CN117983515A - 一种水轮机叶片表面长效抗蚀多层涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水轮机叶片表面长效抗蚀多层涂层及其制备方法，具体为：配制喷涂的粉末颗粒、HVOF制备抗冲蚀涂层、复合抗空蚀涂层、交替喷涂得到长效抗蚀多层涂层；该多层涂层由交替喷涂在叶片基材上的抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层组成，利用交替暴露且层厚合适的抗空蚀涂层和抗冲蚀涂层来针对性抵抗非汛期的空蚀破坏和汛期的冲蚀破坏，降低涂层整体磨蚀速率，延长叶片的服役寿命，同时，通过改变抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层的层数来调控叶片的服役年限，也有助于预测水轮机的大修周期，减少勘探工作量，在水力机械表面防护领域具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于水力机械表面防护领域，具体涉及一种水轮机叶片表面长效抗蚀多层涂层及其制备方法。
背景技术
黄河以泥沙多而闻名于世，其多年(1919年至2020年)平均输沙量达11.1亿吨，平均含沙量30.5kg/m3，含沙量居世界之冠。长江流域由于水土流失，水中含沙量也比较严重，含沙量同样位居世界前列。同时，黄河和长江中泥沙的年内分布时间不均匀，具有丰、枯相间的周期性变化，水沙量主要集中在汛期。比如，青铜峡水电站所在的黄河上游末端多年平均含沙量9.83kg/m3，最大含沙量431.35kg/m3，来沙量主要集中在每年7、8月份。当水电站的水轮机长期在黄河或长江中运行时，其过流部件(如叶片)极易产生严重的腐蚀。其主要包括泥沙冲蚀和空化气蚀，它会破坏水轮机叶片的金属表面，缩短叶片的使用寿命，导致水轮机效率降低、产生振动和噪声并影响运行的安全稳定性。目前，解决水轮机叶片的磨蚀问题主要有两种途径：第一种，采用超音速火焰喷涂(HOVF)、激光熔覆等技术在叶片表面制备硬质无机涂层。第二种，采用涂覆、浇灌等技术在叶片表面制备有机涂层，如复合树脂砂浆和聚氨酯等。但有机涂层的硬度低、与基材结合强度弱、抗冲蚀性能差，服役寿命短，难以为叶片提供长期防护。无机涂层虽然具有高强、耐磨、高结合强度等优异性能，但通常难以兼具抗空蚀和抗冲蚀能力，比如WC涂层、Fe基非晶涂层(SAM2X5)等对泥沙冲蚀有良好的防护效果，但对空蚀防护不佳；不锈钢(如ZG04Cr16Ni5Mo)基涂层则恰恰相反。这导致普通无机涂层也不能大幅延长水轮机叶片的服役寿命。
设计合适的防护涂层来提高水轮机叶片抗蚀(抗冲蚀-空蚀)效果、延长叶片服役寿命是当前的研究热点。而抗蚀涂层的设计需要考虑实际的水质环境。一般来说，分布在长江和黄河流域中上游的水电站在汛期(每年的6-10月，约3672h)真机过沙量占据全年输沙量的95％以上，因此每年汛期是水轮机叶片泥沙冲蚀的主要发生期。而每年非汛期(约5088h)的泥沙冲蚀可近似忽略，以空化气蚀为主。根据泥沙冲蚀和空化气蚀在每年的主要发生时长，将防冲蚀材料和防空蚀材料交替层层组合，形成每层厚度合适的片层状抗蚀无机多层涂层，以针对性抵抗每年汛期的冲蚀破坏和非汛期的空蚀破坏，对降低整体磨蚀速率、提高水轮机叶片的服役寿命和预测水轮机大修周期具有实际意义。
张磊等人(张磊,张凯,霍嘉翔等.喷涂距离对内孔HVOF喷涂纳米WC-10Co4Cr涂层组织及抗泥沙冲蚀性能的影响[J].稀有金属与硬质合金,2023,51(05):36-43.)利用内孔氧-丙烷超音速火焰喷涂技术在ZG0Cr13Ni5Mo不锈钢基材表面制备纳米WC-10Co4Cr涂层，涂层强度优良，抗泥沙冲蚀性能是基材的7～8倍。但涂层韧性相对较差，抗空蚀性能有待提高，在泥沙冲蚀和空化气蚀交替作用下，难以大幅度提高叶片的使用寿命。
中国专利《一种高抗冲蚀-空蚀-腐蚀涂层》(申请号：202211041989.1，申请公布号：CN 115386871 A，公布日：2022.11.25)将Fe90、Ti粉和Cr3C2通过激光熔覆技术形成兼具高抗冲蚀-空蚀-腐蚀效果的涂层，其能提高水力机械过流部件的使用寿命。但该涂层硬度较差，在泥沙冲刷下涂层基体仍会产生较严重磨损，同时硬质增强相颗粒容易随着涂层基体的磨损而脱落，加剧涂层破坏，因此难以保证长期的防护效果。
中国专利《一种高熵合金/陶瓷复合抗空蚀抗磨蚀涂层及其制备方法》(申请号：202211451667.4，申请公布号：CN 115772639 A，公布日：2023.03.10)通过大气超音速喷涂制备了一种高熵合金/陶瓷复合抗空蚀抗磨蚀涂层，涂层抗空蚀性能是基体的4～8倍，抗冲蚀性能是基体的12～14.5倍，可以有效解决水轮机过流部件的空蚀、冲蚀问题。但该涂层在抗空蚀性和抗冲蚀性之间存在折衷，难以针对汛期和非汛期来灵活调整抗蚀性能，同时也不易预测水轮机大修周期。此外，涂层抗空蚀性相对较弱，不利于水轮机叶片服役寿命的延长。
中国专利《水轮机过流部件改性聚氨酯涂层和制备方法》(申请号：202310084418.4，申请公布号：CN 116239946A，公布日：2023.06.09)公开了一种水轮机过流部件改性聚氨酯涂层，该涂层由二异氰酸酯、聚醚多元醇、扩链剂、丙二醇甲醚乙酸酯、端羟基聚硅氧烷和笼型聚倍半硅氧烷改性纳米陶瓷颗粒构成，可以提高水轮机过流部件的抗空蚀和抗磨蚀性能。但由于聚氨酯高分子类涂层的抗划伤性能和抗冲蚀性能不佳，且涂层与基体的粘结力弱，在服役过程中易脱落失效，导致涂层防护效果难以保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种水轮机叶片表面长效抗蚀多层涂层及制备方法，以解决现有水轮机叶片难以抵抗汛期冲蚀和非汛期空蚀的交替破坏、服役寿命短的问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种水轮机叶片表面长效抗蚀多层涂层的制备方法，具体按以下步骤实施：
步骤1，配制喷涂的粉末颗粒：
将SAM2X5非晶合金粉末在烘箱中干燥，得到用于喷涂的合金粉末；将ZG04Cr16Ni5Mo不锈钢粉末和WC陶瓷粉末按比例球磨混合，干燥后得到不锈钢/陶瓷粉末；
步骤2，HVOF制备抗冲蚀涂层：
将步骤1获得的合金粉末装入HVOF设备，调节超音速火焰喷涂参数，在预处理的叶片表面喷涂抗冲蚀涂层；
步骤3，HVOF复合抗空蚀涂层：
将步骤2得到的含有抗冲蚀涂层的叶片放置在装载不锈钢/陶瓷粉末的HVOF设备下，超音速火焰喷涂复合抗空蚀涂层，得到无机双层抗蚀涂层；
步骤4，交替喷涂制备抗蚀多层涂层：
按照步骤2和步骤3的操作在无机双层抗蚀涂层上逐层交替喷涂抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层，得到长效抗蚀多层涂层。
进一步地，所述步骤1中SAM2X5非晶合金粉末为不含有机粘结剂的、粒度为25～35μm的Fe49.7Cr17.7Mn1.9Mo7.4W1.6B15.2C3.8Si2.4铁基非晶合金粉末；ZG04Cr16Ni5Mo不锈钢粉末与WC陶瓷粉末的质量百分比分别为75％～76％和24％～25％，两者总和为100％，ZG04Cr16Ni5Mo不锈钢粉末由以下质量分数的粉末组成：C粉：0.053～0.065％，Cr粉：15.17～15.93％，Ni粉：4.82～5.91％，Mo粉：0.87～1.03％，Mn粉：0.45～0.88％，Si粉：0.35～0.529％，Cu粉：0.03～0.04％，P粉：0.005～0.016％，S粉：0.002～0.005％，Fe粉：75.595～78.25％，以上组分总和为100％，ZG04Cr16Ni5Mo不锈钢粉末的粒径为5～50μm；WC陶瓷粉末粒径为5～25μm，球磨转速为200～300r/min，球磨时间为1～2h，球料质量比为2：1，SAM2X5非晶合金粉末在烘箱中干燥温度为100～120℃，干燥时间为2～4h，ZG04Cr16Ni5Mo不锈钢粉末和WC陶瓷粉末球磨混合后的干燥温度为100～120℃，干燥时间为2～4h。
进一步地，所述步骤2中，HVOF设备以煤油为燃料，煤油流量为20.8～29.7L/h；以氧气为助燃气体，氧气流量为830～940L/min；以氮气作为送粉气体，氮气流量为11.5～14.0L/min；送粉速率为48～60g/min，喷涂距离为350～380mm，喷枪扫描速度为375～500mm/s。
进一步地，所述步骤2中叶片的预处理包括表面去污除油和喷砂粗化处理。
进一步地，所述步骤3中，HVOF设备以煤油为燃料，煤油流量为40.0～42.5L/min，以氧气为助燃气体，氧气流量为237～252L/min，以氮气作为送粉气体，氮气流量为348～370L/min；送粉速率为39.5～42.0g/min，喷涂距离为250～260mm，喷枪扫描速度为250～260mm/s。
进一步地，所述步骤4中，抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层交替喷涂的次数为6～9次。
进一步地，每层抗冲蚀涂层的厚度为0.5～1mm，每层抗空蚀涂层的厚度为0.3～0.6mm。
由上述一种水轮机叶片表面长效抗蚀多层涂层的制备方法制备得到的长效抗蚀多层涂层，从内到外由交替喷涂在叶片基材上的抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层组成，其中，抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层各有7～10层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一种水轮机叶片表面长效抗蚀多层涂层的制备方法，在水轮机叶片表面喷涂一种结合强度高、片层状且层厚合适的长效抗蚀多层涂层，涂层最外侧的高韧抗空蚀涂层能在非汛期时针对性抵抗空化气蚀，等到了汛期，抗空蚀涂层被泥沙冲蚀去除，暴露出内侧高强耐磨的抗冲蚀涂层，其能实现对冲蚀破坏的有效防护。残留的抗冲蚀涂层会在下一轮非汛期的空蚀作用下被消耗，重新暴露出抗空蚀涂层来抵制空蚀破坏。交替暴露且层厚合适的抗空蚀涂层和抗冲蚀涂层能针对性抵抗非汛期的空蚀破坏和汛期的冲蚀破坏，从而降低涂层整体的磨蚀速率，为水轮机叶片提供有效防护，延长叶片的服役寿命。同时，一个抗空蚀涂层和一个抗冲蚀涂层的组合可以应对一年的磨蚀破坏，因此通过改变抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层的层数可以灵活调控水轮机叶片的服役年限，也有助于预测水轮机的大修周期，减少勘探工作量。此外，本发明的生产成本低，制备工艺可靠，叶片基材、抗空蚀涂层和抗冲蚀涂层的主要元素相近，界面结合紧密且牢固，涂层性能稳定。本发明制备的长效抗蚀多层涂层解决了现有水轮机叶片难以抵抗汛期冲蚀和非汛期空蚀的交替破坏、服役寿命短的问题，在水力机械表面防护领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明制备的水轮机叶片表面长效抗蚀多层涂层的示意图。
图中，1-水轮机叶片基材，2-抗冲蚀涂层，3-抗空蚀涂层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种水轮机叶片表面长效抗蚀多层涂层的制备方法，具体按以下步骤实施：
步骤1，配制喷涂的粉末颗粒：
将SAM2X5非晶合金粉末在100～120℃烘箱中干燥2～4h，得到用于喷涂的合金粉末；将ZG04Cr16Ni5Mo不锈钢粉末和WC陶瓷粉末按比例在200～300r/min转速下以2：1的球料质量比球磨混合1～2h，在100～120℃下干燥2～4h后得到不锈钢/陶瓷粉末。
步骤1中，SAM2X5合金粉末为不含有机粘结剂的、粒度为25～35μm的Fe49.7Cr17.7Mn1.9Mo7.4W1.6B15.2C3.8Si2.4铁基非晶合金粉末。ZG04Cr16Ni5Mo不锈钢粉末与WC陶瓷粉末的质量百分比分别为75％～76％和24％～25％，两者总和为100％。不锈钢粉末由以下质量分数的粉末组成：C粉：0.053～0.065％，Cr粉：15.17～15.93％，Ni粉：4.82～5.91％，Mo粉：0.87～1.03％，Mn粉：0.45～0.88％，Si粉：0.35～0.529％，Cu粉：0.03～0.04％，P粉：0.005～0.016％，S粉：0.002～0.005％，Fe粉：75.595～78.25％，以上组分总和为100％。不锈钢粉末粒径为5～50μm，WC陶瓷粉末粒径为5～25μm。
步骤2，HVOF制备抗冲蚀涂层：
将步骤1获得的SAM2X5合金粉末装入HVOF设备，调节超音速火焰喷涂参数，在去污除油和喷砂粗化预处理的叶片表面喷涂抗冲蚀涂层。
步骤2中，HVOF设备以煤油为燃料，煤油流量为20.8～29.7L/h；以氧气为助燃气体，氧气流量为830～940L/min；以氮气作为送粉气体，氮气流量为11.5～14.0L/min；送粉速率为48～60g/min，喷涂距离为350～380mm，喷枪扫描速度为375～500mm/s。
步骤3，HVOF复合抗空蚀涂层：
将步骤2得到的含有抗冲蚀涂层的叶片放置在装载不锈钢/陶瓷粉末的HVOF设备下，超音速火焰喷涂复合抗空蚀涂层，得到无机双层抗蚀涂层。
步骤3中，HVOF设备以煤油为燃料，煤油流量为40.0～42.5L/min；以氧气为助燃气体，氧气流量为237～252L/min；以氮气作为送粉气体，氮气流量为348～370L/min；送粉速率为39.5～42.0g/min，喷涂距离为250～260mm，喷枪扫描速度为250～260mm/s。
步骤4，交替喷涂制备抗蚀多层涂层：
按照步骤2和步骤3的操作在双层抗蚀涂层上逐层交替喷涂6～9次具有合适厚度的抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层，得到长效抗蚀多层涂层。
步骤4中，涂层从内到外由交替喷涂在水轮机叶片基材1上的抗冲蚀涂层2和抗空蚀涂层3组成，如图1所示，其中，抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层各有7～10层。每层抗冲蚀涂层的厚度为0.5～1mm，每层抗空蚀涂层的厚度为0.3～0.6mm。
本发明一种水轮机叶片表面长效抗蚀多层涂层及其制备方法，通过球磨混合和干燥处理配制出分散均匀、流动性好的喷涂粉末颗粒，实现改善送粉效果和提高超音速火焰喷涂效果的目的；通过控制喷涂粉末颗粒的组分含量和粒径、优选HVOF工艺参数，获得无缺陷、高韧的抗空蚀涂层和均匀致密、高强耐磨的抗冲蚀涂层，两者界面结合紧密且牢固，并能分别针对性抵抗非汛期的空蚀破坏和汛期的冲蚀破坏，延长叶片的服役寿命；通过改变抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层交替喷涂的次数，获得不同层数的抗蚀多层涂层，不仅能防止汛期冲蚀和非汛期空蚀的交替破坏，调控水轮机叶片的服役年限，还有助于预测水轮机的大修周期，减少勘探工作量。
本发明一种水轮机叶片表面长效抗蚀多层涂层的制备方法在水轮机叶片表面喷涂一种结合强度高、片层状且层厚合适的长效抗蚀多层涂层，涂层最外侧的高韧抗空蚀涂层能在非汛期时针对性抵抗空化气蚀，等到了汛期，抗空蚀涂层被泥沙冲蚀去除，暴露出内侧高强耐磨的抗冲蚀涂层，其能实现对冲蚀破坏的有效防护。残留的抗冲蚀涂层会在下一轮非汛期的空蚀作用下被消耗，重新暴露出抗空蚀涂层来抵制空蚀破坏。交替暴露且层厚合适的抗空蚀涂层和抗冲蚀涂层能针对性抵抗非汛期的空蚀破坏和汛期的冲蚀破坏，从而降低涂层整体的磨蚀速率，为水轮机叶片提供有效防护，延长叶片的服役寿命。同时，一个抗空蚀涂层和一个抗冲蚀涂层的组合可以应对一年的磨蚀破坏，因此通过改变抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层的层数可以灵活调控水轮机叶片的服役年限，也有助于预测水轮机的大修周期，减少勘探工作量。此外，本发明的生产成本低，制备工艺可靠，叶片基材、抗空蚀涂层和抗冲蚀涂层的主要元素相近，界面结合紧密且牢固，涂层性能稳定。本发明制备的长效抗蚀多层涂层解决了现有水轮机叶片难以抵抗汛期冲蚀和非汛期空蚀的交替破坏、服役寿命短的问题，在水力机械磨蚀防护领域具有广阔的应用前景。
实施例1
将2.5kg粒径为25～35μm的SAM2X5非晶合金粉末在100℃烘箱中干燥4h，得到用于喷涂的合金粉末；将0.00106kg C粉、0.3034kg Cr粉、0.0964kg Ni粉、0.0174kg Mo粉、0.009kg Mn粉、0.007kg Si粉、0.0006kg Cu粉、0.0001kg P粉、0.00004kg S粉和1.565kgFe粉(粒径5～50μm)以及0.6667kgWC陶瓷粉末(粒径5～25μm)在300r/min转速下以2：1的球料质量比球磨混合1h，在120℃下干燥2h后得到不锈钢/陶瓷粉末。
将合金粉末装入HVOF设备，调节煤油流量为20.8L/h、氧气流量为940L/min、氮气流量为11.5L/min、送粉速率为60g/min、喷涂距离为350mm、喷枪扫描速度为375mm/s，在去污除油和喷砂粗化预处理的叶片表面喷涂0.5mm厚的抗冲蚀涂层。
将含有抗冲蚀涂层的叶片放置在装载不锈钢/陶瓷粉末的HVOF设备下，调节煤油流量为40.0L/min、氧气流量为237L/min、氮气流量为348L/min、送粉速率为39.5g/min、喷涂距离为250mm、喷枪扫描速度为250mm/s，超音速火焰喷涂复合0.3mm厚的抗空蚀涂层，得到无机双层抗蚀涂层。
按照上述喷涂操作在双层抗蚀涂层上逐层交替喷涂9次具有不同厚度的抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层，得到长效抗蚀多层涂层。
实施例2
将2kg粒径为25～35μm的SAM2X5非晶合金粉末在120℃烘箱中干燥2h，得到用于喷涂的合金粉末；将0.0013kg C粉、0.3186kg Cr粉、0.1182kg Ni粉、0.0206kg Mo粉、0.0176kg Mn粉、0.01058kg Si粉、0.0008kg Cu粉、0.00032kg P粉、0.0001kg S粉和1.5119kg Fe(粒径5～50μm)以及0.6667kgWC陶瓷粉末(粒径5～25μm)在300r/min转速下以2：1的球料质量比球磨混合1h，在120℃下干燥2h后得到不锈钢/陶瓷粉末。
将合金粉末装入HVOF设备，调节煤油流量为29.7L/h、氧气流量为830L/min、氮气流量为14.0L/min、送粉速率为48g/min、喷涂距离为380mm、喷枪扫描速度为500mm/s，在去污除油和喷砂粗化预处理的叶片表面喷涂0.8mm厚的抗冲蚀涂层。
将含有抗冲蚀涂层的叶片放置在装载不锈钢/陶瓷粉末的HVOF设备下，调节煤油流量为41L/min、氧气流量为240L/min、氮气流量为352L/min、送粉速率为41.0g/min、喷涂距离为250mm、喷枪扫描速度为250mm/s，超音速火焰喷涂复合0.4mm厚的抗空蚀涂层，得到无机双层抗蚀涂层。
按照上述喷涂操作在双层抗蚀涂层上逐层交替喷涂6次具有不同厚度的抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层，得到长效抗蚀多层涂层。
实施例3
将2kg粒径为25～35μm的SAM2X5非晶合金粉末在110℃烘箱中干燥3h，得到用于喷涂的合金粉末；将0.0011kg C粉、0.3064kg Cr粉、0.0964kg Ni粉、0.0174kg Mo粉、0.0176kg Mn粉、0.007kg Si粉、0.0008kg Cu粉、0.0001kg P粉、0.00004kg S粉和1.55316kg Fe粉(粒径5～50μm)以及0.6316kgWC陶瓷粉末(粒径5～25μm)在300r/min转速下以2：1的球料质量比球磨混合2h，在110℃下干燥3h后得到不锈钢/陶瓷粉末。
将合金粉末装入HVOF设备，调节煤油流量为22.8L/h、氧气流量为873L/min、氮气流量为12.0L/min、送粉速率为50g/min、喷涂距离为380mm、喷枪扫描速度为400mm/s，在去污除油和喷砂粗化预处理的叶片表面喷涂1mm厚的抗冲蚀涂层。
将含有抗冲蚀涂层的叶片放置在装载不锈钢/陶瓷粉末的HVOF设备下，调节煤油流量为40.5L/min、氧气流量为240L/min、氮气流量为352L/min、送粉速率为40.0g/min、喷涂距离为250mm、喷枪扫描速度为250mm/s，超音速火焰喷涂复合0.6mm厚的抗空蚀涂层，得到无机双层抗蚀涂层。
按照上述喷涂操作在双层抗蚀涂层上逐层交替喷涂7次具有不同厚度的抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层，得到长效抗蚀多层涂层。
实施例4
将2kg粒径为25～35μm的SAM2X5非晶合金粉末在100℃烘箱中干燥4h，得到用于喷涂的合金粉末；将0.00106kg C粉、0.3186kg Cr粉、0.1082kg Ni粉、0.02kg Mo粉、0.009kgMn粉、0.0074kg Si粉、0.0006kg Cu粉、0.00032kg P粉、0.00004kg S粉和1.53478kg Fe粉(粒径5～50μm)以及0.6490kgWC陶瓷粉末(粒径5～25μm)在200r/min转速下以2：1的球料质量比球磨混合2h，在110℃下干燥2h后得到不锈钢/陶瓷粉末。
将合金粉末装入HVOF设备，调节煤油流量为23L/h、氧气流量为880L/min、氮气流量为12.0L/min、送粉速率为60g/min、喷涂距离为360mm、喷枪扫描速度为380mm/s，在去污除油和喷砂粗化预处理的叶片表面喷涂0.9mm厚的抗冲蚀涂层。
将含有抗冲蚀涂层的叶片放置在装载不锈钢/陶瓷粉末的HVOF设备下，调节煤油流量为41L/min、氧气流量为243L/min、氮气流量为356L/min、送粉速率为40.5g/min、喷涂距离为255mm、喷枪扫描速度为255mm/s，超音速火焰喷涂复合0.5mm厚的抗空蚀涂层，得到无机双层抗蚀涂层。
按照上述喷涂操作在双层抗蚀涂层上逐层交替喷涂8次具有不同厚度的抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层，得到长效抗蚀多层涂层。
实施例5
将2.5kg粒径为25～35μm的SAM2X5非晶合金粉末在120℃烘箱中干燥3h，得到用于喷涂的合金粉末；将0.0011kg C粉、0.3064kg Cr粉、0.0964kg Ni粉、0.0174kg Mo粉、0.0176kg Mn粉、0.007kg Si粉、0.0008kg Cu粉、0.0001kg P粉、0.00004kg S粉和1.55316kg Fe粉(粒径5～50μm)以及0.6490kgWC陶瓷粉末(粒径5～25μm)在200r/min转速下以2：1的球料质量比球磨混合1h，在100℃下干燥4h后得到不锈钢/陶瓷粉末。
将合金粉末装入HVOF设备，调节煤油流量为24.6L/h、氧气流量为920L/min、氮气流量为13.0L/min、送粉速率为55g/min、喷涂距离为370mm、喷枪扫描速度为420mm/s，在去污除油和喷砂粗化预处理的叶片表面喷涂0.8mm厚的抗冲蚀涂层。
将含有抗冲蚀涂层的叶片放置在装载不锈钢/陶瓷粉末的HVOF设备下，调节煤油流量为42.5L/min、氧气流量为252L/min、氮气流量为370L/min、送粉速率为42.0g/min、喷涂距离为260mm、喷枪扫描速度为260mm/s，超音速火焰喷涂复合0.5mm厚的抗空蚀涂层，得到无机双层抗蚀涂层。
按照上述喷涂操作在双层抗蚀涂层上逐层交替喷涂9次具有不同厚度的抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层，得到长效抗蚀多层涂层。
冲蚀和空蚀实验测试：将涂层试样分别在高速加沙射流冲磨仪和超声波材料气蚀试验机中进行抗冲蚀和抗空蚀性能测试，并使用表面形貌仪测量试样表面的磨蚀深度。冲蚀试验条件为：含沙量200kg/m3，流速30m/s，冲磨角度90°，冲磨时间36h；空蚀试验条件为：功率1200W，超声频率20KHz，超声时间72h。
表1是ZG04Cr16Ni5Mo不锈钢涂层、SAM2X5非晶涂层和本发明实施例1、实施例2制备的长效抗蚀多层涂层的性能对比。从表中可以看出，ZG04Cr16Ni5Mo不锈钢涂层硬度较低，只有356HV，空蚀深度达到0.39mm，在空蚀和冲蚀交替作用实验中总磨蚀深度达到1.04mm，表现出较差的抗蚀性能；SAM2X5非晶涂层硬度高、脆性大，韧性相对较差，抗空蚀效果有待提高。与上述涂层相比，本实施例1、2制备的涂层具有较高的硬度和优异的断裂韧性，其空蚀深度分别为ZG04Cr16Ni5Mo不锈钢涂层和SAM2X5非晶涂层的41～46％和32～36％，并且在空蚀和冲蚀的交替破坏下具有优异的防护效果，磨蚀总深度只有ZG04Cr16Ni5Mo不锈钢涂层和SAM2X5非晶涂层的38～46％和62～74％。
表1
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种水轮机叶片表面长效抗蚀多层涂层的制备方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：
步骤1，配制喷涂的粉末颗粒：
将SAM2X5非晶合金粉末在烘箱中干燥，得到用于喷涂的合金粉末；将ZG04Cr16Ni5Mo不锈钢粉末和WC陶瓷粉末按比例球磨混合，干燥后得到不锈钢/陶瓷粉末；
步骤2，HVOF制备抗冲蚀涂层：
将步骤1获得的合金粉末装入HVOF设备，调节超音速火焰喷涂参数，在预处理的叶片表面喷涂抗冲蚀涂层；
步骤3，HVOF复合抗空蚀涂层：
将步骤2得到的含有抗冲蚀涂层的叶片放置在装载不锈钢/陶瓷粉末的HVOF设备下，超音速火焰喷涂复合抗空蚀涂层，得到无机双层抗蚀涂层；
步骤4，交替喷涂制备抗蚀多层涂层：
按照步骤2和步骤3的操作在无机双层抗蚀涂层上逐层交替喷涂抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层，得到长效抗蚀多层涂层。
2.根据权利要求1所述的一种水轮机叶片表面长效抗蚀多层涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤1中SAM2X5非晶合金粉末为不含有机粘结剂的、粒度为25～35μm的Fe49.7Cr17.7Mn1.9Mo7.4W1.6B15.2C3.8Si2.4铁基非晶合金粉末；ZG04Cr16Ni5Mo不锈钢粉末与WC陶瓷粉末的质量百分比分别为75％～76％和24％～25％，两者总和为100％，ZG04Cr16Ni5Mo不锈钢粉末由以下质量分数的粉末组成：C粉：0.053～0.065％，Cr粉：15.17～15.93％，Ni粉：4.82～5.91％，Mo粉：0.87～1.03％，Mn粉：0.45～0.88％，Si粉：0.35～0.529％，Cu粉：0.03～0.04％，P粉：0.005～0.016％，S粉：0.002～0.005％，Fe粉：75.595～78.25％，以上组分总和为100％，ZG04Cr16Ni5Mo不锈钢粉末的粒径为5～50μm；WC陶瓷粉末粒径为5～25μm，球磨转速为200～300r/min，球磨时间为1～2h，球料质量比为2：1，SAM2X5非晶合金粉末在烘箱中干燥温度为100～120℃，干燥时间为2～4h，ZG04Cr16Ni5Mo不锈钢粉末和WC陶瓷粉末球磨混合后的干燥温度为100～120℃，干燥时间为2～4h。
3.根据权利要求1所述的一种水轮机叶片表面长效抗蚀多层涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，HVOF设备以煤油为燃料，煤油流量为20.8～29.7L/h；以氧气为助燃气体，氧气流量为830～940L/min；以氮气作为送粉气体，氮气流量为11.5～14.0L/min；送粉速率为48～60g/min，喷涂距离为350～380mm，喷枪扫描速度为375～500mm/s。
4.根据权利要求1所述的一种水轮机叶片表面长效抗蚀多层涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤2中叶片的预处理包括表面去污除油和喷砂粗化处理。
5.根据权利要求1所述的一种水轮机叶片表面长效抗蚀多层涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，HVOF设备以煤油为燃料，煤油流量为40.0～42.5L/min，以氧气为助燃气体，氧气流量为237～252L/min，以氮气作为送粉气体，氮气流量为348～370L/min；送粉速率为39.5～42.0g/min，喷涂距离为250～260mm，喷枪扫描速度为250～260mm/s。
6.根据权利要求1所述的一种水轮机叶片表面长效抗蚀多层涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层交替喷涂的次数为6～9次。
7.根据权利要求1所述的一种水轮机叶片表面长效抗蚀多层涂层的制备方法，其特征在于，每层抗冲蚀涂层的厚度为0.5～1mm，每层抗空蚀涂层的厚度为0.3～0.6mm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种水轮机叶片表面长效抗蚀多层涂层的制备方法制备得到的长效抗蚀多层涂层，其特征在于，从内到外由交替喷涂在叶片基材上的抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层组成，其中，抗冲蚀涂层和抗空蚀涂层各有7～10层。
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