CN105598649A - 一种用铁基非晶合金棒对金属水轮机转轮表面强化处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用铁基非晶合金棒对金属水轮机转轮表面强化处理方法，有效解决水轮机转轮叶片的表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐冲击性等性能，延长金属水轮机转轮的使用寿命的问题，方法是，制备铁基非晶合金棒，对水轮机转轮叶片的表面用酒精清洗除去油污、砂纸除去氧化物，用DL-4000D型电火花沉积堆焊机，把铁基非晶合金棒作为阳极，氩气保护下，与作为阴阳的被沉积的金属水轮机转轮之间产生火花放电，将铁基非晶合金棒熔融到水轮机转轮叶片表面，制备出电火花沉积铁基非晶合金涂层；本发明方法简单，水轮机转轮叶片硬度高，高致密性，耐磨性好，使用寿命长，在水轮机转轮叶片上用电火花沉积设备进行表面铁基非晶合金冶金硬化的商业价值大。

Description

一种用铁基非晶合金棒对金属水轮机转轮表面强化处理方法

技术领域

本发明涉及机械处理方法，特别是一种用铁基非晶合金棒对金属水轮机转轮表面强化处理方法。即采用电火花沉积铁基非晶合金涂层的强化方法在金属水轮机转轮表面形成高强度耐磨耐蚀涂层，该方法可广泛应用于水利行业金属水轮机转轮。

背景技术

我国是世界上水力资源极为丰富的国家，水电已成为我国重点发展的可再生能源之一，水力可开发的电能力3.8亿kw，年发电量1.9万亿kw.h，相当于11亿吨原煤的发电量。但同时我国的河流泥沙含量大，长江及其支流以沙粒硬度高为特点，黄河则以含沙量大为特征，目前已经运行的100多座大中型水电站中，有严重泥沙磨损的约占40%，在黄河干支流上这一数值更是高达66.3%，黄河三门峡河段的年输沙量近16亿t，为世界之最，对水轮机过流部件的磨蚀更为突出，据估计，在已运行的水电站中，约有1/5～1/4的水轮机叶片遭受不同程度的泥沙危害，每年因水轮机过流部件（主要为叶片）磨蚀破坏而停运或检修引起的电能损失约20～30亿kw.h，年消耗检修费及设备更新费达数亿元之巨。如黄河上、中游的刘家峡、盐锅峡、青铜峡、天桥、三门峡等水电站的水轮机不同程度地遭受泥沙磨蚀破坏，特别是距小浪底最近的三门峡，破坏最为严重，经过一个汛期的运行，转轮叶片的破坏程度趋于报废，被迫汛期停运，每年造成直接与间接的经济损失更无法估计。因此如何解决水轮机过流部件的磨蚀问题已经成为工程建设中的关键技术之一。

目前，制造水轮机转轮的材料代表性的有普通碳钢、低合金钢、普通不锈钢和高强度不锈钢。国内一般的水轮机转轮通常为铸钢、Cr5Cu合金钢、1Cr18Ni9Ti不锈钢、ZG0Cr13Ni5Mo不锈钢、0Cr13Ni5Mo不锈钢、ZG0Cr16Ni5Mo不锈钢、GX5GrNi13-4V1、ZG0Cr13Ni4Mo不锈钢、00Cr13Ni4Mo等不锈钢等材料制成的。国内外目前防止水轮机转轮叶片磨损的主要方式是碳化钨喷涂水轮机磨蚀防护、环氧金刚砂涂层防护、聚氨脂弹性涂层防护、抗磨焊条堆焊防护等。碳化钨表面热喷涂前处理一般采用喷砂，有环境污染，涂层加工困难，涂层与基体之间的结合属于机械结合，涂层易疲劳剥落。环氧金刚砂砂浆涂层与水轮机转轮叶片的结合方式也属于机械结合，在强汽蚀区，如叶片进水边背面、间隙空化带、出水边和中环中下部等处的防护材料基本脱落。聚氨脂弹性涂层防护中聚氨脂的抗磨性能虽然较好，但机械强度较差，易于被划伤，一旦局部被划伤，相邻区域就会被撕裂；强空化区空化击穿，使粘接层被破坏，造成涂层脱落。

因此，如何更好的对水轮机转轮进行表面处理是本领域技术人员一直在研究解决的技术问题。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种用铁基非晶合金棒对金属水轮机转轮表面强化处理方法，对金属水轮机转轮叶片进行电火花沉积铁基非晶合金处理，可有效解决水轮机转轮叶片的表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐冲击性等性能，延长金属水轮机转轮的使用寿命的问题。

本发明解决的技术方案是，包括以下步骤：

（1）、制备铁基非晶合金棒，首先制备铁基非晶合金粉末，该粉末由重量百分比计的：Fe47～55%、Ni16～20%、Si5～8%、Mo5～9%、W3～6%、B2～4%、Co1～3%和Al1～3%制成，粉末粒度为45～100μm，然后在非晶真空薄带注射成型机上用铜模具制备出直径为3mm～6mm铁基非晶合金棒；

（2）、对水轮机转轮叶片的表面用酒精清洗除去油污、砂纸除去氧化物，用DL-4000D型电火花沉积堆焊机，把铁基非晶合金棒作为阳极，氩气保护下，与作为阴阳的被沉积的金属水轮机转轮之间产生火花放电，在10^-5～10^-6s内电极与水轮机转轮叶片接触的部位达到13000～26000℃的高温，将铁基非晶合金棒熔融到水轮机转轮叶片表面，制备出厚度50～120μm强度高的电火花沉积铁基非晶合金涂层；

所述的DL-4000D型电火花沉积堆焊机的沉积枪夹持的电极采用旋转方式，转速为2500r/min，输出功率为3500～3900W，输出电压为160～170V，放电频率为1800～2000Hz，沉积速率为1～3min/cm²，氩气流量8～11L/min，电极的伸长度为1～3mm。

本发明方法简单，水轮机转轮叶片硬度高，高致密性，耐磨性好，使用寿命长，在水轮机转轮叶片上用电火花沉积设备进行表面铁基非晶合金冶金硬化的商业价值大，经济效益显著。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式作详细说明。

本发明在具体实施中可由以下实施例给出。

实施例1

本发明在具体实施中，由以下步骤实现：

（1）、制备铁基非晶合金棒，首先制备铁基非晶合金粉末，该粉末由重量百分比计的：Fe48～53.5%、Ni17～19%、Si6～7%、Mo6～8%、W4～5%、B2.5～3.5%、Co1.5～2.5%和Al1.5～2.5%制成，粉末粒度为45～100μm，然后在非晶真空薄带注射成型机上用铜模具制备出直径为3mm～6mm铁基非晶合金棒；

（2）、对水轮机转轮叶片的表面用酒精清洗除去油污、砂纸除去氧化物，用DL-4000D型电火花沉积堆焊机，把铁基非晶合金棒作为阳极，氩气保护下，与作为阴阳的被沉积的金属水轮机转轮之间产生火花放电，在10^-5～10^-6s内电极与水轮机转轮叶片接触的部位达到13000～26000℃的高温，将铁基非晶合金棒熔融到水轮机转轮叶片表面，制备出厚度80～100μm强度高的电火花沉积铁基非晶合金涂层；

所述的DL-4000D型电火花沉积堆焊机的沉积枪夹持的电极采用旋转方式，转速为2500r/min，输出功率为3600～3800W，输出电压为160～170V，放电频率为1850～1950Hz，沉积速率为1.5～2.5min/cm²，氩气流量9～10L/min，电极的伸长度为1.5～2.5mm。

实施例2

本发明在具体实施中，由以下步骤实现：

（1）、制备铁基非晶合金棒，首先制备铁基非晶合金粉末，该粉末由重量百分比计的：Fe54%、Ni19%、Si6.5%、Mo7.5%、W5.5%、B3.5%、Co2%和Al2%制成，粉末粒度为70～80μm，然后在非晶真空薄带注射成型机上用铜模具制备出直径为4mm铁基非晶合金棒；

（2）、对水轮机转轮叶片的表面用酒精清洗除去油污、砂纸除去氧化物，用DL-4000D型电火花沉积堆焊机，把铁基非晶合金棒作为阳极，氩气保护下，与作为阴阳的被沉积的金属水轮机转轮之间产生火花放电，在10^-5～10^-6s内电极与水轮机转轮叶片接触的部位达到13000～26000℃的高温，将铁基非晶合金棒熔融到水轮机转轮叶片表面，制备出厚度80μm强度高的电火花沉积铁基非晶合金涂层；

所述的DL-4000D型电火花沉积堆焊机的沉积枪夹持的电极采用旋转方式，转速为2500r/min，输出功率为3700W，输出电压为160～170V，放电频率为1900Hz，沉积速率为2min/cm²，氩气流量10L/min，电极的伸长度为2mm。

本发明经实验和实地应用，取得了非常满意的有益技术效果，有关资料如下：

沉积完成后，关闭电火花沉积设备电源和气源，对水轮机转轮叶片表面的合金涂层不用其它处理直接作为水轮机转轮叶片使用，提高了水轮机叶片的生产效率。

电火花沉积铁基非晶合金涂层的物相分析表明沉积后的合金涂层的物相主要为C_0.055Fe_1.945、(Fe,Cr)₇C₃﹑FeCr、Fe₇Mo₃和Al_0.99Fe_0.99Ni_0.02等物相，经过计算得知这五种物质的平均晶粒尺寸：C_0.055Fe_1.945平均晶粒尺寸为6.968nm,(Fe,Cr)₇C₃平均晶粒尺寸为6.812nm,FeCr平均晶粒尺寸为9.396nm,Fe₇Mo₃平均晶粒尺寸为10.257nm，Al_0.99Fe_0.99Ni_0.02平均晶粒尺寸为27.357nm。涂层的衍射峰的主峰为明显的宽化漫衍射峰，说明沉积后的涂层是以Fe基非晶纳米晶合金涂层为主。

电火花沉积后金属水轮机转轮叶片外表面产生厚度为50～120μm、显微硬度值为1732.1HV的硬化层，比水轮机转轮基体硬度（330HV）提高了5.3倍；电火花沉积铁基合金层的耐磨性能比水轮机转轮基体的耐磨性能提高了2.1倍。

与现有金属水轮机转轮表面处理方法相比，本发明具有以下突出的有益技术效果：

1、电火花沉积铁基非晶合金涂层的后的物相有：平均晶粒尺寸为6.968nm的C_0.055Fe_1.945，平均晶粒尺寸为6.812nm的(Fe,Cr)₇C₃,平均晶粒尺寸为9.396nm的FeCr,平均晶粒尺寸为10.257nm的Fe₇Mo₃，平均晶粒尺寸为27.357nm的Al_0.99Fe_0.99Ni_0.02。涂层包含大量的非晶纳米晶颗粒。

2、本发明采用金属水轮机转轮为沉积对象，可在零件的易磨损部位获得大面积和较高表面平整度的高结合力、高硬度、高致密性的电火花沉积铁基非晶纳米晶合金硬化层，在氩气保护状态下获得熔覆耐磨层的厚度为50～120μm，显微硬度值为1732.1的硬化层，铁基合金硬化层的最高硬度（1837.4HV）比水轮机转轮基体硬度（330HV）提高了5.6倍；铁基合金硬化层的耐磨性能比水轮机转轮基体的耐磨性能提高了2.1倍。这样就提高了金属水轮机转轮叶片材料表面的耐磨耐蚀耐冲击性能，进而提高了水轮机转轮叶片的使用寿命2倍以上。

3、本发明是在金属水轮机转轮上用高能量束的方法使具有高强度、高耐磨性的铁基非晶合金棒熔融在金属水轮机转轮材料的表面，形成了一层与基体冶金结合的高耐磨的非晶纳米晶颗粒为主的合金层。

4、本发明所采用的电火花沉积铁基非晶合金棒强化处理工艺，沉积处理过程中单个极小冶金熔池处于无限大的冷态的水轮机转轮母材上，所以熔池的冷却速度非常大，可达10^-6～10^-7℃/s，就整个水轮机转轮来说，仍处于常温状态或温升较低，水轮机转轮不会退火或热变形。

5、在金属水轮机转轮上沉积铁基合金后沉积层的厚度、沉积层的质量和沉积效率与沉积工艺参数电压、电流、速度和送气耗量等有关，因此可通过对沉积工艺参数的调节控制来获得不同的工艺效果。

6、本发明用途广，有效用于铸钢水轮机转轮、低合金钢水轮机转轮、普通不锈钢水轮机转轮和高强度不锈钢水轮机转轮，是转轮生产上的一大创新。

Claims (3)

1.一种用铁基非晶合金棒对金属水轮机转轮表面强化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、制备铁基非晶合金棒，首先制备铁基非晶合金粉末，该粉末由重量百分比计的：Fe47～55%、Ni16～20%、Si5～8%、Mo5～9%、W3～6%、B2～4%、Co1～3%和Al1～3%制成，粉末粒度为45～100μm，然后在非晶真空薄带注射成型机上用铜模具制备出直径为3mm～6mm铁基非晶合金棒；

（2）、对水轮机转轮叶片的表面用酒精清洗除去油污、砂纸除去氧化物，用DL-4000D型电火花沉积堆焊机，把铁基非晶合金棒作为阳极，氩气保护下，与作为阴阳的被沉积的金属水轮机转轮之间产生火花放电，在10^-5～10^-6s内电极与水轮机转轮叶片接触的部位达到13000～26000℃的高温，将铁基非晶合金棒熔融到水轮机转轮叶片表面，制备出厚度50～120μm强度高的电火花沉积铁基非晶合金涂层；

所述的DL-4000D型电火花沉积堆焊机的沉积枪夹持的电极采用旋转方式，转速为2500r/min，输出功率为3500～3900W，输出电压为160～170V，放电频率为1800～2000Hz，沉积速率为1～3min/cm²，氩气流量8～11L/min，电极的伸长度为1～3mm。

2.根据权利要求1所述的用铁基非晶合金棒对金属水轮机转轮表面强化处理方法，其特征在于，由以下步骤实现：

（1）、制备铁基非晶合金棒，首先制备铁基非晶合金粉末，该粉末由重量百分比计的：Fe48～53.5%、Ni17～19%、Si6～7%、Mo6～8%、W4～5%、B2.5～3.5%、Co1.5～2.5%和Al1.5～2.5%制成，粉末粒度为45～100μm，然后在非晶真空薄带注射成型机上用铜模具制备出直径为3mm～6mm铁基非晶合金棒；

（2）、对水轮机转轮叶片的表面用酒精清洗除去油污、砂纸除去氧化物，用DL-4000D型电火花沉积堆焊机，把铁基非晶合金棒作为阳极，氩气保护下，与作为阴阳的被沉积的金属水轮机转轮之间产生火花放电，在10^-5～10^-6s内电极与水轮机转轮叶片接触的部位达到13000～26000℃的高温，将铁基非晶合金棒熔融到水轮机转轮叶片表面，制备出厚度80～100μm强度高的电火花沉积铁基非晶合金涂层；

所述的DL-4000D型电火花沉积堆焊机的沉积枪夹持的电极采用旋转方式，转速为2500r/min，输出功率为3600～3800W，输出电压为160～170V，放电频率为1850～1950Hz，沉积速率为1.5～2.5min/cm²，氩气流量9～10L/min，电极的伸长度为1.5～2.5mm。

3.根据权利要求1所述的用铁基非晶合金棒对金属水轮机转轮表面强化处理方法，其特征在于，由以下步骤实现：

（1）、制备铁基非晶合金棒，首先制备铁基非晶合金粉末，该粉末由重量百分比计的：Fe54%、Ni19%、Si6.5%、Mo7.5%、W5.5%、B3.5%、Co2%和Al2%制成，粉末粒度为70～80μm，然后在非晶真空薄带注射成型机上用铜模具制备出直径为4mm铁基非晶合金棒；

（2）、对水轮机转轮叶片的表面用酒精清洗除去油污、砂纸除去氧化物，用DL-4000D型电火花沉积堆焊机，把铁基非晶合金棒作为阳极，氩气保护下，与作为阴阳的被沉积的金属水轮机转轮之间产生火花放电，在10^-5～10^-6s内电极与水轮机转轮叶片接触的部位达到13000～26000℃的高温，将铁基非晶合金棒熔融到水轮机转轮叶片表面，制备出厚度80μm强度高的电火花沉积铁基非晶合金涂层；

所述的DL-4000D型电火花沉积堆焊机的沉积枪夹持的电极采用旋转方式，转速为2500r/min，输出功率为3700W，输出电压为160～170V，放电频率为1900Hz，沉积速率为2min/cm²，氩气流量10L/min，电极的伸长度为2mm。