CN1136136A

CN1136136A - 水压机转子及其生产方法

Info

Publication number: CN1136136A
Application number: CN96100872A
Authority: CN
Inventors: 谷清人; 冈田亮二; 新仓和夫
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-01-13
Filing date: 1996-01-12
Publication date: 1996-11-20
Also published as: JPH08193568A

Abstract

一种水压机转子，其特征在于轮冠、卡圈和叶片表面至少有一部分涂覆了硬质材料涂层，该材料包括至少一种碳化铬、碳化钨、碳化钛、氧化铬或氧化铝陶瓷材料以及至少一种Ni、Cr或Co元素，然后将该转子置于350℃～650℃温度范围下热处理1小时或更长时间。

Description

水压机转子及其生产方法

本发明涉及具有卓越的抗磨损及抗腐蚀性能的水压机转子。

在利用河道中流动的水流做为工作水流的每个水压机中，有一个产生电能的水压涡轮，该水压涡轮具有例如一个由水势能作为动力源转动的转子，一个通过转动转子赋予水流以动能的水泵等。近几年来，水压机常用于具有恶劣条件的地方，并且在存在砂粒、卵石等固体颗粒的条件下水压机的应用有所增加。

在这种条件下运转的水压机转子可产生由于与固体颗粒发生碰撞而引起的磨损(这里指砂粒磨损)，以及产生砂粒磨损与气蚀(腐蚀)的综合损坏。因此，在损坏发生部分衬套或热喷涂上诸如橡胶等树脂、高硬度材料、陶瓷等材料是有效果的，这已在日本专利A 3-47477(1991)上公开。

进一步，有一种通过焊接来装配零件的方法可做为生产水压机转子的一种方法，这是一种为提高转子机械强度通过焊接来装配SUS材料零件的生产转子的方法。例如，对水压涡轮的一种情况，叶片、轮冠、卡圈或卡箍单独成形并通过焊接将它们装配成一个转子。此时，如果转子成形后有必要消除焊接引起的残余应力，进行热处理会有效。此项技术在日本专利A 2-140465(1990)和日本A6-93407(1994)中公开。

传统的水压机转子，甚至相对较硬的转子都是由Ni-13Cr钢制得，当其应用于水流中含有如砂粒、卵石等固体颗粒的河道中时，砂粒磨损发生在叶片插入部分和叶片外露部分或气密部分。这就是为什么含于砂粒和卵石中的高硬度矿物(例如石英)碰撞转子表面时，比矿物软的转子发生磨损的原因。

此外，当水流中在低压区产生的气蚀气泡在高压区破裂时产生冲击压可造成转子表面发生腐蚀。进而，当水流中含有砂粒和卵石等固体颗粒时，可发生砂粒磨损与气蚀造成的腐蚀同时发生的损坏。传统转子还有一个缺陷是其寿命短，这就是说，由于砂粒磨损和转子的损坏，将产生水压机的性能和寿命降低的问题。

本发明的一个目的是提供一种水压机转子，该转子在抗磨损及抗腐蚀性能上有所提高且寿命延长。

本发明的另一目的是提供一种低成本生产具有卓越的抗磨损和抗腐蚀性能的水压机转子的方法。

本发明是通过下述应用于转子结构和转子生产方法的一个或多个特性来表征的。

一个存留于转子结构中的特性为转子的部分表面涂覆上一层材料，该材料包括至少一种选自碳化铬、碳化钨、碳化钛、氧化铬和氧化铝的陶瓷材料以及至少一种选自Ni、Cr和Co的金属元素，且该涂层材料的维氏硬度为1000或更高。

一种生产转子的方法，其特征为通过热喷涂至少在转子部分表面上涂覆上一层硬质材料，该材料包括至少一种选自碳化铬、碳化钨、碳化钛、氧化铬和氧化铝的陶瓷材料以及至少一种选自Ni、Cr和Co的金属元素，然后将转子置于350℃～650℃温度范围下进行热处理1小时或更长时间。

一种生产转子的方法表征为通过热喷涂至少在轮冠、卡圈或卡箍和叶片部分表面上涂覆一层硬质材料，该材料包括至少一种选自碳化铬、碳化钨、碳化钛、氧化铬和氧化铝的陶瓷材料以及至少一种选自Ni、Cr和Co的元素，然后将叶片焊接于轮冠和卡圈或卡箍之间制成转子，然后通过热喷涂至少在转子部分表面上涂覆一层硬质材料，该材料包括陶瓷和金属材料，而后将转子置于350℃～650℃温度范围下热处理1小时或更长时间。

即使砂粒和卵石中所含有的石英碰撞转子表面的硬质涂层，然而由于该硬质涂层具有很高抗砂粒磨损能力且大大提高了转子抗磨损性能，所以转子寿命显著提高。

由于具有卓越抗腐蚀性能的诸如碳化铬、碳化钨、碳化钛、氧化铬和氧化铝陶瓷材料以及诸如Ni、Cr和Co的金属用作维氏硬度为1000或更高的硬质涂层，除了可获得抗磨损性能外，还可获得极佳的抗腐蚀性能。

应用热喷涂作为一种生产维氏硬度为1000或更高的硬质涂层的方法可获得通过电镀、CVD或PVD等方法无法获得的厚涂层。进一步，由于处理过程是在空气中进行的，所以可处理大面积零件，与CVD、PVD相比可降低成本。

在转子生产方法中，通过热喷涂在转子上涂覆一层硬质材料后，将其置于350℃～650℃温度范围下进行热处理至少1小时，硬质涂层中诸如碳化铬、碳化钨、碳化钛、氧化铬和氧化铝的陶瓷材料与诸如Ni、Cr和Co的金属之间的结合力将提高，这样就提高了硬质涂层的硬度以及其与基质材料的亲和力。

由于只需在转子一个部件(如轮冠、卡圈或卡箍和叶片)部分表面涂覆一层包括陶瓷和金属的硬质涂层，因此需要相对较小的喷涂空间，易于喷涂，工作时间缩短，喷涂粉末生产率提高，并且生产效率提高。

图1为本发明一个具体装置轴向辐流式水轮机透视图；

图2为轴向辐流式水轮机转子纵向剖面图；

图3为图1、图2中所示轴向辐流式水轮机转子涂覆了硬质涂层的叶片的剖面图；

图4为图3所示叶片的剖面图；

图5为根据本发明的轴向辐流式水轮机转子生产过程的流程图；

图6为硬质涂层强度测量结果随热处理变化的特性图；

图7为硬质涂层硬度测量结果随热处理变化的特性图；

图8为根据本发明的轴向辐流式水轮机转子的另一种生产过程的流程图。

下面描述的是本发明的一个实施方案，参考图1至图5。

图1为本发明的一个实施方案，一个轴向辐流式水轮机的结构透视图。该轴向辐流式水轮机是由轮冠2、卡圈3(亦称为卡箍，但这里称作卡圈)与叶片4相连而构成。叶片4的基体6或基质材料是包括13％Cr-5％Ni的不锈钢。

在该实施方案中，Cr3C-25％NiCr硬质涂层5涂覆于轮冠2、卡圈3和叶片4的部分表面。图2、图3图示了叶片4的实例，其前缘部分(叶片插入端部)和尾缘部分(叶片外露端部)涂覆了Cr₃C₂-25％NiCr硬质涂层5。硬质涂层5涂覆于预计与砂粒和卵石相碰时可能发生砂粒磨损的部分。硬质涂层厚度如图4所示，在本具体装置中约为0.2mm。

在本实施方案中，应用的是Cr₃C₂-25％NiCr作为硬质涂层，但是，为提高抗砂粒磨损能力可使用任何具有硬度高于石英、长石且具有卓越的抗腐蚀性能的涂层，其成份不仅限于Cr₃C₂-25％NiCr。作为各种研究的结果，发现如下情况：甚至Cr₃C₂-20～50％NiCr，WC-20～50％NiCr，WC-10～30％Co，TiC-40～60％NiCr，Cr₂O₃-1～10％NiCr，Al₂O₃-1-10％NiCr可提供相同的抗磨损及抗腐蚀性能。但是，当应用于水中含有大量石英颗粒的情况时，由于需要较高的涂层硬度，所以，Cr₃C₂-20～50％NiCr，WC-20～50％NiCr，WC-10～30％Co是优选的。进一步，在水中Cl浓度较高或腐蚀性较高的情况下，根据抗腐蚀性能很难使用Co，因而Cr₃C₂-20～50％NiCr和WC-20～50％NiCr是优选的。

进一步，在该实施方案中，涂层厚度为0.2mm，但是，本发明并不限制涂层厚度。涂层厚度可根据转子应用环境(如砂粒和卵石浓度，水流速度等)、允许的磨损量、材料磨损率来决定。

下面说明根据本发明生产该轴向辐流式水轮机的一种方法，参见图2-图5。

在轮冠和卡圈由未图示的夹具固定以致轮冠和卡圈分别向下和向上的条件下，如图2所示，许多片叶片4按规定间隔排列，且叶片4的两端通过焊接连接在轮冠2和卡圈3上，从而制成了轴向辐流式水轮机转子1，如图1所示。

轴向辐流式水轮机1具有Cr₃C₂-25％NiCr硬质涂层涂覆于每一叶片4部分表面上，如图2和图3所示，例如，水流流入和流出叶片4的前缘部分和尾缘部分。这就是说，Cr₃C₂-25％NiCr涂层涂覆于中央部分，预计在此处由砂粒和卵石碰撞会发生砂粒磨损，但是，也可在所有表面均涂上硬质涂层5。进一步，通过喷砂处理在准备涂覆的叶片4的前缘部分和尾缘部分的表面形成细的凹凸面，硬质涂层可粘着更强。

在涂覆一层硬质涂层后将轴向辐流式水轮机加热至约500℃大约10小时。通过这种热处理，可去除在焊接时产生的残余应力，从而防止由残余应力引起的转子1强度下降。进一步，Cr₃C₂-25％NiCr硬质涂层是通过热喷涂形成的，因此硬质涂层内存在细小缺陷和残余应力。根据本发明通过加热可使涂层内细小缺陷减少，Cr₃C₂-25％NiCr颗粒与NiCr之间的亲和力增加。结果是，硬质涂层5的硬度提高，其维氏硬度可达约1000。进一步，由于去除了硬质涂层内部的残余应力，硬质涂层抵抗颗粒碰撞的强度有所提高，与基体的亲和力也提高了。

通过提高硬质涂层硬度和去除残余应力，Cr₃C₂-25％NiCr硬质涂层的对于含有砂粒和卵石的水的抗磨损能力有所提高，并且轴向辐流式水轮机的寿命有了显著提高。

图6所示为通过热喷涂形成的WC-27％NiCr硬质涂层5强度的测量结果随热处理变化的实例。试验件为厚度为3mm的80mm×10mm的SUS 403金属片，将金属片通过高速氧燃料喷涂(HVOF)涂覆上一层硬质涂层5，然后加热至400℃。图6显示了硬质涂层强度随加热时间变化的测量结果，该测量是通过三点弯曲试验完成的。在图6中横坐标代表加热时间，纵坐标代表强度(它是由硬质涂层断裂，压力载荷突然降低那点的载荷计算而来的断裂应力值)。

通过加热5个小时，强度有所下降，我们认为表面看来强度低于未处理硬质涂层是因为去除了被认为是压力的残余应力。在为拉伸的三点弯曲试验中，残余应力可提高强度。然而没有必要在其他情况下将其用于提高强度，它有较大的负作用，例如如前所述的降低抗冲击或碰撞能力。当加热时间达20小时时，强度将高于未经热处理的试件，置于热处理下20小时的与未经热处理的涂层具有同样强度的涂层，不仅无残余应力而且具有高强度，因此，在转子应用条件下该涂层具有比未经热处理的涂层高的强度。

图7为经热喷涂而形成的WC-27％NiCr硬质涂层置于热处理下测得的硬度变化结果。试验件为50mm×50mm的SUS 403金属片，厚度5mm，其一侧硬质涂层厚约0.2mm，是通过高速氧燃料喷涂涂覆的。将每个试件加热至500℃，在涂层的一个部分，根据加热时间，使用一台显微维氏硬度仪测得WC-27％NiCr涂层硬度的变化。横坐标是对数轴代表加热时间，纵坐标代表维氏硬度。图7中的小圆圈O代表大约20个点维氏硬度的平均值，该硬度在300克载荷下测得，且垂直线段的长度代表最大值与最小值。如图7所示，经约5小时的热处理后维氏硬度达到约1100且变为常数，因此，当硬质涂层5加热至500℃时，需要加热5小时或更长时间。

在本实施方案中，热处理条件为加热至500℃约10个小时，但是在本发明中，热处理条件是不局限于此。成份为Cr₃C₂-25％NiCr，Cr₃C₂ 20～50％NiCr，WC-20～50％NiCr，WC-10～30％Co，TiC-40～60％NiCr，Cr₂O₃-1～10％NiCr，或Al₂O₃-1～10％NiCr的涂层的热膨胀率低于金属材料，因此，由于涂层与基体热膨胀率不同而产生应力。考虑到上述涂层的热膨胀率和用于制造转子的不锈钢热膨胀率，在加热时涂层不发生断裂的温度极限约为700℃。但是，考虑到热处理炉内部的温度分布情况，实际上限为650℃。

根据各种研究，通过加热至350℃或更高对于诸如焊接时的残余应力的去除，硬质涂层硬度的提高，残余应力的去除等可造成有效影响。但是，温度越低，加热时间越长，工业上，实际温度范围为400℃或更高。进一步，由于加热时间应足以去除残余应力，所以所需加热时间应用1小时或更长时间。

进一步，本实施方案中，应用高速氧燃料喷涂作为热喷涂，但是，本发明中，热喷涂不仅限于高速氧燃料喷涂、还可使用爆炸喷涂、等离子喷涂、低压喷涂。然而，由于涂层是用于水中，这就要求涂层缺陷很少，具体地说，对于本发明来说，高速氧燃料喷涂和低压喷涂更合要求。

图8所示为一个轴向辐流式水轮机生产过程的实例，这是本发明的另一实施方案。图8与图5不同之处在于图8为通过喷砂在每个轮冠2、卡圈3和叶片4表面形成了细的凹凸面，通过高速氧燃料喷涂在凹凸表面上形成Cr₃C₂-25％NiCr等硬质涂层。然而，在涂覆过程中，轮冠2、卡圈3和叶片4的焊接部分通过盖上屏蔽金属片、加封蜡等方法不予涂覆。

在朝下放置的轮冠2与朝上放置的卡圈3由未图示的夹具固定的条件下(如图2所示)，涂覆有硬质涂层5的许多叶片4按规定间隔安排在轮冠2和卡圈3之间，且每片叶片4的两端与轮冠2及卡圈3焊接为一体制成转子(如图1所示)。

按照图8的生产方法，Cr₃C₂-25％NiCr硬质涂层5可涂覆于转子所需涂覆的所有表面。

涂覆之后，将转子1加热至500℃约10个小时。在焊接时形成的残余应力的去除，涂层硬度的提高和残余应力的去除原理与上述原理相同。然后，按照与图5相同的生产过程，制成了高硬度转子1。

在此种生产方法中，由于是在轮冠2、卡圈3和叶片4为单独部件时，将其表面的一部分通过热喷涂涂覆上一层含有陶瓷和金属的硬质涂层，因此，喷涂处理较容易，加工时间缩短，热喷涂粉末的生产率提高且生产效率提高。

进一步，轮冠2、卡圈3和叶片4通过焊接连接成一个转子，然后在热处理之后，将其未涂覆Cr₃C₂-25％NiCr涂层的焊接部分涂覆上Cr₃C₂-25％NiCr或树脂，因此使其可靠性提高。

进一步，在轮冠2、卡圈3和叶片4每个部件的细密的凹凸表面上形成一层硬质涂层5之后，将许多叶片4安排在轮冠2和卡圈3之间的圆周部分，将叶片4，轮冠2和卡圈3焊接为一个转子1，然后加热转子1以去除残余应力。按照此种生产方法，可获得如下效果：

当喷涂设备在轮冠2、卡圈3和叶片4每个部件的凹凸表面喷上一层硬质涂层5时，只需尺寸很小的喷涂设备和很小的喷涂空间，因此生产是十分经济的。每一单独部件与转子的不同之处在于其重量轻，易于移动，可在每个单独部件的任一精确部位形成一层均匀厚度的硬质涂层，因此磨损易于均匀，容易估计每一部件的寿命，易于有效地进行维护和修理。

所说明的本发明的实施方案是关于轴向辐流式水轮机的，但是，本发明也可应用其他水压机转子，例如冲击式水轮机、可移动叶片水轮机等。

根据本发明的水压机转子具有卓越的抗磨损及抗腐蚀性能，因此，即使将其应用于工作水流中含有如砂粒、卵石等固体颗粒的条件下时，也几乎不会发生砂粒磨损，气蚀腐蚀，和砂粒磨损与气蚀腐蚀的综合损坏。这就是说，不会产生归因于磨损、损坏的性能降低，并且与传统转子相比，转子寿命显著提高。

进一步，由于硬质涂层是通过喷涂设备在每一部件凹凸表面上形成的，所以，只需尺寸较小的喷涂设备即可，并且不需要特殊的喷涂空间，这样很经济。单独部件不同于转子，其重量较轻，易于移动，可在单独部件的任一精确部位形成均匀厚度的硬质涂层，因此磨损易于均匀，单独部件的寿命易于估计，易于维护与修理。

Claims

1.一种水压机转子，其特征是上述转子表面至少一部分涂覆有维氏硬度为1000或更高的硬质涂层。

2.一种根据权利要求1的水压机转子，其中所述的硬质涂层包括至少一种选自碳化铬、碳化钨、碳化钛、氧化铬和氧化铝的陶瓷材料以及至少一种选自Ni、Cr和Co的金属元素。

3.一种根据权利要求1的水压机转子，其中在每个上述叶片的前缘部分和尾缘部分涂覆硬质涂层。

4.一种根据权利要求2的水压机转子，其中在每个上述叶片的前缘部分和尾缘部分涂覆硬质涂层。

5.一种根据权利要求2的水压机转子，其中所述的硬质涂层包括由热喷涂而形成的陶瓷和金属。

6.一种根据权利要求3的水压机转子，其中所述硬质涂层包括由热喷涂而形成的陶瓷和金属。

7.一种根据权利要求4的水压机转子，其中所述硬质涂层包括由热喷涂而形成的陶瓷材料和金属。

8.一种水压机转子的生产方法，其特征为：

在轮冠、卡圈或卡箍、叶片的至少一部分上涂覆硬质涂层材料，该材料包括陶瓷材料和金属，然后将各个部件焊接成为转子；或者先将每一部件焊接在一起制成转子，然后在每一部件表面至少一部分涂覆上述涂层；以及

将上述转子置于350℃～650℃温度范围下进行加热1小时或更长时间。

9.一种根据权利要求8的水压机转子的生产方法，其中所述硬质涂层包括至少一种选自碳化铬、碳化钨、碳化钛、氧化铬和氧化铝的陶瓷材料以及至少一种选自Ni、Cr和Co的金属元素。

10.一种根据权利要求8的水压机转子的生产方法，其中在每个上述叶片的前缘部分和尾缘部分涂覆硬质涂层。

11.一种根据权利要求9的水压机转子的生产方法，其中在每个上述叶片的前缘部分和尾缘部分涂覆硬质涂层。

12.一种根据权利要求9的水压机转子的生产方法，其中所述硬质涂层包括通过热喷涂而形成的陶瓷材料和金属。

13.一种根据权利要求10的水压机转子的生产方法，其中所述硬质涂层包括由热喷涂而形成的陶瓷材料和金属。

14.一种根据权利要求11的水压机转子的生产方法，其中所述硬质涂层包括由热喷涂而形成的陶瓷材料和金属。

15.一种水压机转子的生产方法，包括下述步骤：

在每个轮冠、卡圈和叶片的表面上涂覆硬质涂层，其中每个表面上形成有细密的凹凸面；

将叶片沿圆周排列在轮冠与卡圈之间并将叶片、轮冠、卡圈焊接起来形成转子；并加热转子以减少残余应力。