HST25等不锈钢，用于含泥砂量大的地点的水轮机上是有问题的。

现已开发出高分子有机材料与陶瓷复合的高分子陶瓷复合材料，作为耐泥砂磨损的材料。这是一种使高硬度陶瓷弥散在高分子材料中，以减少泥砂的切削作用的材料。但是，在水中使用这种材料时，不仅仅是受泥砂的磨损，而且还与气蚀相复合，而会造成较大的损伤，特别是，高分子陶瓷复合材料的耐泥砂磨损性能，虽然优于金属材料，但是，其耐气蚀损伤的性能，远远低于金属材料。因此，在含泥砂量大的地点，在水轮机构件上应用这种高分子陶瓷复合材料，从可靠性的观点上看是有问题的。

现将本发明的梗概介绍如下。

本发明的第1个目的是提供一种具有堆焊层的水轮机。这种堆焊层的特点是，敷于受水流冲击的基体材料上，可以同时防止气穴侵蚀和泥砂磨损，且工艺性好，容易敷设。

本发明的第2个目的是提供一种具有堆焊层的水轮机的制造工艺。这种堆焊层的特点同上。

实现本发明第1个目的的本发明的水轮机，其特征在于：一种设有调整水流的导叶和靠该水流旋转的转子的水轮机，在其受水流冲击的部位上，装有带堆焊层的构件，堆焊层的耐热性能比母材好;该堆焊层是一种金属组织，它含有奥氏体不锈钢的基体和弥散于此基体中的碳化物。

至少在一部分受水流冲击的构件上敷以耐气蚀性能比母材好的堆焊层，从而实现本发明第2个目的的本发明的水轮机制造工艺，其特征在于：用等离子弧熔化奥氏体不锈钢粉末与金属碳化物系陶瓷粉末混合的混合粉末，并向被焊部分供应的同时，一面在该被焊部分制造熔融金属的熔池，一面按所要求的厚度形成堆焊层。

碳化物的含量以面积率表示时，最好在1～60%之间。特别是，在受到水流的剧烈冲击、并受气穴作用的部分，韧性大的材料较好，故以1～10%为宜，而以水流磨损为主的部分，以10～60%为宜。硬度最好是在Hv300～700之间。碳化物的添加量与堆焊层中所含结晶物的面积率之间的关系是，添加量5Wt%时，面积率为20%，10Wt%时为40%，15Wt%时为60%。

在本发明所述水轮机的受水流冲击部分复盖有堆焊层。弥散于构成该堆焊层的奥氏体不锈钢基体中的碳化物，包括两种：（A）类是残余在上述堆焊层中的上述金属碳化物系陶瓷颗粒;（B）类是没有残余的上述金属碳化物陶瓷颗粒，而在堆焊后有结晶的金属复合碳化物。

（A）类陶瓷颗粒的残余凝固组织结构包覆层是这样一种结构：高熔点的上述金属碳化物系陶瓷（S）的粉末粒径，与上述奥氏体不锈钢（M）的粉末粒径（10～200μm）的粒径比S/M在2以下，最好在1～2之间为宜，而金属碳化物系陶瓷（S）的含量为20～80%容积;而且上述堆焊层中，金属碳化物系陶瓷颗粒残存在其中。

此外，上述奥氏体不锈钢可以采用AISI304、316等。即这些材料的基本成分为C：0.01～0.15%（以重量计）、Si：1%以下、Mn：13%以下、Cr：16～26%、Ni：2～22%，再向其添加Mo5%以下、Co12%以下、Cu5%以下、N0.3%以下、并在Nb、Ti、W、V之中至少加1种含1～5%。理想的成分以重量%表示如下：含C：0.05～0.15%、Si：0.2～1.0%、Mn：7～13%、Ni：2～7%、Co：0～10%、Cr：17～23%、Mo：1～3%、N：0.3%以下，其余部分是Fe以及随其混入的不可避免的杂质，（Mn%+Co%）/Cr%的值在0.6～1.3的范围，使用一种加工硬化性能高于AISI304或316的类似马氏体不锈钢者为宜。

上述金属碳化物系陶瓷至少是从SiC、TiC、WC、以及Cr₃C₂中选用的一种。

另一方面，（B）类形成没有残余陶瓷颗粒的凝固组织结构堆焊层所用的复合粉末的情况如下。高熔点的上述金属碳化物系陶瓷（S）的粉末粒径，以及上述奥氏体不锈钢（M）的粉末粒径在10～200μm的范围，粒径比S/M在1以下，含有金属碳化物系陶瓷（S）1～40%容积，而且金属碳化物颗粒没有残存在覆层之中，并且结晶的金属复合碳化物弥散在其中。

这种（B）类无陶瓷颗粒残余凝固组织的堆焊层所用的奥氏体不锈钢，使用与上述（A）类有陶瓷颗粒残余凝固组织的堆焊层相同的不锈钢。

上述金属碳化物系陶瓷，比不锈钢的密度小，具有立方晶系结构，至少从SiC、TiC群中选择1种。

在（A）类及（B）类陶瓷颗粒有残余或无残余凝固组织堆焊层中，上述奥氏体不锈钢以及上述金属碳化物系陶瓷的粉末形状，最好是圆形、角形、圆角形或这些形状的混合形。并采用等离子弧堆焊法形成上述堆焊层，其厚度最好是在5毫米以下为宜。

本发明提出的水轮机，可用于利用含泥砂量大的水中进行水力发电用的水轮机上，并可将气蚀损伤、泥砂磨损造成的损伤以及上述因素的复合损伤的发生，控制在最低限度。

对本发明提出的水轮机作进一步说明如下。在（A）类陶瓷颗粒的残余凝固组织堆焊层中，将粒径大于奥氏体不锈钢粉末的SiC、TiC、WC以及Cr₃C₂等金属碳化物系陶瓷粉末，以20～80%的容积比，混合在不锈钢粉末内配成复合粉末后，进行等离子堆焊，通过上述办法形成陶瓷颗粒残存的凝固组织。此时，使陶瓷粉末（S）与不锈钢粉末（M）的粒径比S/M介于1～2之间。这是由于陶瓷的熔点比不锈钢高，在等离子弧中熔化不锈钢粉末而使陶瓷颗粒残留下来。如果将此比值取得过大，大的颗粒相互挨近，增大了偏析倾向，因而在实际的工作应力下容易产生裂纹。

此外，选用上述各类陶瓷的理由是，使硬度大于SiO₂、Al₂O₃（即泥砂的组成物质）的陶瓷弥散，以制止泥砂切削作用的侵蚀。

在（B）类陶瓷颗粒的无残余凝固组织覆层中，选择那种密度小于不锈钢的金属复合碳化物系陶瓷SiC，TiC粉末与不锈钢粉末混合成复合粉末，用等离子堆焊工艺将它形成堆焊层，其结果可使堆焊层中无残余的陶瓷颗粒，使金属复合碳化物变为结晶并弥散的凝固组织。因此，不锈钢粉末和陶瓷粉末的粒径介于10～20μm为宜。如果这些粉末的粒径过大，就会有未熔化的不锈钢粉末和陶瓷粉末的颗粒残留下来。但因陶瓷的熔点高于不锈钢，为了焊接这些复合粉末，而使陶瓷粉末的粒径小于不锈钢粉末的粒径，以便容易被等离子弧熔化，因此，如上所述，使S/M小于1为宜。

在（A）类及（B）类陶瓷颗粒有残余或无残余的凝固组织堆焊层的情况下，不锈钢粉末和陶瓷粉末的形状均可为圆形、角形、圆角形以及这些形状的混合形，采用普通的粉末冶金技术就能够制造。此外，在实际机械构件表面上形成的堆焊层，其堆焊量虽然越多越好，但将这些材料的延展性和韧性考虑进去，并因与构件（母材）之间的混合层几乎没有形成，所以厚度取在5mm以下就足够了，并能显示出耐磨损性能。

在受水冲击的部位的堆焊层的施工，用包剂焊条电焊、TIG（钨极惰性气体保护焊）、MIG（金属焊条惰性气体保护焊）等普通焊接工艺就能进行。然而，如本发明中所述，用这些工艺来堆焊陶瓷粉末与不锈钢粉末的复合粉末是比较困难的。因此，将粉末混合后用等离子弧进行焊接就能取得较好效果。

按本发明提出的方案，采用等离子弧焊工艺，把含有20Cr-4Ni-6Co-1.5Mo-10Mn-0.2N的奥氏体不锈钢与熔点及硬度都高于不锈钢的金属碳化物系陶瓷配成的复合粉末，焊接在水轮机的与含泥砂量高的水相接触的构件表面（至少在其一部分）上，形成一层堆焊层。这种堆焊层，在其奥氏体不锈钢基体中有碳化物弥散的组织，这种组织能将在高泥砂含量河水中工作的水轮机构件因泥砂造成的损伤控制在最低限度，并能构成一个可靠性高的系统。

此外，（A）类陶瓷颗粒的残余凝固组织堆焊层，或（B）类陶瓷颗粒的无残余凝固组织堆焊层中的任何一种堆焊层，都能防止泥砂磨损造成的损伤、气蚀造成的损伤以及这些因素的复合损伤，但前者的（A）类，特别适合于耐泥砂磨损的性能要求，而后者的（B）类工艺性好，容易制造堆焊层。

本发明所涉及的耐蚀性堆焊层是将奥氏体不锈钢、表面是金属包覆层的金属碳化物系陶瓷、还有加入稀土元素的复合粉末，堆焊于机械构件的基板表面而形成的堆焊层，它可以防止气蚀、泥砂磨损以及复合损伤，而且是具有韧性的焊接性能良好的堆焊层。

附图的简要说明如下。图1A是采用本发明涉及的堆焊层的水轮机主要部分剖面图;图1B是图1A中X方向的斜视图;图2是本发明的包覆层中在奥氏体不锈钢基体上弥散的结晶碳化物层的金相显微组织图片;图3是SiC添加量与泥砂磨损量之间的关系曲线图;图4是本发明所述堆焊层与对比材料的泥砂磨损量对比图;图5～6是包覆本发明所提堆焊层的水轮机构件模型图;图7是SiC和TiC的添加量与因气蚀损耗量之间的关系曲线图;图8是本发明所述堆焊层与对比材料的气蚀损耗量比较图;图9是SiC与TiC添加量与泥砂磨损侵蚀量之间的关系曲线图;图10是本发明所述堆焊层与对比材料的泥砂磨损侵蚀量比较图;图11A及图11B表示本发明实施例的水轮机叶片中设有包覆层的部位图;图12是制造堆焊层时使用的等离子弧焊接设备的简图;图13是各种不同试料的气蚀损耗量的图表;图14表示图13所示各种不同试料的泥砂侵蚀量的图表。

本发明的实施例如下。图1A表示应用了本发明的水轮机主要部份剖面图;将从图1A的X方向透视时的水轮转子的透视图示于图1B。作为本水轮动叶的转子本体是在叶冠1与护环2之间设有若干个叶片3，并由转子锥体4，导叶5，静叶6，旋转耐磨环7以及覆面板8构成，流过静叶6的含泥砂的水流，经过导叶5流入叶片3，向转子叶片提供旋转能之后落到下方。9表示加强带。

图2的照片表示，本发明的水轮叶片3上形成的堆焊层与叶片之间的熔敷状态，以及在奥氏体不锈钢基体上有结晶碳化物析出的堆焊层的显微组织。此叶片3一般是用普通的熔化、铸造法制取的Ni13Cr铸钢9构成的。但是，考虑到气蚀造成的损伤，以往是通过在接触水流的表面上进行奥氏体不锈钢堆焊（不锈钢JISD    308，D309    Mo等）作为防止损伤的对策。然而，现已了解，这些材料对于防止泥砂磨损并非很有效。于是，曾对高硬度的堆焊金属材料作过研究，但没有获得值得满意的耐磨损特性，同时在堆焊部分还发生裂纹等，因与母材有关连，所以其应用也有局限性。后来，又经过各种研究的结果，注意到，奥氏体系堆焊材料的焊接裂纹少，容易加工，耐气蚀性能比JISD308和D309Mo好。这就是把本发明的20Cr-4Ni-6Co-1.5Mo-10Mn-0.2N奥氏体不锈钢粉末与金属碳化物系陶瓷粉末混合而成的混合粉末，经等离子堆焊得到的覆层10。这种覆层10具有金属组织，它具有奥氏体不锈钢基体和弥散于此基体中而存在的碳化物。现已了解，此层10的耐气蚀性能和耐泥砂磨损性能都很好。

这种堆焊层的厚度在5mm以下，虽然可覆多层，但只形成1层就能充分发挥其效果，而最适宜的厚度介于1～3mm之间。本发明中提及的粉末，可以使用通过粉末冶金技术中常用的制造方法制成的粉末。此外还将上述奥氏体不锈钢粉末，作为等离子堆焊用混合粉末的基础材料，这种粉末，其焊接性能好，而且耐气蚀性能优异，因此最适于作本发明的基础材料。

下面叙述各个成分的限定理由。

1.奥氏体不锈钢粉末

成分用重量%表示。

C是强力的奥氏体生成元素，具有稳定奥氏体和加强基体的作用。C含量少时，δ铁素体的析出量增大，延展性、韧性以及耐气蚀性能均降低。但是，当增加C含量时，在焊接中对焊接裂纹的敏感性增大，因此，C含量在0.05～0.15%的范围是适宜的。

Si是为了焊接件的脱氧而添加的，在0.2%以下时，这种脱氧效果不足，超过1.0%时，在凝固晶粒边界产生低熔点化合物，增大高温裂纹的敏感性，因此，Si含量在0.2～1.0%的范围是适宜的。

Mn是为了对普通钢进行脱氧、脱硫，还为了改善加工硬化性能而添加13%以下，但是它有增加N固溶量的作用，同时还是一种奥氏体生成元素。本发明提出的添加量，与Ni和Co一起具有稳定奥氏体成分的作用，虽然还使奥氏体基体软化，但因加工硬化性能的增大，故使耐泥砂磨损性能显著提高。其结果是，当Mn的添加量增大时，切削阻力增大，提高了耐泥砂磨损性能。因此，为了获得这种加工硬化性能，Mn添加量在7%以上为宜。但另一方面，如果Mn的添加量过大，会使流动性恶化，此外在焊接时，会导致焊接烟尘的增加，降低了焊接作业效率，因此，将Mn含量的上限定为13%。这样，Mn为0.5～13%，但是为了获得加工硬化性能，Mn在7～13%的范围是适宜的。

Ni是生成奥氏体的元素，它与Mn及Co一起使奥氏体稳定，为了提高延展性和韧性，需要添加2%以上。但是，添加量如果超过6%时，会促进奥氏体的稳定。为了在改善加工硬化性能的同时使之具有高的耐泥砂磨损性能和耐气蚀性能，使Ni介于2～7%的范围为宜。Ni的上限最好是22%。

Co与Mn、Ni一起使奥氏体适当地稳定，尤其是由于它能提高耐泥砂磨损性能、耐气蚀锈蚀性能，含量最好在12%以下为宜。其含量不到6%时，上述那些效果不甚好，超过10%时，促进基体强化，从而降低延展性和韧性。特别是Co介于6～10%的范围时，适于提高耐泥砂磨损性能。

Cr对提高水中的耐蚀性有效，是强化基体所需的，但其含量不到17%时，不能充分发挥耐泥砂磨损的性能。另一方面，当超过23%时，δ铁素体生成量增大，其结果是降低其延展性和韧性，因此，Cr含量介于16～26%的范围较好。更好的是17～23%。

Mo除了加强基体外，还对改善耐蚀性、耐泥砂磨损性能、耐气穴侵蚀性能有效。但是，超过5%时，使δ铁素体的生成量增加、韧性降低。Mo在1～3%的范围为宜。

N与C一起使奥氏体稳定，特别是在低C钢中，为了生成奥氏体C是不可缺的元素。此外对改善耐泥砂磨损性能也有效，但是如果添加过多，就会形成氮化物而降低韧性，因此，最好使N在0.3%以下为宜。更为合理的值介于0.05～0.2%之间。

Cu固溶于奥氏体基体上，可以强化基体、提高耐泥砂磨损性能和耐气蚀性能。但是，添加过量时，会促进焊接裂纹的发生，因此，其添加量范围在0.1～5%为宜。

Nb、Ti、W、V是使晶粒细化和形成碳化物的元素，在不使用此系碳化物陶瓷时，与分解熔融的C产生反应，生成碳化物，提高延展性和韧性。但添加过多时，降低可焊性，因此，在0.1～5%的范围为宜。

残余部分系由Fe及与其相关的杂质组成，杂质有P、S，此外还有A₅、S₆等，这些元素在给延展性和韧性带来不良影响的同时，还会使可焊性降低，因此，应使其尽可能减少。

2.对金属碳化物系陶瓷粉施以金属包覆

对金属碳化物系陶瓷粉施以金属包覆是由于在不锈钢粉末与尤其是比重比它小的陶瓷复合的情况下，为了防止焊接时陶瓷的飞散，使陶瓷均匀地弥散、熔融于堆焊层而采取的措施。这种由金属包覆的碳化物系陶瓷，其比重接近于不锈钢粉末，因此，供给容易，具有较好的焊接工艺性。

这种对碳化物系陶瓷粉施以金属包覆的工艺，有化学镀膜、电镀以及其它的物理方法和化学方法，所用材料有Ni、G、Cu、Fe、Co以及这些元素的合金。这种情况下，最好是形成高熔点、单一金属的复层为宜。此外，它的金属包覆量，因与不锈钢以及下述稀土元素相关，以不致给粉末混合和焊接工艺性带来不良影响作为包覆量的范围。金属覆层的厚度与碳化物系陶瓷颗粒的半径之比值，在1以下为宜。

3.稀土元素

本发明提出掺入稀土元素粉末的方法，在给金属碳化物系陶瓷颗粒的表面覆以包覆层的情况下有效，特别是在这种包覆层中含有使其形成低熔点化合物的P等元素时有效。这是由于这些稀土元素与P化合后，会使其形成高熔点化合物的缘故。

这种稀土族元素，最好是用周期表57号至71号中所记载的镧族元素以及这些元素的合金。但一般最好是使用La、Ce以及它们的化合物粉末，特别是，由于La、Ce的单一元素容易氧化，在大气中处理时，使其形成氧化膜而降低其可焊性，因而它们的化合物，如LaNi₅等最适宜。混合量在0.1%以下时不能见效，5%以上时降低可焊性，因此在1～5%之间为宜。

这些材料的堆焊层，对其表面进行喷丸强化处理等给它附加压缩残余应力，就会使其耐锈蚀性能得到提高。此外，经喷丸强化的表面在处理后的状态下，有处理中裹入的金属粉末残留在堆焊层表面，因而去除表面层就可以进一步提高耐损伤性能。这种情况下，如果用压紧力大的砂纸等将表面层切削去除，就会在切削面上留下压缩残余应力，这对进一步增大耐损伤性能是有效的。此时，应使其表面粗糙度在10μm以下。

特别是在将本发明的耐锈蚀覆层用于水轮机的情况下，在正常状态下河水中含泥砂1%以下，而上述覆层对含有重量比为10%以下泥砂的水流是有用的。

在固液二相流动介质中使用的设备，至少在下列各种构件表面上使用此覆层是有效的。即，水轮机转子、耐磨环和扩压器、汽轮机叶片、船用螺旋桨、泥砂泵的叶轮和耐磨环、泥浆泵和管道以及处理这类介质的构件。

4.金属碳化物系陶瓷

关于金属碳化物系陶瓷可用于（A）、（B）两类覆层，（A）类是具有陶瓷颗粒残余凝固组织的覆层，（B）类是无陶瓷颗粒残余，具有结晶碳化物（即金属复合碳化物）弥散的凝固组织的堆焊层。不论是（A）类或（B）类哪一类覆层，只要是高熔点、高硬度的陶瓷，在任何金属碳化物系陶瓷中均可使用。然而，在（A）或（B）的情况下，使用下列金属碳化物系陶瓷更为适宜。

（A）有陶瓷颗粒残余的凝固组织结构

本发明是从SiC、TiC、WC、Cr₃C₂、NbC、VC金属碳化物系陶瓷中至少选择1种陶瓷，用它与不锈钢混合的混合粉末，形成堆焊层，通过使陶瓷颗粒残余在该覆层中的办法，有效地提高了耐泥砂磨损性能。陶瓷颗粒的残余量，虽然依焊接条件而异，但相对于不锈钢容积20%以下时，不能发挥熔透于层中的效果。但当容积达80%以上时，陶瓷颗粒的接触范围增大，该部分受泥砂的作用而脱落的频度增多，容易以剥落处为起点发生裂纹。因此，陶瓷含量相对于不锈钢容积的20～80%为宜。此外，在陶瓷中选用SiC为宜。

（B）无陶瓷颗粒残余、且有结晶金属复合碳化物弥散的凝固组织结构

将SiC、TiC碳化物系陶瓷粉末与不锈钢粉末混合，用这种混合粉末制成堆焊层，通过这种方法得到碳化物结晶于奥氏体不锈钢基体的金属组织，利用此金属组织来防止气蚀、泥砂磨损以及这些因素复合的损伤。相对于不锈钢来说，其容积小于1%时，材料的耐损伤性能显示不出来。但是添加量若超过40%，不锈钢的裂纹敏感性会增高。因此，相对于不锈钢粉末来说，混合量的容积以1～40%为宜。此外，本发明选用SiC、TiC的理由是，其结晶结构与不锈钢的一样，都是立方晶系的。另一个理由是，为了降低旋转件因离心力产生的应力，而限定选择密度比不锈钢小的材料。这种情况下，其工艺性较好。

下面用几个实例对本发明进行说明。

（例1）

表1中列有，不锈钢粉末（粒径125μm）与金属碳化物系陶瓷粉末（粒径210μm）以各种不同的容积比进行混合的配比构成。用粉体等离子堆焊装置，将这种混合物在下列焊接条件下，堆焊3mm。焊接条件为：电弧电流220～250A，电弧电压32～35V，在焊枪横摆运动宽度94mm下，次数为15～16次/分，Ar气体供给量（升/min）的分布为：供给等离子体3，运载气体5，保护气体15。制成的堆焊层是具有金属碳化物系陶瓷残余在堆焊层中的凝固组织结构的。图12是市售的等离子堆焊装置简略剖面图。工作开始时，使等离子气体（Ar）以W电极（-）21与母材（+）22之间流过，从而发生导引电弧，然后使保护气体（Ar）24流过，并在电极21与被焊工件22之间施加电压，发生等离子弧。再从粉体（粉末）供给装置向等离子弧26供给粉体（不锈钢粉末+陶瓷粉末）与运载气体（Ar）的混合物25，靠等离子弧的高温将粉体在母材22表面上熔化，并熔敷于母材上，制成堆焊层。

为了便于比较，现将以往采用的堆焊层制造工艺说明如下。表2列出了以往在包剂焊条电焊中所用焊条的化学成份。焊接条件是：焊条直径φ4mm，电流150A，电压23V，热量输入16KJ/cm。制成3mm堆焊层。

本发明的堆焊层以及对比材料堆焊层的工艺中，使两种焊接用的母材都由含Ni13Cr铸钢（其成分与表2的№.12相同）制成，板件的尺寸为25mm×100mm×150mm。焊后制取尺寸为5mm×20mm×50mm的水中泥砂磨损试片，用＃1200号砂纸磨光试验表面供试验用。

实验是采用磁致伸缩振动式气蚀试验机，对耐气蚀性能进行比较，在频率6.5KHz、振幅120μm，试验温度25℃的条件下，在水道水流中试验2小时，然后用密度除以损耗量，求出体积损耗量（cm³），以体积损耗量作为评价指标。

耐泥砂磨损性能，是用含泥砂水喷射式试验装置，在下列条件下进行试验和评价的。水流喷射速度40m/s、冲击角45度、泥砂是用平均粒径为8μm的Al₂O₃，其含量为30g/升、试验时间定为4小时。试验后的磨损量是用密度除以磨损量的体积磨损量（cm³）来表示。此外，本装置是采用了能在水中喷射含泥砂水的方式。所以这种装置是能够使试件发生气蚀的。于是，用下式能表示的气蚀系数K＝0.12和K＝0.6作了试验。这种条件是能够使试件产生气蚀和泥砂磨损的复合损伤的。

K＝ (Pa-Pv+Pg)/(V²/2g)

式中：V：水流平均喷射速度（m/s）

g：重力加速度（m/s²）

Pa：大气压力（mAg）

Pv：蒸汽压力（mAg）

Pg：流体压力（mAg）

也就是说，K＝0.6是只由泥砂磨损而造成损伤的条件，K＝0.12是泥砂磨损加气蚀两种因素复合的条件。

图3是在气蚀系数K为0.6与0.12的条件下，SiC含量与泥砂磨损量之间的关系曲线图，曲线A表示K＝0.6、曲线B表示K＝0.12时的情况。该图表明了这样一种趋向：SiC的添加量越大，磨损量越小。同时，由于SiC含量达80%（容积）时，磨损量有呈增加的倾向，所以要规定上限值。

图4表示，将表1所示本发明的堆焊层与表2所示对比材料的堆焊层，在气蚀系数为0.6的条件下进行试验的结果。将表1和表2的试件编号取为横轴，纵轴表示泥砂造成的磨损。从图4中可以看出，本发明的堆焊层№.2～11明显地比对比材料的堆焊层№.1、12～16的磨损量小。上述试验表明，把本发明的堆焊层作为在含泥砂量高的水流中工作的水轮机设备的构件用覆层，可以取得十分良好的效果。

在图5及图6的模式图中所示水轮机导叶5、覆面板8的5Ni13Cr铸钢构件上，应用本发明的SiC含量为40%（容积）的混合粉末，采用等离子堆焊工艺制成堆焊层，把它在550℃～650℃下退火，通过机械加工达到设定厚度（1～3mm），从而形成覆层10。此外还在水轮机转子、盖板上也形成相同的堆焊层。通过包覆这种堆焊层，作到了防止泥砂磨损和气蚀造成的侵蚀以及这些因素的复合损伤。

（例2）

表3中列有，不锈钢粉末（粒径149μm）与金属碳化物陶瓷粉末（粒径149μm）以各种不同的容积比进行混合的配比构成。采用粉体等离子堆焊装置，在下列焊接条件下，将这种混合粉末堆焊3mm厚度，容易地制成了堆焊层。焊接条件为，电弧电流220～250A，电弧电压32～35V、在焊枪横摆运动宽度94mm下，次数为15～16次/分，Ar气体供给量（升/min）的分布为，供给等离子体3、运载气体5、保护气体15。此外，母材所用的材料是含Ni13Cr（成分与表2的№.12相同）的铸钢（尺寸为25mm×100mm×150mm），而且制成的堆焊层是，无金属碳化物陶瓷残余，但有由奥氏体钢基体和弥散于其中的结晶碳化物构成的凝固组织结构。图2表示这种堆焊层的显微组织。

对所制成的本发明的堆焊层，用与实施例相同的气蚀系数K＝0.12，使其产生气蚀和泥砂磨损的复合损伤，进行磨损试验，并将试验结果示于图7。曲线C表示SiC、曲线D表示TiC的添加量与气蚀损耗量之间的关系，此外，SiC和TiC都是添加量越大，硬度越高，特别是SiC含量达40%（容积）时，维氏硬度约为700。如果再继续添加，硬度虽然提高，但容易发生裂纹，因此，本发明限制在40%内。

随着添加量的增大，气蚀损耗减少。这与基体材料（点1）相比，耐气蚀性能有很大的提高。

图8表示，表3所示本发明的堆焊层与表2所示对比材料的堆焊层因气蚀造成的损耗量。图8中的试件编号表示表3与表2中的试件编号，本发明的堆焊层№.17～26与对比材料№.1、12～16相比，由本发明的不锈钢加陶瓷复合粉末制成堆焊层，显然比含Ni13Cr铸钢、SUS304以及以往的堆焊材料等对比材料好得多。

图9表示，SiC（曲线E）和TiC（曲线F）的添加量与泥砂磨损量之间的关系。图10表示，本发明的堆焊层（表3的试件№.17～26）和对比材料的堆焊层（表2的试件№.1、12～16）因泥砂造成的磨损量。图9和图10表明，本发明的堆焊层，与耐气蚀特性一样，随着SiC和TiC的添加量增加，其磨损量减少，与对比材料和母材（点1）相比，本发明的堆焊层具有优异的耐复合损伤的性能。

（例3）

制造了图1A及图1B所示的水轮机。关于图1B所示水轮机转子与水接触的面（作用面P）一侧（图11B），分别在以叶片3的两个进口端（A、B）为中心，以叶片进口长度（L₁）（约165mm）的1/2～1/5为半径的扇形范围（10）内形成堆焊层10。关于图11A所示水轮机转子的作用面的背面（反作用面（R）），分别在以两个进口端（C，D）为中心，以叶片进口长度（L₁）（约165mm）的1/2～1/5为半径的扇形范围内设置堆焊层11，而且还从叶片3的外出口端（E）（示于图1A和图11A中）开始，在50～150的宽度（W）、叶片出口长度L₂的1/2～2/3的长度（1）的范围内，设置堆焊层12。这些堆焊层使用的焊接条件与例2的相同，而且使用表3中№.20的混合粉末制造堆焊层，然后将此层在550°～650℃下退火，再将此层机械加工成1～3mm的厚度。以叶片3的作用面侧进口端（A，B）为中心的扇形部分（10）是，含泥砂水流引起的磨损较大的部分;以叶片3的反作用面侧进口端（C，D）为中心的扇形部分（11）、以及与从外出口端（E）延伸的堆焊层（12）相对应的部分是易受气蚀损伤的部分。

制造了与例1所示相同的导叶和覆面板。作完这些零件后制作了水轮机。

这台水轮机在含泥砂的水流中作过实际运转，它显示了优异的耐磨损性能和耐气蚀性能两方面特性。

（例4）

表4表示，把表中所示不锈钢粉末（平均粒径为149μm）、Ni-P表面包覆金属碳化物系陶瓷粉末（表面包覆处理前后的平均粒径为105μm→185μm）和稀土元素化合物LaNi₅（平均粒径为140μm）以各种不同的容积比进行混合的配比构成。用粉体等离子堆焊装置，在下列焊接条件下将这种混合物堆焊3mm厚，制成堆焊层。焊接条件为：电弧电流220～250A、电弧电压32～35V、在焊枪横摆运动宽度为94mm下，次数为15～16次/分、Ar气体供给量（升/min）的分配为等离子体3、运载气体5、保护气体15。另外，金属碳化物系陶瓷颗粒的表面包覆处理是在中性浴的无电解镀镍液中进行的。在这种堆焊工艺中使用

的母材是含Ni13Cr铸钢（尺寸为25mm×100mm×150mm）。

为了进行比较，表中还列有作为水轮机转子使用含Ni13Cr铸钢、AISI304、以往包剂焊条电焊用的不锈钢系堆焊焊条以及无表面金属覆层的不锈钢和陶瓷的粉体等离子堆焊层。表5、表6表示，这些材料的化学成分以及配比构成。所用的包剂焊条电焊条件为，焊条直径φ4mm，电流150A、电压23V、热量输入16KJ/cm，考虑了与母材的稀释，堆焊8mm厚，但粉体等离子焊接的条件与上述条件相同。此外，冲击试件（JISZ2242）用15mm堆焊。

本发明的堆焊层以及对比材料的堆焊层的工艺，与上述情况相同。

本实施例中已经明确，在SiC含量为容积比10～80%时，泥砂造成的磨损量大体上与上述图3所示的值相同。

表7表示，经粉体等离子堆焊的本发明所提堆焊层与对比堆焊层的评价结果。本发明涉及的覆层与对比的覆层相比，硬度大致相同，但焊接裂纹、延展性和韧性均有所改善。

另一方面，№.2～10试件的结果表明，在使用经表面金属包覆（Ni-P）的SiC时，即使SiC的容积比只10%也发生了裂纹。未经表面金属包覆的SiC在容积比为10%（№.20）时无裂纹。但对№5～10试件添加稀土元素LaNi₅0.3%以上时，裂纹的发生情况得到改善。如果将其换算为La，约为0.1%。

图13和图14表示，表4所示本发明堆焊层与表5所示对比材

表7

料堆焊层的气蚀损耗量，和在K＝0.6的条件下的泥砂磨损量。从图中可知，本发明的堆焊层№.4、7、8、10与对比材料№.21、25相比，耐锈蚀性能虽然无差别，但与对比材料№.27～31的含Ni13Cr铸钢、SUS304以及以往的堆焊用包剂焊条等相比，具有非常好的性能。

因而可知，本发明的堆焊层在水轮机等在含高泥砂量及固体物质的二相流场中工作的机械构件上应用，具有十分良好的效果。

在如图5和图6的模式图所示水轮机的导叶5、覆面板8的5Ni13Cr铸钢件上，使用含有上述经表面金属包覆的SiC40%的混合粉末，通过等离子堆焊制成堆焊层10。此外，在水轮机转子、盖板上也覆以同样的堆焊层。包覆这种堆焊层之后，防止了泥砂磨损、气蚀损伤以及复合损伤。

本发明涉及的水轮机包覆层是针对利用含泥砂河水的水力发电用水轮机等机械构件用的。用奥氏体系不锈钢与金属碳化物系陶瓷的复合粉末材料，在机械构件表面上包覆具有陶瓷颗粒残余的凝固组织结构的堆焊层，或包覆具有无陶瓷颗粒残余，但结晶碳化物弥散于基体的凝固组织结构的堆焊层，从而能控制气蚀、泥砂磨损以及复合损伤。因此，在防止设备侵蚀和运转效率下降，延长机械寿命方面具有显著效果。

Claims (19)

1、一种设有调整水流的导叶以及利用该水流而旋转的转子的水轮机，其特征在于：在受水流冲击的部分，设有带耐气蚀性能高于母材的堆焊层的构件，该堆焊层是一种具有奥氏体不锈钢基体和弥散于此基体的碳化物的金属组织。

2、按权利要求1所述水轮机，其特征在于：堆焊层是，将奥氏体不锈钢粉末与金属碳化物系陶瓷粉末的混合粉末，经堆焊而制取的覆层，碳化物系由单一金属的碳化物以及该碳化物与基体金属复合的共晶碳化物组成。

3、按权利要求1所述水轮机，其特征在于：碳化物实际上并不存在单一金属的碳化物，而是与基体金属形成的复合碳化物的结晶。

4、按权利要求2所述水轮机，其特征在于：碳化物是金属碳化物系陶瓷颗粒。

5、按权利要求1或权利要求2所述水轮机，其特征在于：金属碳化物系陶瓷，是从SiC、TiC、WC、Cr₃C₂、NbC和VC群中选择至少1种。

6、按权利要求1所述水轮机，其特征在于：奥氏体不锈钢的成份以重量%表示如下。C：0.05～0.15%，Si：0.2～1.0%，Mn：13%以下，Ni：2～7%，Co：10%以下，Cr：17～23%，Mo：1～3%，N：0.3%以下，其余部分是Fe以及随其混入的不可避免的杂质。

7、按权利要求1所述水轮机，其特征在于：奥氏体不锈钢的成份以重量%表示如下。C：0.05～0.15%，Si：0.2～1.0%，Mn：13%以下，Ni：2～7%，Co：10%以下，Cr：17～23%，Mo：1～3%，N：0.3%以下，从元素周期表第57号至第71号的稀土元素中至少选择一种元素，添加0.1～5%，其余部分是Fe以及不可避免的杂质。

8、按权利要求6或7所述水轮机，其特征在于：上述成分中，（Mn%+Co%）/Cr%的值在0.6～1.3的范围。

9、按权利要求1至8中任何1项所述水轮机，其特征在于：用等离子弧堆焊工艺来制取堆焊层，其厚度在5mm以下。

10、在权利要求1所述水轮机，其特征在于：其上敷以堆焊层的部分有：水轮机转子叶片的作用面侧和反作用面侧的各个进口端部分;叶片反作用面侧的外部出口端部分;除导叶支持件以外的全部导叶;覆盖板的滑动面。

11、至少在受水流冲击的一部分上。敷以一层耐气蚀性能高于母材的堆焊层的水轮机制造方法，其特征在于：利用等离子弧一面熔化由奥氏体不锈钢粉末与金属碳化物系陶瓷粉末相混合而成的混合粉末，一面在该被焊部分制造熔融金属的熔池，按所要求的厚度形成堆焊层。

12、按权利要求11所述水轮机制造方法，其特征在于：奥氏体不锈钢（M）的粉末直径为10～200μm，而金属碳化物系陶瓷（S）的粉末直径，按粒径比S/M为1～2的比值来形成;上述金属碳化物系陶瓷（S）的含量为容积比的1～80%，其结构为，上述金属碳化物系陶瓷粉有残余的凝固组织以及该金属碳化物系陶瓷粉末分解熔化后结晶的复合碳化物。

13、按权利要求12所述水轮机制造方法，其特征在于：金属碳化物陶瓷，是从SiC、TiC、WC、Cr₃C₂、NbC和VC群中至少选择1种。

14、按权利要求11所述水轮机制造方法，其特征在于：金属碳化物系陶瓷（S）的粉末粒径以及奥氏体不锈钢（M）的粉末粒径，分别在10～200μm的范围，而且按粒径比S/M在1以下的要求来形成，上述金属碳化物系陶瓷（S）的含量为容积比的1～40%，同时将金属碳化物系陶瓷粉末分解并熔化于熔融金属之中，构成一种金属碳化物系陶瓷颗粒没有残余在金属基体之中，且复合的金属碳化物结晶并弥散于奥氏体不锈钢基体中的凝固组织结构。

15、按权利要求11至14中任何1项所述水轮机制造方法，其特征在于：奥氏体不锈钢的成分以重量%表示如下。C：0.05～0.15%、Si：0.2～1.0%、Mn：13%以下、Mi：2～7%、Co：10%以下、Cr：17～23%、Mo：1～3%、N：0.3%以下，其余部分为Fe以及随其混入的不可避免的杂质。

16、按权利要求15所述水轮机制造方法，其特征在于：上述成分中，（Mn%+Co%）/Cr%的值在0.6～1.3的范围。

17、按权利要求11、12、13、15和16中任何1项所述水轮机制造方法，其特征在于：奥氏体不锈钢的成份以重量%表示如下。C：0.05～0.15%、Si：0.2～1.0%、Mn：13以下、Ni：2～7%、Co：10%以下、Cr：17～23%、Mo：1～3%、N：0.3%以下，再从元素周期表第57至第71号的稀土元素中至少选择一种元素，添加0.1～5%，其余部分为Fe和不可避免的杂质。

18、按权利要求11所述水轮机制造方法，其特征在于：用等离子弧堆焊工艺来制取堆焊层，其厚度在5mm以下。

19、按权利要求11所述水轮机制造方法，其特征在于：金属碳化物系陶瓷粉末是被金属覆层包覆着的。

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