CN1079842C - 转子、水轮及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种耐磨耗性和耐蚀性均优的能在挟带泥砂的水流中应用的水力机械用转子，一种耐磨耗性和耐蚀性均优的、高度可靠的水力机械，以及一种制造它们的方法。被工作流体或流道内流体驱动旋转的水力机械用转子2的顶部21、轮圈22和叶片23在其各自表面的至少部分上镀覆着：含有从Ni、Cr和Co的组群中选取的金属和碳化铬的第一皮膜，及含有从Ni、Cr和Co的组群中选取的金属和碳化钨的第二皮膜。

Description

转子、水轮及其制造方法
本发明涉及耐磨耗性和耐蚀性均优的转子和水轮及其制造方法。
近年来，水轮越来越被用在液体中含有固态物质如泥砂的场合。在这种条件下被驱动的转子往往同时受到泥砂冲击造成的磨耗(将被称为“泥砂磨耗”)和空蚀损伤而被损伤。因此，容易被损伤的部分或是衬有树脂如橡胶，或是表面用高硬材料如陶瓷喷镀。这种技术已被日本专利公报47477/1991号公开。
一般地说，具有三维形状的转子通常是用铸造方法制造的。而大尺寸的转子在另一方面还要用焊接方法来拼装。在这种情况下，不锈钢材料被焊接到组合件内借以提高转子的机械强度。具体地说，叶片、顶部和轮圈或套筒被分别用不锈钢材料制造出来，然后将叶片焊接在顶部和轮圈或套筒之间来制成转子。其时如果需要，这样制成的转子还要经过热处理以便消除在焊接中产生的剩余应力。这种技术已在日本专利公报140465/1990号中被公开。
在另一方面，对这种泥砂磨损曾研制过多种镀层。例如，匹心顿轮的勺斗和针凹口曾用真空等离子喷镀法镀上一层成份逆减的碳化钨皮膜，如同日本专利公报88201/1994号所公开的。在另一方面，在转子上易被泥砂摩耗的部分可用含有C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni或Fe的钴合金堆焊，这法限用于水轮的转子，如同日本专利公报75767/1990号所公开的。
如上所述，当水力机械在液体内含有泥砂的条件下应用时，必须在转子上镀覆高硬材料使它可防止被泥砂磨耗和空蚀损伤所损伤。但由于转子的三维形状，要在转子上镀覆高硬材料并不容易。
电镀法能容易地镀覆一个具有复杂形状的物件，但当应用在本发明上时存在着下列问题。镀铬法是电解电镀法中最为广泛使用的方法之一，它能在所有镀膜中提供最高的皮膜(表面膜)硬度，以维氏硬度(将被表为Hv)计约为1000。但在电镀中，由于形状而造成的电解液浓度各处不同，很难使镀件具有均匀的膜厚。
另外由于皮膜内的应变，电镀法很难形成一层厚膜，即形成一层具有足够厚度能够抵挡泥砂磨耗和空蚀损伤的皮膜。镀镍磷(Ni-P)是一种非电解的电镀法，它能形成具有均匀厚度的皮膜而可不管形状如何。但由于皮膜内的应变，镀镍磷与镀铬(Cr)一样，难于形成厚膜或形成一层厚度足够抵挡泥砂磨耗和空蚀损伤的皮膜。另外，从设备的观点看，不论是镀铬还是镀镍磷，应用在大尺寸零件如水轮转子上都是不切实际的，因为它们需要一个将镀件沉浸在浴液内的步骤。
用喷镀法制出的硬质镀膜可具有足够的耐磨耗性能够抵挡泥砂磨损和空蚀损伤，并能容易地镀覆一层足够厚的皮膜。但采用喷镀法存在下列问题。在喷镀枪和转子之间需有一个适当的距离才能形成一个令人满意的喷镀皮膜，并且由于喷镀枪的大小有限，需要有一较为宽畅的空间。而三维转子具有狭窄的空间，因此难以镀覆一层令人满意的具有足够硬度和粘结强度的皮膜。
在上述日本专利公报88201/1994号中公开的技术只定在一定场合下适用，其中真空等离子喷镀法被应用到形状小而容易进行喷镀处理的零件上，因为镀件必须被接纳在一个真空容器内才能处理。因此，将真空等离子喷镀法用到大尺寸的零件上同样是困难的，而应用到具有复杂形状的三维零件上就更困难了。这些问题在日本专利公报88201/1994号所公开的技术中还没有被解决。
在另一方面，上述日本专利公报75767/1990号中所公开的技术是将堆焊处理用到容易被处理的部分上。由于堆焊时有熔化伴随着，这样做能够制出一个具有高粘结强度的重新形成的层，但应用到大面积上时便需要一个很大的热量才能进行热变形。因此这法被应用于水轮转子时实际上仅限于局部，很难用来处理整个需要处理的面。另外，将等离子喷镀法应用到具有复杂形的三维零件上当然更困难，其情况就象在上述日本专利公报88201/1994号中所公开的技术那样。再者，在泥砂具有高密度的情况下，钴合金的皮膜硬度是不够的，因此不能有足够的耐磨性。这些问题在上述日本专利公报75767/1990号中还没有被解决。
如上所述，很难用喷镀法在具有三维形状和狭窄空间的转子上镀覆出一层具有足够硬度和粘结强度的令人满意的皮膜。具体地说，当采用喷镀法时，必需采用上述用焊接来装配的制造方法。但当将喷镀法制出的皮膜镀层应用到采用焊接的转子制造方法上时，经过详细研究，明确有下列问题。
首先，所有表面都被喷镀的零件既不能被焊接，即使能被焊接也不能提供令人满意的焊接强度。另外，在焊接部邻近的零件的温度将因焊接热而升高，因此在一般具有比金属小的热膨胀系数的硬质皮膜内造成热应变，从而使皮膜分离或粘结强度降低。这样便不可能在焊接部及其邻近上镀覆皮膜。
但转子的焊接部，即在顶部(冠部)和叶片之间及在套筒或轮圈和叶片之间的接头却是些具有较高的流速和较高的被泥砂冲击的频率的部分，因此它们容易受到泥砂磨耗和空蚀损伤。这些部分如果没有镀覆皮膜便容易被泥砂磨耗和空蚀损伤所损伤，从而引起效能低落或使用寿命缩短的问题。
在另一方面，当顶部和叶片、及套筒或轮圈和叶片在焊接部的附近还没有喷镀皮膜时如果将它们焊接在一起，然后对各该焊接部喷镀，使它们在焊接后具有皮膜。这样做看似可行，但经过我们详细研究，已经明确，这种方法伴随着下列问题。
为了得到足够的粘结强度，要喷镀的表面在用喷镀皮膜覆盖前必须用喷砂处理适当地打毛。但在本例的情况下，喷镀皮膜已出现在焊接部的邻近，它们会被喷砂处理损伤，从而降低粘结强度。另外，为了从焊接部上去除剩余应变，焊接结构必须经过被称为应力消除处理(将被简称为“SR处理”)的热处理。一般地说，由于用喷镀法制出的硬质皮膜具有较小的热膨胀系数，如果在SR处理时设定适当的温度，那么在焊接前形成的喷镀皮膜会剥离或由于热应变而致破裂。在另一方面，当焊接部在SR处理前被覆盖上喷镀皮膜而进行SR处理以消除焊接部内的剩余应变时，其他应变又会在皮膜内被引起，因此皮膜的剥离和破裂更容易发生。
本发明力图解决上面指出的问题，目的是要提供一种转子和水轮及其制造方法，它们具有优越的耐磨耗性和耐蚀性使它们在水流挟带泥砂的条件下也能应用。
为了达到上述目的，按照本发明的特征，设有一个可被工作流体或在流道内流动的流体转动的转子。该转子至少在其一部分表面上镀覆着：含有一种从Ni、Cr、Co的组群中选用取金属和碳化铬的第一皮膜；及含有一种从Ni、Cr、Co的组群中选取的金属和碳化钨钨的第二皮膜。
按照本发明的另一个特征，设有一个可被工作流体或在流道内流动的流体转动的转子，该转子由包括顶部、轮圈和叶片在内的零件组成。这些零件至少在其一部分表面上镀覆着含有一种从Ni、Cr、Co的组群中选取的金属和碳化铬的第一皮膜，并在所说顶部和所述叶片的接头及所说轮圈和所说叶片的接头的至少部分上镀覆着含有一种从Ni、Cr、Co的组群中选取的金属和碳化钨的第二皮膜。
按照本发明的另一特征，所提供的水轮包括：一个被工作流体或在流道中流动的流体驱动旋转的转子；一根与所说转子一同旋转的心轴；一个支承所说心轴的轴承；和一台连接在所说心轴上一同旋转的发电机，其中所说转子符合权利要求1到8中的任一项。
按照本发明的另一特征，对被工作流体或在流道中流动的流体转动的转子提供一种制造方法，该方法包括在所说转子的至少一部分表面上镀覆一层含有一种从Ni、Cr、Co的组群中选取的金属和碳化铬的第一皮膜；然后在同一物上镀覆一层含有一种从Ni、Cr、Co的组群中选取的金属和碳化钨的第二皮膜。
按照本发明的另一特征，对包括一个具有顶部、轮圈和叶片的转子、一根心轴和一个轴承和一台发电机在内的水轮提供一种制造方法，该方法包括：在顶部、轮圈和叶片尚未形成转子或被连结之前在其至少部分表面上用一层含有一种从Ni、Cr、Co的组群中选取的金属和碳化铬的第一皮膜镀覆；然后将所说叶片连结在所说顶部和所说轮圈之间；将组合件在350℃或更高和650℃或更低、最好在400℃或更高和650℃或更低的温度下加热1到30小时；并在所说顶部和所说叶片的接头及所说轮圈和所说叶片的接头的至少部分上，镀覆一层含有一种从Ni、Cr、Co的组群中选取的金属和碳化钨的第二皮膜。
按照本发明提供的转子在其至少一部表面上镀覆着：含有一种从Ni、Cr、Co的组群中选取的金属和碳化铬的第一皮膜；和含有一种从Ni、Cr、Co的组群中选取的金属和碳化钨的第二皮膜。
转子在其至少一部分表面上镀覆着：含有一种从Ni、Cr、Co的组群中选取的金属和碳化铬的第一皮膜，此第一皮膜具有700或更高的维氏硬度；和含有一种从Ni、Cr、Co的组群中选取的金属和碳化钨的第二皮膜，第二皮膜具有一个为1000或比所说第一皮膜硬度高的维氏硬度。
由碳化铬Cr3C2构成的第一皮膜和由碳化钨WC构成的第二皮膜分别具有Hv700或更高及Hv1000或更高的硬度，它们显示出优良的耐蚀性。泥砂主要由长石和石英构成，其中长石的硬度为Hv600到700，而石英的硬度为Hv900到1000。在泥砂磨耗时，如果超过冲击粒子的硬度，耐磨耗性会突增。因此，在镀覆皮膜的硬度为Hv700或Hv1000或更高时，可对泥砂磨耗和空蚀损伤显示足够的耐磨耗性。
若使用喷镀(喷涂)法进行皮膜涂覆，第一皮膜的厚度可为零点几到1毫米，而第二皮膜的厚度可为零点几到0.5毫米。因此，若使用喷镀，则可使喷镀的皮膜具有能抵抗泥沙磨耗和空蚀侵害的充足寿命的厚度。
喷镀有各种方法，可按照其优点和缺点来采用。能够形成最为密实的皮膜的喷镀法为真空喷镀法，其时等离子喷镀是在减压的条件下进行的。这种真空喷镀法不能实际地应用到象本例那样的大尺寸零件上，因为要处理的零件必须在真空容器内镀覆。其他能够形成密实镀覆皮膜的方法有爆炸喷镀法和高速氧燃料喷镀法。爆炸喷镀法能覆广阔的镀层面积，因此适宜用来镀覆大尺寸的平面件。但爆炸喷镀法需要有相应的喷镀枪和大尺寸的设施，因此难于在这样一个具有三维形状和转子或狭窄空间如接头的零件上均匀地镀覆。
在另一方面，高速氧燃料喷镀能够形成密实的皮膜并只需要较小的枪和设施，因此它能为这样一个具有三维形状或狭窄空间如接头的零件形成一层均匀而密实的皮膜。
当要制造转子时，其零件即顶部、轮圈和叶片先被单独镀覆一层含有一种从Ni、Cr、Co的组群中选取的金属及50重量％到90重量％、最好为70重量％到90重量％的Cr3C2的第一皮膜，该皮膜的厚度被制成0.3mm到1.0mm，而从焊接部的前端起留出20mm、最好为50mm内的区域作为未镀覆部。
由Cr3C2和Ni、Cr或Co构成的第一皮膜可通过Cr3C2的含量来改变其硬度。当Cr3C2的含量增加时，硬度上升，但韧性丧失以致皮膜变脆、容易破裂或剥离、从而降低其可靠性。当Cr3C2的含量为50重量％到90重量％时，皮膜具有足够抵挡泥砂磨耗的硬度并能保持其韧性。
另外，在这范围内，皮膜对泥砂磨耗具有良好的耐蚀性和耐磨耗性。如果泥砂密度较高，可增加Cr3C2含量来提高硬度。在这种情况下，Cr3C2的含量最好为70重量％到90重量％。对这范围，皮膜可具有Hv700或更高的硬度。
由于在喷镀皮膜内会出现一些微孔，因此皮膜须厚到0.3mm或更多，使它可呈现良好的耐蚀性和耐磨耗性。喷镀皮膜越厚，其内部应变会越高，从而降低粘结强度。从粘结强度看，皮膜的厚度须小于1.0mm。在另一方面，如果考虑皮膜的耐磨耗性。那么采用1.0mm的膜厚或望得到足够的使用寿命，而从减少作业和能量的观点看，膜厚最好小于1.0mm。缩合上面列出的观点，把膜厚定在0.3mm到1.0mm的范围是比较合适的，既可保证转子有能抵挡泥砂磨耗和空蚀损伤的足够的使用寿命，又可提高生产率和节约能量。
含有Cr3C2和Ni、Cr或Co的第一皮膜比铁或不锈钢等材料具有较低的热膨胀系数。因此，如果在焊接时受到热影响，便会引起热应变，以致降低皮膜的粘结强度。但若从焊接部的前端起在20mm、最好在50mm以内留出不镀覆的区域，那么焊接时的热影响就可避免了，因此能够保持良好的粘结强度使它不受焊接的影响。
另外，此时用一较厚的、最好为第一皮膜两倍厚或更厚的金属板粘结在镀件上，以便形成第一皮膜的不覆盖部。由于喷镀法，特别是高速火焰喷镀法以极高的速度将气体喷射出来，如果掩盖材料没有足够的强度便会裂开。另外，如果没有足够的厚度，皮膜容易将掩盖部和镀覆部混合在一起，这样皮膜就容易在其端部剥离。如果将厚度为皮膜两倍的金属板用作掩盖材料，上述这些缺点便可避免。
在另一方面，在制造转子时，将由第一皮膜镀覆的顶部、叶片和轮圈焊接在一起形成水力机械用的转子，然后在350℃或更高和650℃或更低、最好为400℃或更高和650℃或更低的温度下加热1到30小时。通过这种热处理便可消除焊接部的剩余应变，使转子运转时由于应变释放而造成的变形及焊接部疲劳强度的降低得以防止，从而提高可靠性。另外，在第一皮膜内，在Ni、Cr、或Co的金属相和Cr3C2粒子之间的粘结强度可增加，使皮膜的硬度增加，相应地增加对泥砂磨耗和空蚀损伤的抗力。另外，在第一皮膜和母体材料的界面上的粘结强度也增加，从而可抑制皮膜的剥离。这样即使第一皮膜由于某些震动而致开裂，它也不会剥离和脱落，从而可提高可靠性。
在更高的加热温度下，焊接部的剩余应变消除、在皮膜内Ni、Cr或Co的金属相与Cr3C2之间的粘结强度增加、及皮膜与母体材料的界面上的粘结强度增加都可加快进行，但如上所述，由于在皮膜与母体材料之间在热膨胀系数上的差异会产生热应变。因此如果考虑热应变对皮膜的影响，温度最好为650℃或更低。在另一方面，如果考虑焊接部剩余应变的消除速度和皮膜的改善速率，那么该温度当以350℃为限，如果温度低于这个水平，那么在工业上应用时，热处理所需时间就太长了。
如果考虑实际应用，那么温度最好在400℃到650℃的范围内。就350℃到650℃的温度范围进行考查，在350℃时处理至少需要20小时，而在650℃时，1个小时即可收到处理效果。就400℃到650℃的温度范围而言，处理30小时便收敛。因此如果考虑效果和节能，加热时间最好在1到30小时的范围内。
在转子的制造过程中，当顶部和叶片及轮圈和叶片的焊接接头被加热经过热处理后，它们被镀覆上第二皮膜，该皮膜含有至少一种从Ni、Cr、Co的组群中选取的金属及50重量％(重量百分比，下同)或更多和90重量％或更少、最好是70重量％或更多和90重量％或更少的WC，并具有0.1mm到0.5mm的厚度，而且这个第二皮膜至少部分地搭接在第一皮膜上。
含有WC和Ni、Cr或Co的第二皮膜具有Hv1000或更高的硬度及对泥砂磨耗的良好的耐蚀性和耐磨耗性。在另一方面，如果增加WC的含量，皮膜的硬度虽然会增加，但皮膜的韧性却会丧失而变脆，使它容易破裂并剥离，从而降低其可靠性。如果WC的含量在50重量％到90重量％的范围内，那么皮膜就具有足够的硬度可以抵挡泥砂磨耗并能保持其韧性。但当泥砂的密度较高时，WC的含量必须增加，以便提高皮膜的硬度。在这种情况下，WC的含量最好在70重量％到90重量％的范围内。
顶部和叶片及轮圈和叶片间的接头是流速较高和泥砂冲击频率较高的部位，泥砂磨损和空蚀损伤容易在这些部位上发生。用第二皮膜将这些接头镀覆后，这种损伤便可防止。
在高速火焰喷镀法中，碳化物粒子既不熔化也不分解，只是以粒子的形式冲击并堆积在零件上。由于其较高的密度和较大的粒子重量，因此碳化物粒子能高度地咬入到母材内，从而建立一个高而令人满意的粘结强度。由于具有较大重量的WC粒子能高度地咬入到母材内，因此只须用磨削制出粗糙表面便可达到足够的粘结强度，而不必采用喷砂作为预处理。另外，由于WC比Cr3C2硬，前者可充分地咬入到已经镀覆的第一皮膜内，从而可建立一个令人满意的粘结强度。
为了使具有WC和Ni、Cr或Co的喷镀皮膜即第二皮膜呈现良好的耐蚀性和耐磨耗性，其厚度必须超过0.1mm。在另一方面，当厚度增加时，在第二皮膜内的应变也会增加，从而降低粘结强度。从粘结强度看，这个喷镀皮膜的厚度必须小于0.5mm。但若考虑这个第二皮膜的耐磨耗性，那么采用0.5mm的膜厚可望达到足够的使用寿命，而为了减轻作业和节能，小于0.5mm的膜厚是所希望有的。
皮膜的破裂和剥离容易在其端部发生。在镀覆时将第二皮膜部分搭接在第一皮膜上可使母材被覆盖而不留缝隙，因此能够提高对泥砂磨耗和空蚀损伤的耐磨耗性及可靠性。
第二皮膜的热膨胀系数比第一皮膜小。如果所含金属的沉积百分比相同，那么由于在热膨胀系数上与母材的差异，就会造成一个较高的热应变。在另一方面，焊接部会由于剩余应变的释出而被变形。结果热应变和由剩余应变的释出而引起的应变都将施加在镀覆焊接部的第二皮膜上。由于喷镀皮膜可能会被两个叠加的应变破裂或剥离，因此焊接部必须在加热到350℃或更高及650℃或更低的温度后才用第二皮膜镀覆。
下面简要说明附图：
图1为示出一个水轮的结构的概略图，该水轮采用按照本发明的一个实施例的水力机械用转子；
图2为按照本发明的实施例的水力机械用转子的透视图；
图3为示出按照本发明的实施例的、部分切开的水力机械用转子的透视图；
图4为按照本发明的实施例的水力机械用转子的放大剖面图；
图5为示出按照本发明的实施例的水力机械用转子的制造程序的流程图；
图6为示出按照本发明的实施例的水力机械用转子的叶片的透视图；
图7为示出按照本发明的实施例的水力机械用转子的叶片和轮圈的焊接部的透视图；
图8为示出按照本发明的实施例的水力机械用转子的叶片和轮圈的焊接部在角上倒圆之前的剖面图；
图9为示出按照本发明的实施例的水力机械用转子的叶片和轮圈的焊接部在角上倒圆后的剖面图；及
图10为示出按照本发明的实施例的水力机械用转子的叶片和轮圈的焊接部在用皮膜镀覆后的剖面图。
按照本发明的一个实施例的水力机械用转子及其制造方法将在下面结合附图予以说明。
图1所示为一个水轮的概略构造，其上采用按照本发明的实施例的水力机械用转子。为了使内部结构清晰起见，所示水轮的壳体被部分剖开，顺便说一下，就剖面的阴影线而言，图1没有为各个零件采用不同的阴影线以免使图面复杂。
如图1所示，水轮1的构造包括一个水力机械用转子(以后简称为“转子”)、一根轴3、一个导叶4、一个套筒5和一个轴承6。转子2被通过导叶4进入的水流转动。与此同时，与转子2连结的轴3也被转动。在图面上方与轴3连结的发电机(未示出)在被转动时便发出电力。
如果在进入转子2的水流中含有较多泥砂，这个转子2和导叶4将由于泥砂粒子的冲击而被磨耗。转子2和导叶4都在它们预期有高速水流通过和频繁遭受泥砂冲击而会引起泥砂磨耗的部位镀覆上：含有Cr3C2-16重量％的Ni-4重量％的Cr(以后被写成“Cr3C2-20％NiCr”)的第一皮膜；和含有WC-20重量％的Ni-5重量％的Cr(以后被写成“WC-25％NiCr”)的第二皮膜。
特别是转子2的顶部、轮圈和叶片被预期有高速水流通过和频繁遭受泥砂冲击而会引起泥砂磨耗，因此被镀覆上厚度从0.3mm到1.0mm的Cr3C2-20％NiCr皮膜，并在顶部和叶片的接头及轮圈和叶片的接头镀覆上厚度从0.1mm到0.5mm的WC-25％NiCr皮膜。另外，Cr3C2-20％NiCr皮膜和WC-25％NiCr皮膜部分搭接，并且Cr3C2-20％NiCr在下而WC-25％NiCr在上。
图2为示出图1中转子整体的概略的透视图，而图3为图2中沿A方向切取的剖面I-I的透视图。如图2和3所示，转子的构造包括一个顶部21、一个轮圈22和一圈叶片23。顶部21和叶片23及轮圈22和叶片23被分别焊接从而形成转子。
图4为示出顶部21和叶片23及轮圈22和叶片23的焊接部的放大剖面图。顺便说一下，顶部21、轮圈22和叶片23的剖面在图4中均加上同一的阴影线并没有加以区别。在图4中，标号7指Cr3C2-20％NiCr皮膜(或第一皮膜)，而标号8指WC-25％NiCr皮膜(或第二皮膜)。这两皮膜在约10mm到50mm的范围内部分搭接(重叠)。
在本实施例中，Cr3C2-20％NiCr皮膜7和WC-25％NiCr皮膜8都是由高速氧燃料喷镀法形成的。在另一方面，Cr3C2-20％NiCr皮膜和WC-25％NiCr皮膜都曾就Cr3C2和WC的含量进行考查，考查显示从50重量％到90重量％的范围适宜用来对付泥砂磨耗和空蚀损伤。但若泥砂密度超过2kg/m3如同长江、黄河或大雨后的河流内所出现的那样，那么Cr3C2和WC的含量百分比就须增加，以便提高皮膜硬度。在这种情况下，Cr3C2和WC的含量最好从70重量％到90重量％。在另一方面，从耐蚀性、硬度和韧性的观点盾，Ni、Cr和Co为皮膜的适当的金属成分。这些金属经过适当的选取和组合能够给出令人满意的耐蚀性、硬度和韧性。
Cr3C2-20％NiCr的皮膜7具有Hv700或更高的硬度，而WC-25％NrCr的皮膜8具有Hv1000或更高的硬度，并且它们都具有良好的耐蚀性。泥砂主要由长石和石英构成，其中长石具有Hv600到700的硬度，而石英具有Hv900到1000的硬度。在泥沙磨耗中，如果冲击粒子的硬度被超过，那么耐磨耗性可陡增。因此硬度为Hv700或Hv1000或更高的存膜镀层可对泥砂磨耗和空蚀损伤呈现足够的耐磨耗性。
Cr3C2-20％NiCr的皮膜7和WC-25％NiCr的皮膜8可根据其Cr3C2和WC的含量来改变其硬度。如果增加Cr3C2和WC的含量，便可使皮膜的硬度上升，但其韧性将丧失而变脆，致使它们容易破裂并剥离，从而降低其可靠性。当Cr3C2和WC的含量为从50重量％到90重量％时，皮膜能具有足够对付泥砂磨耗的硬度并能保持其韧性。
在另一方面，在此范围内，虽然可具有对付泥砂磨耗的良好的耐蚀性和耐磨耗性。但若泥砂的密度超过2kg/m3如在长江、黄河或在大雨后河流中所出现的那样，那么Cr3C2和WC的含量必须提高，以便提高皮膜硬度。在这情况下，Cr3C2和WC的含量最好保持在70重量％到90重量％的范围内，这样这两皮膜就可分别达到大于Hv700和Hv1000的硬度。
由于在喷镀皮膜内会出现一些微孔，Cr3C2-20％NiCr的皮膜7的厚度必须达到0.3mm或更大，使它可呈现良好的耐蚀性和耐磨耗性。如果喷镀皮膜变厚，那么其内部应变就会增大。如果喷镀皮膜变厚，那么其内部应变就会增大，从而使粘结强度降低。从粘结强度的观点看，Cr3C2-20％NiCr的皮膜7的厚度必须小于1.0mm。
在另一方面，如果考虑Cr3C2-20％NiCr皮膜7的耐磨耗性，那么采用1.0mm的厚度可望得到足够的使用寿命，而从减少作业和节能的的观点看，厚度小于1.0mm是所希望的。
WC-25％NiCr的皮膜8也有一个适当的厚度范围。一般地说，含有WC的皮膜比含有Cr3C2的皮膜硬，并在形成时具有较高的内部应变。但由于是喷镀膜，如同Cr3C2-20％NiCr那样也会出现一些多微孔。
因此，为了具有良好的耐蚀性和耐磨耗性，该膜厚必须不小于0.1mm。在另一方面，如上所述，从应变看，膜厚需要小于0.5mm。另外，考虑到耐磨耗性，采用0.5mm的膜厚，可望使皮膜具有够的使用寿命。而为了减少作业和节能，膜厚不大于0.5mm也是所希望的。
喷镀膜的破裂和剥离容易从皮膜的端部开始。因此，在Cr3C2-20％NiCr的皮膜7部分搭接在WC-25％NiCr的皮膜8上时，母材可不留缝隙地被镀覆，从而可提高对泥砂磨耗和空蚀损伤的耐磨耗性和可靠性。
由于在喷镀膜内会出现一些微孔，上述Cr3C2-20％NiCr的皮膜7与WC-25％NiCr的皮膜8的搭接从可靠性的观点看需要延伸到至少10mm。由于搭接超过50mm时效果会收敛，因此为了效率，从10mm到50mm的延伸是合适的。
在高速氧燃料喷镀法中，碳化物粒子既不熔化也不分解，只是以粒子状态沉积在零件上。这样，较密实的和较重的粒子便能更深入地咬入，以建立令人满意的粘结强度。比重较大的WC颗粒咬入深，因此只须用磨削制出粗糙表面便可达到足够的粘结强度，而不必采用喷砂的预处理。另外，由于WC比Cr3C2硬，在上面的WC-25％NiCr的皮膜8能够充分地咬入到Cr3C2-20％NiCr的皮膜7内，从而可建立足够的粘结强度。
顺便说一下，在泥砂密度低的情况下，并不总是必需制备WC-25％NiCr的皮膜作为在上面的镀层。Cr3C2-20％NiCr皮膜本身即可应用，而Cr3C2的百分比在这种情况下最好能增加。另外，在这种情况下，留下来未用Cr3C2-20％NiCr皮膜镀覆的部分最好用喷砂处理同时须保护已镀覆的Cr3C2-20％NiCr皮膜。
接下来，下面将结合图5到10说明按照本发明的一个实施例的水力机械用转子的制造方法。
图5示出按照本发明的一个实施例的水轮转子的制造步骤。首先将顶部21、轮圈22和叶片23各自单独制出。其次，将这样单独制出的顶部21、轮圈22和叶片23用高速氧燃料喷镀法镀覆一层Cr3C2-20％NiCr的皮膜7。在各种喷镀法中，这种高速氧燃料喷镀法能够形成一层密实的皮膜并只需要较小的喷镀枪和设施，因此它能在具有三维形状和例如在接头处的狭窄空间的零件上形成一层均匀和密实的皮膜。所以高速燃料喷镀法是镀覆具有三维形状如转子2那样的零件最合适的一种方法。
在镀覆Cr3C2-20％NiCr皮膜7时，用一块比Cr3C2-20％NiCr皮膜厚、最好为其两倍厚的金属板加在要焊接的部分上，借以保护Cr3C2-20％NiCr皮膜。金属板具有足够的强度和耐热性，如果其厚度达到皮膜厚度的两倍，那么就可抵挡高速氧燃料喷镀法中的高速气体而可防止破裂和散布。另外，采用皮膜的两倍厚度可形成令人满意的皮膜端部，在掩盖部和要镀覆的皮膜之间将不会有任何融合。
其次，将顶部21和叶片23、及轮圈22和叶片23焊接在一起来形成转子2。在这焊接完成后，焊接部9被加工成适当的圆角形状(倒圆或R加工)以免在运转时发生任何应力集中。其次，将转子2放入炉内在温度为350℃到650℃、最好为400℃到650℃、时间为1小时到30小时的条件下经受SR处理。
在本实施例中，转子2是在550℃保持15小时，然后在炉内冷却。顺便说一下，15小时的时间是在550℃下的保持时间。在550℃进行的这种热处理中，保持时间为约5小时或更长时便可使皮膜硬度提高，而保持时间为约10小时或更长时可使粘结强度急剧提高。对于转子2这样一个大件是不容易突然加热和冷却的，并且突然的温度变化对皮膜的热应变也是不合适的。所以转子2在550℃被保持在炉内15小时，然后在炉内缓缓冷却。经过充分的冷却后，在焊接和倒圆部上的氧化膜再一次被磨掉，然后用WC-25％NiCr的皮膜8镀覆焊接部。
下面结合图6到10详细说明上述步骤。
图6为用高速氧燃料喷镀法镀覆Cr3C2-20％NiCr皮膜7的叶片23外部的透视图。叶片23的所有表面上除了要焊接到顶部21和轮圈22上的部分外都用Cr3C2-20％NiCr皮膜7镀覆。
在图6中出现的标号23a并不代表一个剖面而是表示镀有Cr3C2-20％NiCr皮膜7的部分。未画阴影线的部分为不镀覆的部分，该部分从要焊接部的端面算起，至少为40mm，至多为70mm。焊接后在这不镀覆的部分内，Cr3C2-20％NiCr皮膜7离开焊接部的距离为从20mm到50mm(后面将详述)。虽然没有特别示出，顶部21和轮圈22都类似地用Cr3C2-20％NiCr皮膜7镀覆。
Cr3C2-20％NiCr皮膜7比铁或不锈钢那些材料具有较小的热膨胀系数。因此，焊接的热影响会引起热应变使皮膜的粘结强度降低。但若从要焊接部留出范围为20mm、最好为50mm的不镀覆区域，那么焊接的热影响就可避免，使Cr3C2-20％NiCr皮膜7可不肥焊接影响而保持令人满意的粘结强度。
现就轮圈22和叶片23的焊接说明随后的焊接和倒圆(R加工)的细节。
图7为示出轮22和叶片23的要焊接部的剖面图。顶部21和叶片23、及轮圈22和叶片23都完全穿透地焊接，后两者在焊接前被加工成图7所示的形状。
图8为焊接后的剖面图。顺便说一下，在图8中出现的焊接部9是一条由多层堆积而成的焊缝，没有画上阴影线。没有镀上Cr3C2-20％NiCr皮膜7的不镀部分从要焊接部的端面算起的距离为40mm到70mm，而在焊接后在Cr3C2-20％NiCr皮膜7与焊接部9相互间隔开的距离为20到50mm。
图9为焊接部已被磨成适当倒圆(R加工)形状的剖面图。在经过这个形状处理后，转子接受SR处理，在该处理中转子被放入炉内，在350℃到650℃的温度、最好是400℃到650℃的温度下保持1小时到30小时。
通过在这温度的热处理，剩作余应变便从焊接部上消除，这样便能防止在使用时由于应变释出而造成的变形和焊接部疲劳强度的降低，从而可提高可靠性。另外，在Cr3C2-20％NiCr皮膜7中，在Ni或Cr和Cr3C2粒子之间的粘结强度被提高，因此使皮膜的硬度增加，从而可提高对泥砂磨耗和空蚀损伤的耐磨耗性。
另外，在Cr3C2-20％NiCr皮膜7和母材(基材)之间的粘结强度也被增加，从而可抑制皮膜的剥离。结果即使皮膜由于某些震动而被裂开，皮膜的剥离和脱开也可被抑制，因此可提高可靠性。
在较高的加热温度下，剩余应变的从焊接部上消除、在皮膜内在Ni或Cr的金属相和Cr3C2粒子之间的粘结强度的增加以及在皮膜和母材之间的界面内粘结强度的增加都将加快进行，但由于Cr3C2-20％NiCr皮膜7和母材之间热膨胀系数的差异而引起的热应变也急剧增加。因此，如果考虑到热应变对皮膜的影响，温度最好低于650℃。
另外，如果考虑剩余应变从焊接部上消除的速率和皮膜的改善率，那么温度的下限当为350℃，但较低的温度需要较长的时间，这会给工业上应用造成困难。为了实际应用，适宜的温度范围为从400℃到650℃。如果对350℃到650℃的温度范围进行考查可以看到，同样的加热效果在350℃需要20小时，而在650℃只需1小时。另外如果对400℃到650℃的温度范围进行考查可以看到，在30小时，效果便开始收敛了。因此，如果考虑效果和节能，加热时间最好在从1小时到30小时的范围内。
图10示出经过R加工后的焊接部用WC-25％NiCr皮膜8镀覆后的剖面形状。这个WC-25％NiCr皮膜8部分地搭接在Cr3C2-20％NiCr皮膜7上。由于这个部分搭接的镀覆，母材被覆盖得不留缝隙，因此可使对泥砂磨耗和空蚀损伤的耐磨性增加，从而可提高可靠性。
关于为何WC-25％NiCr皮膜的镀覆须在SR处理之后进行的理由如下。由于WC-25％NiCr皮膜8比Cr3C2-20％NiCr皮膜7具有较小的热膨胀系数，因此在SR处理中，前者比后者会被引起更多的热应变。另外，由于从焊接部释出的热应变，致使在WC-25％NiCr皮膜8内将会有较多的应变，其时即使Cr3C2-20％NiCr皮膜7所处的温度范围不会使该皮膜剥离或开裂，WC-25％NiCr皮膜8开裂的可能性仍然很高。
因此焊接部必须在SR处理后才用WC-25％NiCr皮膜8镀覆。另外，WC-25％NiCr皮膜的WC粒子具有高密度和相应的高粘结强度，因此它适宜用来镀覆本实施例的焊接部，其中整个表面不能被喷砂，因为这会影响到业已镀覆的Cr3C2-20％NiCr皮膜7。
顺便说一下，在上述实施例中，喷镀皮膜是以Cr3C2-20％NiCr皮膜7和WC-25％NiCr皮膜8为例，但本发明并不仅限于这种组成，这在上面已经说过。适用于本发明的皮膜可列举如下：Cr3C2-15％NiCr皮膜、Cr3C2-25％NiCr皮膜、Cr3C2-15％CoCr皮膜、Cr3C2-20％CoCr皮膜、Cr3C2-25％CoCr皮膜、WC-15％NiCr皮膜、WC-20％NiCr皮膜、WC-15％Co皮膜、WC-20％Co皮膜、WC-25％Co皮膜、WC-15％CoCr皮膜、WC-20％CoCr皮膜、及WC-25％CoCr皮膜，这些皮膜都可有良好的皮膜强度和粘结强度。
在上述实施例中，当顶部21、轮圈22和叶片23分别制备时采用高速氧燃料喷镀法镀覆Cr3C2-20％NiCr皮膜7。但当这些单独零件分别被喷镀法应不仅限于高速氧燃料喷镀法，因为此时操作空间并不狭窄，而可扩展到爆炸喷镀法或真空等离子喷镀法，这要看零件的大小而定。按照本发明便有可能制出能在含有泥砂的水流内工作的、耐磨耗性和耐蚀性都优的转子，并能以低成本有效地制出。
并有可能制出能在含有泥砂的水流内工作的、耐磨耗性和耐蚀性都优的水力机械，并能以低成本有效地制出。

Claims (19)

1.一种转子，在其至少一部分表面上镀覆着：含有从Ni、Cr和Co的组群中选取的金属和碳化铬的第一皮膜；及含有从Ni、Cr和Co的组群中选取的金属和碳化钨的第二皮膜。
2.按照权利要求1所述的转子，其特征为，在其顶部、轮圈和叶片的至少一部分表面上镀覆着所述第一皮膜，并在所说顶部和所说叶片间的接头及所说轮圈和所说叶片间的接头的至少一部分上镀覆着所述第二皮膜。
3.按照权利要求1所述的转子，其特征为，所述第一皮膜具有700或更高的维氏硬度，所述第二皮膜具有1000或比所说第一皮膜更高的维氏硬度。
4.按照权利要求2所述的转子，其特征为，所述第一皮膜具有700或更高的维氏硬度，所述第二皮膜具有1000或比所说第一皮膜更高的维氏硬度。
5.按照权利要求1至4中任一项的转子，其特征为，所说第一皮膜与所说第二皮膜至少部分搭接。
6.按照权利要求4的转子，其特征为，所说第一皮膜形成一个下层，而所说第二皮膜在其搭接部形成上面的皮膜。
7.按照权利要求1至4中任一项的转子，其特征为，所说第一皮膜含有50到90重量％、最好是70到90重量％的碳化铬，而所说第二皮膜含有50到90重量％、最好是70到90％的碳化钨。
8.按照权利要求1至4中任一项的转子，其特征为，在所说第一皮膜内的碳化铬为Cr3C2，而在所说第二皮膜内的碳化钨为WC。
9.一种水轮，它包括：一个被工作流体或在流道内流动流体驱动旋转的转子；一个布置在所说转子周围的导叶；一根配装在所说转子内的心轴；一个支承所说心轴的轴承；和一台连续到所说心轴上与它一同旋转的发电机，其中所说转子符合权利要求1到8中的任一项。
10.按照权利要求9所述的水轮，其特征为，所说导叶在其至少部分表面上镀覆着：含有从Ni、Cr和Co的组群中选取的金属和碳化铬的第一皮膜；及含有从Ni、Cr和Co的组群中选取的金属和碳化钨的第二皮膜。
11.按照权利要求9所述的水轮，其特征为，所述转子被含有2kg/m3或更多固体粒子的流体驱动旋转。
12.一种制造水轮的方法，它包括：在其转子的至少一部分表面上镀覆含有从Ni、Cr和Co的组群中选取的金属和碳化铬的第一皮膜；然后在同一物上镀覆含有从Ni、Cr和Co的组群中选取的金属和碳化钨的第二皮膜。
13.一种制造水轮的方法，它包括：在其尚未形成转子或连结前的顶部、轮圈和叶片的至少一部分表面上镀覆一层含有从Ni、Cr和Co的组群中选取的金属和碳化铬的第一皮膜；然后将所说叶片连结到所说顶部上和所说轮圈上来形成所说转子；将该组合件加热到350℃或更高和650℃或更低、最好是400℃或更高和650℃或更低，保持1到30小时；并在所说顶部和所说叶片间的接头及所说轮圈和所说叶片间的接头的至少部分上镀覆一层含有从Ni、Cr和Co的组群中选取的金属和碳化钨的第二皮膜。
14.按照权利要求13的制造水轮的方法，其特征为，所说转子是用焊接方法将所说叶片连结到所说顶部和所说轮圈上形成的。
15.按照权利要求12到14中任一项的制造水轮的方法，其特征为，当所说顶部、所说轮圈和所说叶片的至少部分表面被镀覆上所说第一皮膜时，从所说顶部和所说叶片及所说轮圈和所说叶片的焊接部的前端算起，20mm以内最好是50mm以内的区域被保留不予镀覆。
16.按照权利要求12到14中任一项的制造水轮的方法，其特征为，所说第一皮膜和第二皮膜的镀覆方法为一种喷镀方法，最好是高速火焰喷镀法。
17.按照权利要求12到14中任一项的制造水轮的方法，所说顶部和所说叶片间的接头及所说轮圈和所说叶片间的接头在所说转子被加热后被镀覆上所说第二皮膜，所说第二皮膜至少部分被搭接在业已镀覆的第一皮膜上。
18.按照权利要求12到14中任一项的制造水轮的方法，其特征为，所说第一皮膜含有50到90重量％、最好是70到90重量％的碳化铬，而所说第二皮膜含有50到90重量％、最好是70到90重量％的碳化钨。
19.按照权利要求12到14中任一项的制造水轮的方法，其特征为，在所说第一皮膜内的碳化铬为Cr3C2，而在所说第二皮膜内的碳化钨为WC。
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