CN105695987B - 一种金属水轮机转轮表面纳米碳化钨强化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属水轮机转轮表面电火花沉积纳米碳化钨强化方法，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，除去水轮机转轮叶片的油污和氧化物，然后用聚乙烯醇把WC‑Co硬质合金纳米晶粉末混合成糊状预置在要沉积的水轮机转轮叶片表面，用DL‑4000D型电火花沉积堆焊机把亚微米WC‑Co陶瓷硬质合金棒作为阳极，在氩气保护下，与被沉积的WC‑Co硬质合金纳米晶粉末的金属水轮机转轮叶片作为阴极，将亚微米WC‑Co陶瓷硬质合金棒、WC‑Co硬质合金纳米晶粉末和水轮机转轮叶片熔融在一起，冷却凝固，本发明方法简单，水轮机转轮叶片硬度超高，高致密性，耐磨性高，寿命长。

Description

一种金属水轮机转轮表面纳米碳化钨强化方法
技术领域
本发明涉及机械处理方法，特别是一种金属水轮机转轮表面纳米碳化钨（WC）强化方法。即采用电火花沉积纳米碳化钨（WC）的强化方法在金属水轮机转轮表面形成高强度耐磨沉积层,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金属水轮机转轮表面电火花沉积纳米碳化钨（WC）强化方法，对金属水轮机转轮叶片进行电火花沉积纳米WC强化处理，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，用电火花沉积方法把WC-Co硬质合金纳米晶粉末和亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒沉积在水轮机转轮叶片表面上，形成陶瓷硬质合金沉积层，步骤是：
（1）、将WC-Co制成WC-Co硬质合金纳米晶粉末和直径为4～6mm的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒作为电火花沉积材料，WC-Co纳米晶粉末粒度为50～100nm；
所述的WC-Co的重量百分比为：WC 90-94%、Co 10-6%；
（2）、除去水轮机转轮叶片的油污和氧化物，然后用聚乙烯醇把WC-Co硬质合金纳米晶粉末混合成糊状预置在要沉积的水轮机转轮叶片表面，厚度0.8-1.2mm，晾干；
（3）、再用DL-4000D型电火花沉积堆焊机，把直径4～6mm 的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒作为阳极，在氩气保护下，与被沉积的WC-Co硬质合金纳米晶粉末的金属水轮机转轮叶片作为阴极之间产生火花放电，在10-5～10-6 s内电极与水轮机转轮叶片接触的部位达到10000～28000 ℃的高温，将亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒、WC-Co硬质合金纳米晶粉末和水轮机转轮叶片熔融在一起，冷却凝固，形成一层电火花沉积纳米合金沉积层；
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，沉积枪转速为2500r/min，输出功率为2900～4200W，输出电压为150～180V，放电频率为1800～2000Hz，沉积速率为1～3min/cm2，电极伸长度为1～3mm，氩气保护下，氩气流量9～12L/min，在水轮机转轮叶片表面往复多次形成厚20-100μm高强度的复合沉积层。
本发明方法简单，水轮机转轮叶片硬度超高，高致密性，耐磨性能大大提高，使用寿命长，经济效益巨大。
具体实施方式
以下结合实施例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
本发明方法在实施中，也可由以下步骤给出：
（1）、将WC-Co制成WC-Co硬质合金纳米晶粉末和直径为4.5～5.5mm的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒作为电火花沉积材料，WC-Co纳米晶粉末粒度为60～90nm（纳米，以下同）；
所述的WC-Co的重量百分比为：WC 91-93%、Co 9-7%；
（2）、除去水轮机转轮叶片的油污和氧化物，然后用聚乙烯醇把WC-Co硬质合金纳米晶粉末混合成糊状预置在要沉积的水轮机转轮叶片表面，厚度0.9-1.1mm，晾干；
（3）、再用DL-4000D型电火花沉积堆焊机，把直径4～6mm 的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒作为阳极，在氩气保护下，与被沉积的WC-Co硬质合金纳米晶粉末的金属水轮机转轮叶片作为阴极之间产生火花放电，在10-5～10-6 s内电极与水轮机转轮叶片接触的部位达到10000～28000 ℃的高温，将亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒、WC-Co硬质合金纳米晶粉末和水轮机转轮叶片熔融在一起，冷却凝固，形成一层电火花沉积纳米合金沉积层；
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，沉积枪转速为2500r/min，输出功率为3000～4100W，输出电压为160～170V，放电频率为1850～1950Hz，沉积速率为1.5～2.5min/cm2，电极伸长度为1.5～2.5mm，氩气保护下，氩气流量10～11L/min，在水轮机转轮叶片表面往复多次形成厚20-100μm高强度的复合沉积层。
实施例2
本发明方法在实施中，还可由以下步骤给出：
（1）、将WC-Co制成WC-Co硬质合金纳米晶粉末和直径为5mm的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒作为电火花沉积材料，WC-Co纳米晶粉末粒度为75nm；
所述的WC-Co的重量百分比为：WC 92%、Co 8%；
（2）、除去水轮机转轮叶片的油污和氧化物，然后用聚乙烯醇把WC-Co硬质合金纳米晶粉末混合成糊状预置在要沉积的水轮机转轮叶片表面，厚度1mm，晾干；
（3）、再用DL-4000D型电火花沉积堆焊机，把直径5mm 的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒作为阳极，在氩气保护下，与被沉积的WC-Co硬质合金纳米晶粉末的金属水轮机转轮叶片作为阴极之间产生火花放电，在10-5～10-6 s内电极与水轮机转轮叶片接触的部位达到10000～28000 ℃的高温，将亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒、WC-Co硬质合金纳米晶粉末和水轮机转轮叶片熔融在一起，冷却凝固，形成一层电火花沉积纳米合金沉积层；
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，沉积枪转速为2500r/min，输出功率为3500W，输出电压为165V，放电频率为1900Hz，沉积速率为2min/cm2，电极伸长度为2mm，氩气保护下，氩气流量10.5L/min，在水轮机转轮叶片表面往复多次形成厚20-100μm高强度的复合沉积层。
本发明经测试和实际应用，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，沉积后，对水轮机转轮叶片表面的电火花沉积纳米WC硬质合金和亚微米WC-Co陶瓷硬质合金涂层不用其它处理直接作为叶片使用，提高了水轮机转轮叶片的生产效率。
电火花沉积WC-Co纳米和亚微米WC-Co陶瓷硬质合金涂层后的衍射峰在40°~50°和70°~80°的范围内主要的衍射峰出现了较为为明显的宽化衍射峰，说明涂层中出现的颗粒非常的细小或出现了一部分非晶。沉积层的主要相组成为Fe3W3C、Co3W3C和W2C。分别计算了这三种物质的平均晶粒尺寸：Fe3W3C平均晶粒尺寸为8.789 nm, Co3W3C平均晶粒尺寸为8.696 nm, W2C平均晶粒尺寸为1.247 nm。说明电火花沉积后的合金涂层主要含有超细小的纳米晶颗粒和非晶颗粒。
电火花沉积后金属水轮机转轮叶片外表面产生厚度为>20～100μm、显微硬度值为1991.7～2696.4HV的硬化层，纳米硬化层的最高硬度（2696.4HV）比水轮机转轮基体硬度（330HV）提高了8.2倍；纳米硬化层的耐磨性能比水轮机转轮基体的耐磨性能提高了4.5倍。
如本发明在某水电厂直径为3.3米的水轮机发电转轮，其叶片材料为ZG0Cr16Ni5Mo，在水轮机叶片底部等易损件处的表面均匀涂覆厚度40μm 的电火花沉积纳米WC-Co硬质合金层，沉积工艺参数为：输入电压：160V， 输入功率：3600W，沉积速度为3min/cm2,保护气体氩气流量设定在9L/min，电极的伸长长度可为3mm。沉积层的硬度为2696.4HV，硬度比基体提高了8倍，在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、高致密性的沉积纳米WC硬化层，后续不用其它加工，节约了加工工时和合金材料。
又如，在某厂对金属水轮机转轮为熔覆对象，选用WC-Co纳米晶粉末在氩气保护气氛下进行沉积处理。其工艺参数为：输入电压：180V， 输入功率：3600W，沉积速度为2 min/cm2,保护气体氩气流量设定在10L/min，电极的伸长长度可为2mm。与热喷涂和激光熔覆等工艺相比，本发明所需设备工作平稳可靠，操作简单、劳动成本低、生产成本低，也无需退火处理，不对金属水轮机转轮产生热损伤。经过处理后的水轮机转轮的显微硬度、耐磨性和耐冲击性大大提高，延长了水轮机转轮的寿命4.5倍。
上述经反复多次试验，对不同的厂家和不同的地方使用，均取得了相同或相近似的结果。表明该方法稳定可靠，使用效果好，产品质量高，使用寿命长，与现有金属水轮机转轮表面处理方法相比，具有以下突出的有益技术效果：
1、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纳米硬化层，在氩气保护状态下获得熔覆耐磨层的厚度为20～100μm ，显微硬度值为1991.7～2696.4HV的硬化层，纳米硬化层的最高硬度（2696.4HV）比水轮机转轮基体硬度（330HV）提高了8.2倍；纳米硬化层的耐磨性能比水轮机转轮基体的耐磨性能提高了4.5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4.5倍以上。
2、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、高耐磨性的纳米WC－Co合金粉末、亚微米WC-Co陶瓷硬质合金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纳米非晶合金层。
3、本发明所采用的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金结合纳米WC-Co粉末强化处理工艺，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。
4、在金属水轮机转轮上沉积亚微米WC-Co陶瓷硬质合金结合纳米WC-Co粉末后沉积层的厚度、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。
5、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，是水轮机转轮生产上的一大创新，经济效益巨大。

Claims (3)

1.一种金属水轮机转轮表面纳米碳化钨强化方法，其特征在于，用电火花沉积方法把WC-Co硬质合金纳米晶粉末和亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒沉积在水轮机转轮叶片表面上，形成陶瓷硬质合金涂层，步骤是：
（1）、将WC-Co制成WC-Co硬质合金纳米晶粉末和直径为4～6mm的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒作为电火花沉积材料，WC-Co纳米晶粉末粒度为50～100nm；
所述的WC-Co的重量百分比为：WC 90-94%、Co 10-6%；
（2）、除去水轮机转轮叶片的油污和氧化物，然后用聚乙烯醇把WC-Co硬质合金纳米晶粉末混合成糊状预置在要沉积的水轮机转轮叶片表面，厚度0.8-1.2mm，晾干；
（3）、再用DL-4000D型电火花沉积堆焊机，把直径4～6mm 的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒作为阳极，在氩气保护下，与被沉积的WC-Co硬质合金纳米晶粉末的金属水轮机转轮叶片作为阴极之间产生火花放电，在10-5～10-6 s内电极与水轮机转轮叶片接触的部位达到10000～28000 ℃的高温，将亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒、WC-Co硬质合金纳米晶粉末和水轮机转轮叶片熔融在一起，冷却凝固，形成一层电火花沉积纳米合金沉积层；
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，沉积枪转速为2500r/min，输出功率为2900～4200W，输出电压为150～180V，放电频率为1800～2000Hz，沉积速率为1～3min/cm2，电极伸长度为1～3mm，氩气保护下，氩气流量9～12L/min，在水轮机转轮叶片表面往复多次形成厚20-100μm高强度的复合沉积层。
2.根据权利要求1所述的金属水轮机转轮表面纳米碳化钨强化方法，其特征在于，由以下步骤给出：
（1）、将WC-Co制成WC-Co硬质合金纳米晶粉末和直径为4.5～5.5mm的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒作为电火花沉积材料，WC-Co纳米晶粉末粒度为60～90nm；
所述的WC-Co的重量百分比为：WC 91-93%、Co 9-7%；
（2）、除去水轮机转轮叶片的油污和氧化物，然后用聚乙烯醇把WC-Co硬质合金纳米晶粉末混合成糊状预置在要沉积的水轮机转轮叶片表面，厚度0.9-1.1mm，晾干；
（3）、再用DL-4000D型电火花沉积堆焊机，把直径4～6mm 的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒作为阳极，在氩气保护下，与被沉积的WC-Co硬质合金纳米晶粉末的金属水轮机转轮叶片作为阴极之间产生火花放电，在10-5～10-6 s内电极与水轮机转轮叶片接触的部位达到10000～28000 ℃的高温，将亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒、WC-Co硬质合金纳米晶粉末和水轮机转轮叶片熔融在一起，冷却凝固，形成一层电火花沉积纳米合金沉积层；
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，沉积枪转速为2500r/min，输出功率为3000～4100W，输出电压为160～170V，放电频率为1850～1950Hz，沉积速率为1.5～2.5min/cm2，电极伸长度为1.5～2.5mm，氩气保护下，氩气流量10～11L/min，在水轮机转轮叶片表面往复多次形成厚20-100μm高强度的复合沉积层。
3.根据权利要求1所述的金属水轮机转轮表面纳米碳化钨强化方法，其特征在于，由以下步骤给出：
（1）、将WC-Co制成WC-Co硬质合金纳米晶粉末和直径为5mm的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒作为电火花沉积材料，WC-Co纳米晶粉末粒度为75nm；
所述的WC-Co的重量百分比为：WC 92%、Co 8%；
（2）、除去水轮机转轮叶片的油污和氧化物，然后用聚乙烯醇把WC-Co硬质合金纳米晶粉末混合成糊状预置在要沉积的水轮机转轮叶片表面，厚度1mm，晾干；
（3）、再用DL-4000D型电火花沉积堆焊机，把直径5mm 的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒作为阳极，在氩气保护下，与被沉积的WC-Co硬质合金纳米晶粉末的金属水轮机转轮叶片作为阴极之间产生火花放电，在10-5～10-6 s内电极与水轮机转轮叶片接触的部位达到10000～28000 ℃的高温，将亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒、WC-Co硬质合金纳米晶粉末和水轮机转轮叶片熔融在一起，冷却凝固，形成一层电火花沉积纳米合金沉积层；
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，沉积枪转速为2500r/min，输出功率为3500W，输出电压为165V，放电频率为1900Hz，沉积速率为2min/cm2，电极伸长度为2mm，氩气保护下，氩气流量10.5L/min，在水轮机转轮叶片表面往复多次形成厚20-100μm高强度的复合沉积层。
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