CN114411143A - 一种修补和防护冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种修补和防护冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法，主要采用的技术方案为:S1、用第一激光束辐照所述冲击式水轮机喷嘴基体表面；S2、采用同步法将第一熔覆粉沫送至第一激光束辐照区域的所述冲击式水轮机喷嘴基体表面上，并用第一激光束辐照第一熔覆粉沫，使第一熔覆粉沫和所述冲击式水轮机喷嘴基体表面同时融化形成第一熔覆熔体；S3、冷却第一熔覆熔体，使其凝固形成修补防护熔覆层。
Description
技术领域
本发明涉及涂料技术领域，特别是涉及一种修补和防护冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法。
背景技术
目前随着国内各大流域的开发，出现了越来越多的冲击式水轮机组。冲击式水轮机结构简单，机组安装高程不受空蚀条件的限制，因而在国内外高水头电站中得到了较为普遍的应用。这种类型的水轮机内的水流流动特点为无压流动，转轮外周叶片部分进水，恒压水流(近似为大气压)由喷嘴以射流形式冲击叶片，其结构特点为转轮叶片呈水斗状，有喷嘴，无尾水管。由于运行控制、泥沙含量等的影响，70％以上的冲击式机组存在空蚀和泥沙磨损现象，尤其是黄河及其支流上的冲击式机组，水斗及喷嘴的空蚀及磨损及其严重，有的更是每个运行周期都需要修补或更换这些部件，严重的甚至影响到了正常发电。
目前水电站对于喷嘴空蚀和泥沙磨损的处理方法是：由于现场操作条件有限，小面积的缺陷则直接采用不锈钢焊材补焊，但补焊所用焊材均为奥氏体不锈钢，比起原来的马氏体不锈钢硬度更低，耐空蚀和泥沙磨损性能更差，在运行过程中也更容易损坏，有的甚至都不能坚持到一个运行周期，为了改善这种情况，对于损伤严重的则直接更换，造成了极大的浪费的同时并未从根本上解决问题。
为了改善这种情况，目前最多的防护方法是超音速喷涂WC金属陶瓷涂层，这种涂层虽然对磨损具有一定的抵抗作用，但对空蚀损伤无明显保护效果，且由于其与基体为机械结合，结合强度低，在运行过程中容易脱落，同时目前尚无手段对其孔隙率和厚度进行测量，喷涂质量无法统一和得到保障，且费用极高。
超音速火焰喷涂WC金属陶瓷涂层的原理为：由小孔进入燃烧室的燃料与氧气混合后点燃，燃烧放出的热能使气体剧烈膨胀，此膨胀气体流经Laval喷嘴时受喷嘴的约束形成超音速高温焰流。此焰流将喷涂粉末材料加热加速并喷至基体表面，形成高质量涂层的方法。其特点是焰流速度通常高达音速的5倍，喷涂粉末的速度达到2000米/秒，涂层致密度相对普通喷涂更加致密，其孔隙率可以小于百分之一，在好的情况下与基体的结合强度可大于70MPa。喷涂过程中发生氧化的程度很低，有效的减少了碳的损失，使得涂层硬度较高。但是采用超音速火焰喷WC金属陶瓷体层的方法进行冲击式机组喷嘴空蚀和泥沙磨蚀的作用并不大，首先这种方法只是金属粉末喷涂在基体表面，粉末没有融化，因此颗粒之间的结合不存在化学键，结合力很差，同时涂层和基体的也是机械结合，结合力很弱，且存在很多缺陷，如孔隙等，在运行过程中涂层一旦受到较大的冲击，如运行时水流中的较大的石块，由于喷嘴处的压力较大，其对涂层的冲击力就会很大，涂层就容易破裂和掉块。其次，超音速火焰喷涂对基体表面制备要求很高，对于空蚀和泥沙磨损的喷嘴必须先经过补焊修复，修型和打磨光滑之后才能进行喷涂，基体表面粗糙度对喷涂质量的影响很大。另外，涂层质量目前尚无有效的检测方法，喷涂之后无法确定涂层厚度和排除涂层中的缺陷。最后，由于涂层受冲击后容易掉块，掉块后必须将整个涂层清楚干净后才能重新喷涂，而由于金属陶瓷硬度太高，如何将基体上的涂层清楚干净也是目前的一个亟待解决的难题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种修补和防护冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法，主要目的在于提供一种能够对冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损处进行直接修复，并在冲击式水轮机喷嘴表面熔覆一层与喷嘴基体呈冶金结合的防护层，对空蚀和泥沙磨损都有很好的防护作用，从根本上解决喷嘴已损坏问题，保证冲击式水轮机长期安全稳定运行。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
一方面，本发明的实施例提供一种修补和防护冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法。其包括：
S1、用第一激光束辐照所述冲击式水轮机喷嘴基体表面；
S2、采用同步法将第一熔覆粉沫送至第一激光束辐照区域的所述冲击式水轮机喷嘴基体表面上，并用第一激光束辐照第一熔覆粉沫，使第一熔覆粉沫和所述冲击式水轮机喷嘴基体表面同时融化形成第一熔覆熔体；
S3、冷却第一熔覆熔体，使其凝固形成修补防护熔覆层。
如前所述的，所述第一熔覆粉沫采用金属化合物-金属陶瓷复合材料。
如前所述的，所述第一熔覆粉沫采用碳化钨-金属陶瓷复合材料。
如前所述的，所述第一激光束采用高能量激光束。
如前所述的，所述第一激光束采用CO2激光束。
如前所述的，还包括：
采用预置法修补冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的小面积损伤的方法，其包括如下步骤：
SⅠ、预先在所述冲击式水轮机喷嘴损伤部位放置一层第二熔覆粉沫；
SⅡ、用第二激光束辐照第二熔覆粉沫，使第二熔覆粉沫和所述喷嘴基体表面同时融化形成第二熔覆熔体；
SⅢ、冷却第二熔覆熔体，使其凝固形成修补熔覆层。
如前所述的，所述第二熔覆粉沫为金属陶瓷复合材料。
如前所述的，所述第二激光束采用CO2激光束。
借由上述技术方案，本发明(名称)至少具有下列优点：
1.本发明的修补和防护冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法采用激光熔覆对冲击式水轮机喷嘴的修补和防护层制备工艺简单，熔覆材料的利用率高，可控性好，易于把握熔覆层厚度，几乎没有缺陷，同时熔覆过程中基体表面一薄层熔化，热影响区极小对喷嘴基体的性能无影响，且不会引起喷嘴变形，并采用同步法将金属化合物-金属陶瓷复合材料的熔覆粉沫在喷嘴基体表面熔覆一层与喷嘴基体冶金结合成具有极高强度和硬度的金属陶瓷修补防护熔覆层，不会出现熔覆层脱落的现象，修补防护熔覆层组织为原子间的金属键结合，同时生成的晶粒达到纳米级别，具有细晶强化作用，更加强了喷嘴的耐空蚀和耐泥沙磨损性能。
2.本发明的修补和防护冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法可以采用无损检测手段对修补防护熔覆层进行探伤，熔覆层存在缺陷或发生损伤后可以直接采用预置法进行修补。
3.本发明的修补和方便冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法对空蚀和泥沙磨损有很好的防护效果，能够有效的延长冲击式水轮机喷嘴的使寿命，降低机组因喷嘴损坏而不得不进行的检修的频次，减少材料浪费和人力物力投入。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明修补和防护冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法的过程图；
图2是本发明修补冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的小面积损伤的方法的过程图。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1所示，本发明的实施例提供一种修补和防护冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法。其包括：
S1、用第一激光束1辐照所述冲击式水轮机喷嘴2基体表面；
S2、采用同步法将第一熔覆粉沫3送至第一激光束1辐照区域的所述冲击式水轮机喷嘴2基体表面上，并用第一激光束1辐照第一熔覆粉沫3，在高能量激光束的作用下，使第一熔覆粉沫3和所述冲击式水轮机喷嘴2基体表面同时融化形成第一熔覆熔体4；
S3、移走第一激光束3，冷却第一熔覆熔体4，使其凝固形成修补防护熔覆层。
在本发明实施例中，第一熔覆粉沫3采用金属化合物-金属陶瓷复合材料，例如可以采用碳化钨-金属陶瓷复合材料，还可以采用二硼化锆-金属陶瓷复合材料，或者其他具有高强度高耐磨性的金属化合物-金属陶瓷复合材料，具体的本发明实施例对此不进行限制。第一激光束1采用高能量激光束，具体的，第一激光束1可以采用CO2激光束，CO2激光器最大连续输出功率可达几十万瓦，是目前输出功率达到最高级区的激光器之一，因此选择其作为冲击式水轮机喷嘴修复和防护层制备具有明显优势。激光熔覆是指以不同填料方式在被涂覆基体的表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照后使之和基体表面的一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度非常低并与基体材料成冶金结合的表面熔覆层，从而显著地改善基体材料表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性、抗氧化性及电器特性等的工艺方法。本发明实施例采用CO2激光熔覆对冲击式水轮机喷嘴的修补和防护层制备的优点是工艺简单，熔覆材料的利用率高，可控性好，易于把握熔覆层厚度，几乎没有缺陷，同时熔覆过程中基体表面一薄层熔化，热影响区极小对喷嘴基体的性能无影响，且不会引起喷嘴变形，并且采用同步法将金属化合物-金属陶瓷复合材料的熔覆粉沫在喷嘴基体表面熔覆一层与喷嘴基体冶金结合成具有极高强度和硬度的金属陶瓷熔覆层，不会出现熔覆层脱落的现象，熔覆层组织为原子间的金属键结合，同时生成的晶粒达到纳米级别，具有细晶强化作用，更加强了喷嘴的耐空蚀和耐泥沙磨损性能。
本发明的实施例采用激光熔覆的方法使用耐磨金属化合物-金属陶瓷复合材料对冲击式水轮机喷嘴损伤部位进行修补和在冲击式水轮机喷嘴基体表面制备高耐磨熔覆层，金属化合物-金属陶瓷熔覆粉沫与喷嘴基体形成良好的冶金结合，运行过程中不会出现脱落现象，而且激光熔覆可以生成纳米级的晶粒，在金属化合物-金属陶瓷复合材料本身强度极高的基础上叠加了细晶强化，能够有效抵抗空蚀和泥沙磨损，保护喷嘴不受损伤，有效延长喷嘴的使用寿命。
进一步的，如图2所示，本发明实施例还提供一种采用预置法修补冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的小面积损伤的方法，其包括如下步骤
SⅠ、采用预置法预先在所述冲击式水轮机喷嘴2损伤部位放置一层第二熔覆粉沫；
SⅡ、用第二激光束5辐照第二熔覆粉沫，使第二熔覆粉沫和所述喷嘴2基体表面同时融化形成第二熔覆熔体6，其中，第二熔覆粉沫采用金属陶瓷复合材料，第二激光束5采用CO2激光束；
SⅢ、移走第二激光束5，冷却第二熔覆熔体6，使其凝固形成修补熔覆层，达到对冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的小面积损伤的修补。
本发明的修补和防护冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法可以采用无损检测手段对熔覆层进行探伤，熔覆层存在缺陷或发生损伤后可以直接采用预置法修补冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的小面积损伤。
本发明的修补和方便冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法对空蚀和泥沙磨损有很好的防护效果，能够有效的延长冲击式水轮机喷嘴的使寿命，降低机组因喷嘴损坏而不得不进行的检修的频次，减少材料浪费和人力物力投入。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种修补和防护冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、用第一激光束辐照所述冲击式水轮机喷嘴基体表面；
S2、采用同步法将第一熔覆粉沫送至第一激光束辐照区域的所述冲击式水轮机喷嘴基体表面上，并用第一激光束辐照第一熔覆粉沫，使第一熔覆粉沫和所述冲击式水轮机喷嘴基体表面同时融化形成第一熔覆熔体；
S3、冷却第一熔覆熔体，使其凝固形成修补防护熔覆层。
2.根据权利要求1所述的修补和防护冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法，其特征在于，
所述第一熔覆粉沫采用金属化合物-金属陶瓷复合材料。
3.根据权利要求2所述的修补和防护冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法，其特征在于，
所述第一熔覆粉沫采用碳化钨-金属陶瓷复合材料。
4.根据权利要求1所述的修补和防护冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法，其特征在在于，
所述第一激光束采用高能量激光束。
5.根据权利要求4所述的修和防护冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法，其特征在于，
所述第一激光束采用CO2激光束。
6.根据权利要求1所述的修补和防护冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法，其特征在于，还包括：
采用预置法修补冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的小面积损伤的方法，其包括如下步骤：
SⅠ、预先在所述冲击式水轮机喷嘴损伤部位放置一层第二熔覆粉沫；
SⅡ、用第二激光束辐照第二熔覆粉沫，使第二熔覆粉沫和所述冲击式水轮机喷嘴基体表面同时融化形成第二熔覆熔体；
SⅢ、冷却第二熔覆熔体，使其凝固形成修补熔覆层。
7.根据权利要求6所述的修补和防护冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法，其特征在于，
所述第二熔覆粉沫为金属陶瓷复合材料。
8.根据权利要求6所述的修补和防护冲击式水轮机喷嘴空蚀和泥沙磨损的方法，其特征在于，
所述第二激光束采用CO2激光束。
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