CN111140421A - 具有提高的寿命的水电涡轮机部件及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

公开了水电涡轮机部件(100)和通过施加耐侵蚀涂层(250)来提高水电涡轮机部件(100)的寿命的方法。水电涡轮机部件(100)包括具有尖端部分(212)和至少两个侧面部分(216)的楔形基底(210)。耐侵蚀涂层(250)设置在楔形基底(210)上，使得设置在尖端部分(212)处的耐侵蚀涂层的厚度(250)是设置在侧面部分(216)处的耐侵蚀涂层(250)的厚度的至少2倍。耐侵蚀涂层(250)具有至少99.5%的密度。该方法包括通过高速空气燃料工艺涂覆基底(210)的尖端部分(212)和随后通过高速空气燃料工艺涂覆侧面部分(216)的步骤。

Description

具有提高的寿命的水电涡轮机部件及其形成方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年11月2日提交的名称为“HYDRO-ELECTRIC TURBINE COMPONENTHAVING ENHANCED LIFE SPAN AND METHOD FOR FORMING THE SAME (具有提高的寿命的水电涡轮机部件及其形成方法)”的印度临时申请号201841041634的优先权和权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
概括地，本发明涉及一种具有提高的寿命的水电涡轮机部件和一种用于形成该部件的方法。具体地，本发明涉及一种具有经涂覆的楔形基底的水电涡轮机部件和一种用于涂覆该楔形基底的方法。
背景技术
耐侵蚀涂层频繁地用于水电涡轮机部件如弗朗西斯型和卡普兰型涡轮机的转轮和导向叶片；佩尔顿型涡轮机的转轮、喷针和座；以及易于沉积物(粉砂)侵蚀的各种其他部件。这些部件的侵蚀通常通过水中的各种类型沉积物(包括砂)和其中所含的由移动的水体携带的颗粒(例如，SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、粘土、火山灰等)的撞击而发生。用于水电涡轮机部件的现有基础材料，如马氏体不锈钢，在这些条件下不具有足够的耐侵蚀性。例如，已发现水电涡轮机部件在暴露于超过1千克沉积物每立方米水的河流中的沉积物时发生显著的侵蚀。这个问题在亚洲、南美洲和阿尔卑斯地区特别严重，在这些地区，雨季过程中沉积物含量可能超过5千克每立方米水。严重的侵蚀导致涡轮机部件的损坏，导致与频繁维护相关的停机、运行效率的损失以及定期更换各种部件的需要。
为了减少或避免侵蚀问题，已经开发了各种抗侵蚀涂层来缓解侵蚀或延长部件的寿命。目前的耐侵蚀涂层通常通过热喷涂工艺施加，如空气等离子体喷涂(APS)和高速氧燃料(HVOF)。目前的热喷涂工艺的一个限制是，由于随着厚度通过这些方法增加而产生的高残余应力导致的可得涂层厚度有限。结果，最终涂层相对较薄，通常小于500微米，并且不能为涡轮机部件提供长时间的保护。这些热喷涂工艺的其他限制为在形成抗侵蚀涂层的涂覆工艺过程中粉末进料或线材原料的氧化和分解，这可能影响最终涂层的总体质量。例如，目前使用喷涂工艺如等离子体喷涂、线材喷涂和HVOF来涂覆涡轮机部件。这些工艺通常使所得涂层具有相对高的孔隙率、高的氧化物水平和/或倾向于使一次碳化物(如果存在于涂层中的话)脱碳。除了提供小厚度的侵蚀涂层外，所有这些因素还在降低涂层的耐侵蚀性方面具有显著的有害影响。
因此，本领域中仍然需要提供有效保护以免受侵蚀的改进的涂覆方法，如水电涡轮机部件所需。对水电涡轮机部件的特定部分的改进的涂覆方法期望地需要具有高耐侵蚀性、低残余应力和更高厚度的组合的涂覆以提供即使在高沉积物浓度运行条件下也具有长寿命和高耐侵蚀性的涂层。
发明内容
本发明公开了以下项目。
第1项. 一种水电涡轮机部件(100)，所述部件包括：
楔形基底(210)，所述楔形基底包括尖端部分(212)和至少两个侧面部分(216)；和
设置在楔形基底(210)上的耐侵蚀涂层(250)，其中设置在尖端部分(212)处的耐侵蚀涂层(250)的厚度是设置在侧面部分(216)处的耐侵蚀涂层(250)的厚度的至少2倍，并且其中耐侵蚀涂层(250)具有至少99.5%的密度。
第2项. 根据第1项所述的水电涡轮机部件(100)，其中设置在尖端部分(212)处的耐侵蚀涂层(250)的厚度在1毫米至3毫米的范围内而设置在侧面部分(216)处的耐侵蚀涂层(250)的厚度在0.3毫米至1毫米的范围内。
第3项. 根据第1或2项所述的水电涡轮机部件(100)，所述部件具有在尖端部分(212)和侧面部分(216)之间的中间部分(214)，并且其中中间部分(214)具有从尖端部分(212)向侧面部分(216)渐缩的厚度。
第4项. 根据第1至3项中任一项所述的水电涡轮机部件(100)，其中尖端部分(212)的曲率半径在0.5毫米至3.0毫米的范围内。
第5项. 根据第1至4项中任一项所述的水电涡轮机部件(100)，其中耐侵蚀涂层(250)包含金属基质复合材料，所述金属基质复合材料包含钴铬基质。
第6项. 根据第1至5项中任一项所述的水电涡轮机部件(100)，其中楔形基底(210)包括：佩尔顿水斗的分流器；佩尔顿水斗的W-切口；佩尔顿喷针；座环；弗朗西斯、卡普兰、灯泡式或泵浦式涡轮机的导向叶片；弗朗西斯、卡普兰、灯泡式或泵浦式涡轮机的转轮叶片；或它们的组合。
第7项. 根据第1至6项中任一项所述的水电涡轮机部件(100)，其中耐侵蚀涂层(250)是无裂纹的并具有小于0.5%的氧化物含量和大于1250 HV0.3的硬度。
第8项. 根据第1至7项中任一项所述的水电涡轮机部件(100)，所述部件还在水电涡轮机部件(100)的基础部分(218)中包括耐侵蚀涂层(250)，其中耐侵蚀涂层(250)的厚度在0.1毫米至0.3毫米的范围内。
第9项. 根据第1至8项中任一项所述的水电涡轮机部件(100)，其中在尖端部分(212)处的入射角θ在15度至55度的范围内。
第10项. 一种用于涂覆水电涡轮机部件(100)的楔形基底(210)的方法，所述楔形基底(210)包括尖端部分(212)和至少两个侧面部分(216)，所述方法包括：
通过高速空气燃料工艺涂覆基底(210)的尖端部分(212)；且随后
通过高速空气燃料工艺涂覆侧面部分(216)，以在尖端部分(212)和侧面部分(216)上都形成耐侵蚀涂层(250)使得尖端部分(212)处的涂层(250)的厚度是侧面部分(216)处的涂层(250)的厚度的至少2倍。
第11项. 根据第10项所述的方法，所述方法包括在涂覆尖端部分(212)之后且在涂覆侧面部分(216)之前涂覆中间部分(214)，其中中间部分(214)设置在尖端部分(212)和侧面部分(216)之间。
本文公开了在其运行过程中暴露于沉积物的水电涡轮机部件及通过施加耐侵蚀涂层来提高水电涡轮机部件的寿命的方法。在一个方面，公开了一种水电涡轮机部件。所述水电涡轮机部件包括具有尖端部分和至少两个侧面部分的楔形基底。耐侵蚀涂层设置在楔形基底上。优选地，设置在尖端部分处的耐侵蚀涂层的厚度是设置在侧面部分处的耐侵蚀涂层厚度的至少2倍。耐侵蚀涂层可具有至少99.5%的密度。
在另一个实施方案中，公开了一种用于涂覆水电涡轮机部件的楔形基底的方法。楔形基底包括尖端部分和至少两个侧面部分。所述方法包括通过高速空气燃料工艺涂覆基底的尖端部分并随后通过高速空气燃料工艺涂覆侧面部分的步骤。优选地，所述方法在尖端部分和侧面部分二者上都形成耐侵蚀涂层使得尖端部分处的涂层的厚度是侧面部分处的涂层的厚度的至少2倍。
在根据本发明的水电涡轮机部件或方法中，所述水电涡轮机部件：
* 可具有厚度在1毫米至3毫米的范围内的设置在尖端部分处的耐侵蚀涂层和具有厚度在0.3毫米至1毫米的范围内的设置在侧面部分处的耐侵蚀涂层；和/或：
* 可在尖端部分和侧面部分之间具有中间部分，并且所述中间部分具有从尖端部分向侧面部分渐缩的厚度；例如，根据本发明的方法可包括在涂覆尖端部分之后且在涂覆侧面部分之前涂覆中间部分，其中所述中间部分设置在尖端部分和侧面部分之间；
和/或；
* 可具有在0.5毫米至3.0毫米的范围内的尖端部分曲率半径和/或：
* 可在水电涡轮机部件的基座部分中具有耐侵蚀涂层，其中耐侵蚀涂层的厚度在0.1毫米至0.3毫米的范围内；和/或：
* 在尖端部分处的入射角θ可在15度至55度的范围内。
在根据本发明的水电涡轮机部件或方法中，耐侵蚀涂层可包含金属基质复合材料，所述金属基质复合材料包含钴铬基质。
在根据本发明的水电涡轮机部件或方法中，楔形基底可包括：佩尔顿水斗之一的分流器；佩尔顿水斗的W-切口；佩尔顿喷针；座环；弗朗西斯、卡普兰、灯泡式或泵浦式涡轮机的导向叶片；弗朗西斯、卡普兰、灯泡式或泵浦式涡轮机的转轮叶片；或它们的组合。
在根据本发明的水电涡轮机部件或方法中，耐侵蚀涂层可以是无裂纹的并具有小于0.5%的氧化物含量和大于1250 HV0.3的硬度。
上述及其他特征通过以下附图和详细描述来例示。
附图说明
图1示意了根据本说明书的一些实施方案的佩尔顿水斗形式的水电涡轮机部件。
图2示意了根据本说明书的一些实施方案的经涂覆楔形基底。
图3提供了根据本说明书的一些实施方案的经涂覆楔形基底的一部分的截面图。
图4提供了根据本说明书的一些实施方案的佩尔顿水斗的截面图。
图5提供了根据本说明书的一些实施方案的佩尔顿水斗的经涂覆分流器样品的光学显微照片。
图6提供了根据本说明书的一些实施方案的耐侵蚀涂层的横截面的扫描电子显微照片。
图7提供了根据本说明书的一些实施方案的一些代表性样品的沉积物侵蚀试验的结果的图示。
具体实施方式
本文公开了具有耐侵蚀涂层的水电涡轮机部件和为易受沉积物侵蚀的部件提供耐侵蚀性的涂覆方法。在本说明书的各种实施方案中，采用高速空气燃料(HVAF)工艺来向部件表面上沉积耐侵蚀涂层。HVAF工艺是一种材料沉积工艺，其中通过将基底暴露于速度大于800 m/s的耐侵蚀材料粉末的高速射流来施加耐侵蚀涂层。通过低温“空气-燃料气体”燃烧产物的超音速射流来加速和加热耐侵蚀材料粉末。HVAF喷涂工艺将沉积非常致密(极小孔隙率)且基本上不氧化的涂层。此外，可相对于其他热/等离子体喷涂工艺获得增加的厚度，从而使得涡轮机部件呈现出优异的耐侵蚀性能和提高的寿命。HVAF工艺利用与空气一起燃烧的燃料如煤油、丙烷、丙烯、低压气体(LPG)、压缩天然气(CNG)等，与之相对，HVOF工艺中使用氧气。由于HVAF工艺确保了较大的颗粒速度和较低的颗粒温度，所以与通过HVOF工艺沉积的涂层相比，由此产生的涂层具有较低的氧化和脱碳水平以及较低的残余应力。
在HVAF工艺中，形成涂层的颗粒被加热并由于火焰速度而被赋予高动能。颗粒被推向待涂覆的基底并在与基底的表面碰撞时形成涂层。由于与该工艺相关的低残余应力，所以HVAF工艺中采用的高速度和较低温度使得能够形成厚且致密的涂层，从而在易受侵蚀的环境中提供改善的涂层寿命。
在本说明书的实施方案中，有利地使用HVAF工艺来为水电涡轮机部件的各部分赋予耐侵蚀性，该水电涡轮机部件经得起可视范围(line of sight)热喷涂工艺。已获得超过500微米(µm)的厚度，并且这些涂层有利地表现出低水平的氧化、低水平的脱碳和低的残余应力。有利地采用HVAF工艺来产生在金属粘结剂基质中包埋有硬微粒的涂层。如本文所用，术语“硬微粒”通常是指莫氏硬度大于7的材料。在一些实施方案中，硬微粒具有大于8的莫氏硬度。在某些实施方案中，硬微粒的莫氏硬度可大于9。硬微粒可包括金属氧化物、金属硼化物、金刚石，或者金属的氮化物或硼化物，硅或硼。如本文所用，术语“金刚石”旨在包括基本上具有金刚石分子结构的硬度而不必具有相应的分子结构的颗粒，并旨在包括所有形式的金刚石颗粒，包括粉末、薄片等。金属粘结剂可包括金属或金属合金，其继而还可进一步包括一些非金属组分如例如陶瓷、金属间相或中间相。在一些实施方案中，金属粘结剂包括铁基合金、镍基合金、钴基合金或其组合。有利地，通过HVAF工艺获得的在金属粘结剂基质中包埋有硬微粒的涂层具有有限的硬质相溶解、低的残余应力和所需的高厚度。涂层基底设计、涂层材料、涂层工艺参数和方法设计为在水电涡轮机部件基底上获得无裂纹、坚韧、低氧化物含量、少渗碳且致密的耐侵蚀涂层而不导致涂层的剥落或脱粘。高的一次硬质相含量和高的厚度的结合使得HVAF涂层高度适合于水电涡轮机中的耐侵蚀应用。
图1示意了以佩尔顿水斗形式的水电涡轮机部件100。佩尔顿水斗用作水电涡轮机中采用的佩尔顿叶轮转轮的一部分。佩尔顿水斗的各个部分可能在水电涡轮机的运行过程中遭受侵蚀。图1中标记的分流器110和W-切口区域120是佩尔顿水斗的尖锐边缘并且被认为是佩尔顿水斗中的主要侵蚀区域。佩尔顿水斗的内壁130是佩尔顿水斗中的次要侵蚀区域并且与主要侵蚀区域相比相对不易受侵蚀。主要侵蚀导致显著的损坏，这继而使得分流器110和W-切口区域120的水力分布发生明显可见的变化。本说明书描述了施加到主要侵蚀区域以延长水电涡轮机部件100的寿命的厚的、无裂纹耐侵蚀涂层的分布及取得这样的涂层的方法。应指出，佩尔顿水斗在此仅用作实例，所述涂覆方法和涂层分布可有利地用于具有楔形本体部分且易受侵蚀的其他水电涡轮机部件。其他水电涡轮机部件的非限制性实例包括佩尔顿喷针、座环、各种涡轮机(如弗朗西斯涡轮机、卡普兰涡轮机、灯泡式涡轮机或泵浦式涡轮机)的导向叶片和转轮叶片。
图2示意了具有长度l、宽度w和高度h的经涂覆楔形基底200。经涂覆楔形基底200可以是前面提到的任何水电涡轮机部件的一部分。在经涂覆楔形基底200中，耐侵蚀涂层250设置在楔形基底210上方。楔形基底210具有尖端220和至少两个侧面230和240。在大多数水电涡轮机部件中，尖端220是比侧面230和240相对更易受侵蚀的楔形基底210区域。图1中示意的佩尔顿水斗形式的水电涡轮机部件100包括经涂覆的楔形基底200，其在尖端220处及两个侧面230和240处具有耐侵蚀涂层250。如图2中所示意，在某些实施方案中，涂层250覆盖楔形基底210的尖端220和侧面230、240。
图3提供了图2的经涂覆楔形基底200的一部分的截面图300并示意了根据本说明书的一些实施方案的楔形基底210上的涂层分布。楔形基底210具有包括尖端220的尖端部分212。尖端220可以是基底210在尖端部分212处的拐点。耐侵蚀涂层(为简洁起见，此后称为“涂层”) 250设置在楔形基底210上尖端部分212处和尖端220的两个侧面上。因此，在侧面230和240中的每一个处的至少一个侧面部分216涂覆有涂层250，从而产生至少两个经涂覆侧面部分216。
可基于特定部分处的侵蚀损伤的预期严重性和期望的侵蚀保护来设计所设置涂层250的厚度。因此，在以高入射角暴露于水流的位置中，如入射角接近于90度的那些位置，或者在高水平的水和砂通量处，可使涂层250的厚度保持在比以低入射角暴露于水流的位置处更大的值下来为楔形基底210中的此类位置提供更好的保护。给定位置处涂层250的厚度以楔形基底210的表面上该位置处涂层250的垂直高度来量度。举例来说，楔形基底210的尖端部分212处涂层250的厚度t1为基底的尖端部分212到涂层250的尖端部分之间的垂直距离。例如，楔形基底的尖端220处涂层250的厚度t1为基底的尖端220到涂层250的尖端252之间沿高度h的垂直距离(图2中示出)。类似地，楔形基底210的侧面部分216处涂层250的厚度t3为基底的侧面部分216到涂层250的侧面部分256之间在点216处在垂直于基底的方向上的垂直距离。
设置在尖端部分212处的涂层250的厚度大于设置在侧面部分216处的涂层的厚度。此外，设置在尖端部分212处的涂层250的厚度t1为设置在侧面部分216处的涂层250的厚度t3的至少2倍。在某些实施方案中，设置在尖端部分212处的涂层250的厚度t1的厚度是设置在侧面部分216处的涂层250的厚度t3的至少3倍。涂层250用HVAF工艺施加在楔形基底210的外表面上。HVAF工艺能够得到密度为至少百分之99.5 (%)的高度致密涂层。在一些实施方案中，涂层250是无裂纹的，并且如果存在氧化物的话，氧化物含量小于涂层250的总体积的0.5%。在一些实施方案中，涂层250中的氧化物含量小于涂层250的总体积的0.4%。涂层250的硬度大于1250 HV0.3。在一些实施方案中，涂层250耐受以大于90米每秒的速度行进的沉积物颗粒的冲击。沉积物颗粒可包括撞击在水电涡轮机部件100如佩尔顿水斗上的水射流中平均尺寸在小于1毫米至10毫米的范围内的一些石头和卵石。
在一些实施方案中，设置在尖端部分212处的涂层250的厚度t1在1毫米(mm)至3mm的范围内。在某些实施方案中，尖端部分212处涂层250的厚度t1在1.5mm至3mm的范围内。在一些实施方案中，设置在侧面部分216处的涂层250的厚度t3在0.3mm至1mm的范围内。尽管可在侧面部分230、240处实现涂层250的更大厚度，但在0.3mm至1mm的范围内的涂层厚度可足以为楔形基底如基底210的侧面部分216提供所需的侵蚀保护。楔形基底可以是佩尔顿水斗分流器。一些其他水轮机部件可能需要在具有各种几何形状的基底的边缘和/或侧面上具有厚的涂层。例如，在一些实施方案中，基底如用于弗朗西斯型涡轮机的转轮和导向叶片可在侧面部分处具有厚涂层并且涂层的厚度可大于1mm。在一些情况下，侧面部分上的涂层厚度可在约1mm至约3mm的范围内。侧面部分是没有任何尖端的水力水路部分。
如图3中所示意，在一些实施方案中，楔形基底210还包括中间部分214，中间部分214设置在尖端部分212和侧面部分216之间，在楔形基底210的表面上并具有涂层250。楔形基底210的中间部分214处涂层250的厚度t2为基底的中间部分214到涂层250的中间部分254之间在点214处在垂直于基底的方向上的直线距离。中间部分214处涂层250的厚度t2从尖端部分212处涂层250的厚度t1向侧面部分216处涂层250的厚度t3渐缩。也就是说，中间部分214上涂层250的厚度t2设计为使得涂层250的厚度沿着楔形基底210的侧面230、240 (图2中示出)从尖端部分212向侧面部分216逐渐减小而不在涂层250中形成任何显著的台阶。中间部分214中厚度的渐缩设计为在楔形基底210上提供无裂纹和不层离的涂层250。因此，在一些实施方案中，中间部分214处涂层250的厚度t2可在0.3mm至3mm的范围内变化，其中涂层250的厚度随楔形基底210中高度h的增加而增加。
在一些实施方案中，水电涡轮机部件100还可在水电涡轮机部件的基础部分218中包括耐侵蚀涂层250，如图4中所示。楔形基底210的基础部分218处涂层250的厚度t4为基底的基础部分218到涂层250的基础部分258之间在点218处在垂直于基底的方向上的垂直距离。基础部分218处涂层250的厚度t4可等于或小于侧面部分216处涂层250的厚度t3 (图3中示出)。在一些实施方案中，基础部分218处涂层250的厚度t4在0.1mm至0.3mm的范围内。在一些实施方案中，侧面部分216和基础部分218的涂层250在侧面部分216和基础部分218中的涂层之间具有渐缩的厚度。在一些实施方案中，尖端部分212、中间部分214、侧面部分216和基础部分218处涂层250的厚度可从相应部分中的一个点到另一个点有着微小的变化。这种变化可小于相应部分中平均厚度的10%。
返回看图3，楔形基底210的尖端部分212具有由在尖端部分212处的曲率半径R限定的曲率。曲率半径R限定水电涡轮机部件的运行过程中水撞击在楔形基底210上的水力分布。指示尖端部分212的尖锐边缘的较小曲率半径R确保了水电涡轮机部件100的更好运行效率水平。例如，在水电涡轮机部件100中，楔形分流器的尖端部分212具有窄的曲率半径，这有助于在水电涡轮机部件100上高效地分流撞击水射流。尖端部分212处的曲率半径较大时，由水电涡轮机的喷嘴推动的水射流可能不会将全部动能转化为机械旋转，这继而导致效率的下降。尖端部分212的曲率半径R将影响形成在基底上的涂层250的性质。例如，尖端部分212的较小曲率半径R可导致基底的较小角度θ (图3)，并且与施加在具有较大曲率半径R和较大角度θ的尖端部分212上的涂层250相比，施加在尖端部分212处的涂层250可能经受更大的残余应力。通过应用本说明书中描述的涂覆方法，将在具有小曲率半径的尖端部分212的基底上施加坚固、无裂纹且不层离的涂层。在一些实施方案中，尖端部分212的曲率半径R在0.5mm至3.0mm的范围内。在某些实施方案中，尖端部分212的曲率半径R在1mm至2mm的范围内。在某些其他实施方案中，尖端部分212的曲率半径R小于1mm。在一些实施方案中，尖端部分处的入射角θ在15°至55°的范围内。在水电涡轮机部件100中，水也撞击在前部W-切口120 (图1)上，这里的侵蚀速率可能类似于或小于分流器110的侵蚀速率。应指出，W-切口120具有尖端部分和侧面部分，因此上文针对分流器提及的曲率半径、入射角θ和厚度备选物的所有组合也适用于W-切口120。
在一些实施方案中，楔形基底包括13Cr 4Ni马氏体不锈钢材料。在一些实施方案中，楔形基底包括10Cr钢材料。在某些实施方案中，楔形基底包括双相不锈钢材料。在一些实施方案中，楔形基底可具有13Cr 4Ni马氏体不锈钢、10Cr钢或双相不锈钢材料中的任何一种的组合。
在一些实施方案中，涂层包括金属基质复合材料。在某些实施方案中，金属基质复合材料包括钴铬基质。在一些实施方案中，钴铬基质包括在4重量%至12重量%的范围内的钴和在2重量%至5重量%的范围内的铬，其中重量百分数基于的是涂层的总重量。
在某些实施方案中，金属基质复合材料可被增强。金属基质复合材料的增强物可呈多个硬质颗粒的形式。金属基质复合材料可包括多个硬质颗粒，所述硬质颗粒包括碳化钨、碳化硼、氮化钛、硼化钛、氮化硅、氧化铝、立方氮化硼或其组合。在某些实施方案中，金属基质组分的增强通过在钴铬基质中包括多个碳化钨硬质颗粒来促进。硬质颗粒的平均直径可小于2微米(µm)。在一些实施方案中，所述多个颗粒中硬质颗粒的平均直径小于1µm。此外，在一些实施方案中，所述多个硬质颗粒具有双峰尺寸分布。在一些示例性实施方案中，所述多个硬质颗粒的D95小于或等于1µm，所述多个硬质颗粒中平均粒度大于1µm的硬质颗粒小于5%。在一些其他实施方案中，硬质颗粒的体积的20%至50%在500纳米(nm)至1µm的尺寸范围内，体积的20%至50%在100-400nm的尺寸范围内，并且硬质颗粒的体积的不到5%在大于1µm并小于40µm的尺寸范围内。增加涂层中硬质颗粒的含量是有利的。在一些实施方案中，金属基质复合材料中存在的硬质颗粒的体积大于涂层总体积的60%。金属基质复合材料中硬质颗粒之间的平均间距可基于金属基质复合材料中硬质颗粒的量或体积、硬质颗粒的尺寸或其组合而变化。在一些实施方案中，钴铬金属基质中碳化钨硬质颗粒之间的平均间距小于500nm。
在一些实施方案中，公开了一种用于涂覆水电涡轮机部件的楔形基底的方法。楔形基底包括尖端部分和至少两个侧面部分。所述方法包括通过使用高速空气燃料(HVAF)工艺顺次涂覆基底的尖端部分和侧面部分。在涂覆侧面部分之前涂覆尖端部分特别有利于帮助尖端部分和侧面部分之间的充分热分布。此外，尖端部分和侧面部分处的涂层设置为使得尖端部分处的涂层的厚度是侧面部分处的涂层的厚度的至少2倍。在一些实施方案中，如上文所公开，楔形基底包括设置在尖端和侧面部分之间的中间部分并且所述方法包括在涂覆尖端部分之后且在涂覆侧面部分之前涂覆中间部分。涂覆尖端部分并随后(任选地涂覆中间部分且随后涂覆)侧面部分的特定顺序与普通热或等离子体喷涂工艺中的常识和当前实践相反。通过HVAF工艺实现涂覆，HVAF工艺包括以羽流排出耐侵蚀材料粉末。在该方法的一些实施方案中，使用的羽流为宽度小于1厘米(cm)的窄羽流。
在HVAF涂覆工艺中，所述方法包括将耐侵蚀材料粉末暴露于低于该粉末的熔点的温度。在一些实施方案中，以大于800米每秒的速度排出耐侵蚀材料粉末。可在施加涂层之前清洁和准备待涂覆的表面。在一些实施方案中，待涂覆表面的粗糙度Ra可大于5µm而经涂覆表面的粗糙度Ra可小于4µm。在一些实施方案中，可将待涂覆表面预热到至多100℃的温度。在一些实施方案中，所述方法可部分或完全自动化。在一个非限制性实例中，可使用机器人装置来执行HVAF涂覆工艺。在此实例中，顺次的方法步骤可被转换为机器人编程序列来使涂覆工艺自动化。
在一些实施方案中，HVAF工艺使用从HVAF枪到被涂覆表面相对于正交投影具有偏离的喷射角。在某些实施方案中，喷射角可相对于正交投影变化至多30°。在一些实施方案中，HVAF枪的喷射距离在25mm至250mm的范围内。
在一些实施方案中，耐侵蚀材料粉末包括钴、铬和多个硬质颗粒。所述多个硬质颗粒可包括碳化钨、碳化硼、氮化钛、硼化钛、氮化硅、氧化铝、立方氮化硼、碳化铬、碳化钛、碳化钒、硼化铬、氧化硅、氧化铬中的至少一种或其任何组合。在一个示例性实施方案中，碳化钨颗粒与钴和铬混合以形成耐侵蚀材料粉末并且该粉末在HVAF工艺中使用以形成碳化钨包埋到钴铬(CoCr)基质中的耐侵蚀涂层。在一些实施方案中，钴和铬在喷雾干燥和烧结工艺中与碳化钨颗粒组合。或者，可使用经烧结和粉碎的粉末，其中大多数钴铬仍以金属存在。也可以经铸造和粉碎的粉末的形式将钴和铬与碳化钨组合，其中一些钴铬与碳化物反应。在一些实施方案中，用于通过HVAF工艺涂覆的粉末可通过工艺如热处理、球化等进一步处理以在将粉末进行涂覆工艺之前增强所需的粉末特性。当通过HVAF工艺热喷涂时，存在于粉末中的材料可能以各种组成和结晶形式沉积。如本文所用，术语碳化钨(WC)指的是碳化钨的任何晶体学或组成形式。
在一些实施方案中，采用HVAF工艺来沉积涂层，该涂层具有量在4重量%至12重量%的范围内的Co和量在2重量%至5重量%的范围内的Cr，余量为WC。在某些实施方案中，总的CoCr含量在6至14重量%的范围内，余量为WC。
实施例
以下实施例示意了根据特定的实施方案的方法、材料和结果，并因此不应理解为对权利要求施加限制。
通过使用市售HVAF热喷涂枪用在钴铬基质中的碳化钨(WC-CoCr)材料涂覆特定的佩尔顿转轮边缘(分流器)样品。使用13Cr4Ni合金作为基底并使用WC含量为约85%的WC-CoCr粉末作为原料材料。该原料材料的粒度分布在约3微米至20微米的范围内。在标准燃烧压力下使用丙烯燃料和压缩空气。枪以约0.8m/s的速度在距离基底6-10cm的喷涂距离下操作。改变分流器的曲率半径和HVAF涂层的厚度以研究曲率半径和涂层厚度对所得涂层的稳定性和质量的影响。具体而言，使用曲率半径至多为约2mm的样品。一些样品使用相同的原料材料但使用HVOF喷涂枪进行涂覆以比较结果。通过HVOF沉积的涂层的厚度为约0.3mm。
对测试样品进行裂纹目测检查、涂层厚度和涂层粗糙度测量。进行显微结构检查以了解涂层的显微结构、硬度和孔隙率。进一步测试样品的粘附性、耐冲击性和耐沉积物侵蚀性。每一类别中多个样品被涂覆并检查以确定所获得的结果。在一些相对于2mm而言曲率半径非常小的经涂覆分流器中，当涂层的厚度大于约1mm时，涂层中观察到轻微的裂纹。图5示出了佩尔顿水斗的经涂覆分流器样品的光学显微照片500。在曲率半径为约2mm的分流器基底510上方施加厚约1mm的涂层550。涂层550看起来是光滑的并且没有任何裂纹或层离。在任何曲率半径为约2mm且涂层厚度为约1mm的分流器样品中都没有观察到裂纹或层离。通过用多组具有不同曲率半径和涂层厚度组合的样品重复上述实验，获得了对实现没有裂纹和层离并还具有有利的曲率半径和涂层厚度的涂层的相关参数范围的良好理解。该理解有助于实现基本上无裂纹的涂层，其既具有起始水力效率，又具有效率保持性和耐久性。可进一步改变涂覆参数并可测试更多的样品组以在具有不同曲率半径的样品上、尤其是在具有较小曲率半径(如小于1mm)的样品上实现较厚的涂层。
图6示出了对涂覆在曲率半径为约2mm的佩尔顿水斗分流器尖端上的WC-CoCr涂层的横截面记录的扫描电子显微照片600。涂层厚度为约1mm。该显微照片显示了CoCr基质620中的碳化钨颗粒630。在显微结构中可以看到具有较大颗粒632和较小颗粒634的碳化钨颗粒630的双峰显微结构。大的WC硬质颗粒632的平均尺寸小于1微米且观察到小的WC硬质颗粒634的平均尺寸小于500nm。发现具有该涂层的测试样品具有高冲击耐受性，如通过在10次石头射击后进行的目测检查所发现。
图7给出了沉积物侵蚀试验的图示700，其代表了真实的河流场所现场条件，对代表性测试样品中的一个进行测试，并与相应的基础样品和通过HVOF方法涂覆的另一个类似样品进行比较。曲线图的X轴702表示以分钟为单位的测试持续时间，Y轴704表示归一化的侵蚀宽度。基于侵蚀3小时后未涂覆基础材料的侵蚀宽度，将所有经涂覆样品在各个时间间隔下的侵蚀宽度归一化，这些侵蚀宽度用相同的侵蚀参数测量。因此，在图7中，通过除以基础样品在侵蚀3小时后获得的侵蚀宽度来归一化经涂覆样品在某一时间的归一化侵蚀宽度。具有涂层的样品的较低归一化侵蚀宽度表明该涂层获得的对相应样品的良好保护。曲线710代表由13Cr4Ni不锈钢制成的基础样品的归一化侵蚀宽度，该基础样品是曲率半径为大约2mm的佩尔顿水斗分流器尖端。曲线720代表涂覆有约0.3mm厚HVOF涂层的基础样品的归一化侵蚀宽度，曲线750代表通过HVAF技术在基础样品上获得的1mm厚涂层的归一化侵蚀宽度。
从图7的曲线图700可以看出，与所有其他样品相比，涂覆有1mm厚HVAF涂层的基础样品具有最高的侵蚀防护。此外，在所有侵蚀试验时间下，HVOF涂层的归一化侵蚀宽度都大于HVAF涂覆样品。发现去除样品上存在的1mm厚HVAF涂层所需的持续时间是去除0.3mm厚的常规HVOF涂层所需的持续时间的约2.5倍。
实验结果表明，使用HVAF工艺可在楔形基底如佩尔顿转轮边缘上形成厚度大于0.5mm的厚WC-CoCr耐侵蚀涂层。通过优化HVAF涂层的涂覆工艺参数、系统、施加方法和/或技术，可避免一些观察到的裂纹或层离。发现在曲率半径为2mm的分流器上具有1mm厚度的HVAF涂层给出令人满意的结果。发现由HVAF形成的涂层耐受冲击并且在10次射击后没有显示出任何损坏。从沉积物侵蚀试验可以看出，在涂层中有裂纹的一些HVAF样品即使在5小时的试验持续时间后也没有剥离。
虽然已参考示例性实施方案描述了本公开，但本领域技术人员应理解，在不偏离本公开的范围的情况下，可作各种改变并可用等同物替换其要素。另外，在不偏离本公开的实质范围的情况下，可作许多修改以使特定的情形或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于作为考虑用于实施本公开的最佳模式所公开的特定实施方案，而是本公开将包括落在附随的权利要求范围内的所有实施方案。

Claims (10)

1. 一种水电涡轮机部件(100)，所述部件包括：
楔形基底(210)，所述楔形基底包括尖端部分(212)和至少两个侧面部分(216)；和
设置在楔形基底(210)上的耐侵蚀涂层(250)，其中设置在尖端部分(212)处的耐侵蚀涂层(250)的厚度是设置在侧面部分(216)处的耐侵蚀涂层(250)的厚度的至少2倍，并且其中耐侵蚀涂层(250)具有至少99.5%的密度。
2.根据权利要求1所述的水电涡轮机部件(100)，其中设置在尖端部分(212)处的耐侵蚀涂层(250)的厚度在1毫米至3毫米的范围内而设置在侧面部分(216)处的耐侵蚀涂层(250)的厚度在0.3毫米至1毫米的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的水电涡轮机部件(100)，所述部件具有在尖端部分(212)和侧面部分(216)之间的中间部分(214)，并且其中中间部分(214)具有从尖端部分(212)向侧面部分(216)渐缩的厚度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的水电涡轮机部件(100)，其中尖端部分(212)的曲率半径在0.5毫米至3.0毫米的范围内。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的水电涡轮机部件(100)，其中耐侵蚀涂层(250)包含金属基质复合材料，所述金属基质复合材料包含钴铬基质。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的水电涡轮机部件(100)，其中楔形基底(210)包括：佩尔顿水斗的分流器；佩尔顿水斗的W-切口；佩尔顿喷针；座环；弗朗西斯、卡普兰、灯泡式或泵浦式涡轮机的导向叶片；弗朗西斯、卡普兰、灯泡式或泵浦式涡轮机的转轮叶片；或它们的组合。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的水电涡轮机部件(100)，其中耐侵蚀涂层(250)是无裂纹的并具有小于0.5%的氧化物含量和大于1250 HV0.3的硬度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的水电涡轮机部件(100)，所述部件还在水电涡轮机部件(100)的基础部分(218)中包括耐侵蚀涂层(250)，其中耐侵蚀涂层(250)的厚度在0.1毫米至0.3毫米的范围内。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的水电涡轮机部件(100)，其中在尖端部分(212)处的入射角θ在15度至55度的范围内。
10. 一种用于涂覆水电涡轮机部件(100)的楔形基底(210)的方法，所述楔形基底(210)包括尖端部分(212)和至少两个侧面部分(216)，所述方法包括：
通过高速空气燃料工艺涂覆基底(210)的尖端部分(212)；且随后
通过高速空气燃料工艺涂覆侧面部分(216)，以在尖端部分(212)和侧面部分(216)上都形成耐侵蚀涂层(250)使得尖端部分(212)处的涂层(250)的厚度是侧面部分(216)处的涂层(250)的厚度的至少2倍。
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