CN103834893B - 一种用电火花沉积结合等离子熔覆增强金属水轮机转轮叶片表面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用电火花沉积结合等离子熔覆增强金属水轮机转轮叶片表面的方法，可有效解决水轮机转轮叶片的表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐冲击性等性能，延长金属水轮机转轮的使用寿命的问题，方法是，用非氧化性的等离子束流在把合金粉末熔覆在水轮机转轮叶片表面上，形成合金涂层，然后在等离子熔覆涂层的基础上再用电火花沉积WC陶瓷硬质合金，来形成电火花沉积结合等离子熔覆的复合涂层，本发明简单实用，形成的电火花沉积结合等离子熔覆复合涂层与基体结合牢固，涂层厚度大，叶片硬度高、致密性好、耐磨性能好，使用寿命长；复合涂层即发挥了铁镍合金粉末价格低廉、抗磨抗蚀性能好，硬度强度高、耐磨性优异。
Description
技术领域
本发明涉及水力发电机械，特别是一种用电火花沉积结合等离子熔覆增强金属水轮机转轮叶片表面的方法。
背景技术
水轮机是水力发电常用的重要设备，水力发电是电能的重要来源之一，特别是我国是世界上水力资源极为丰富的国家，水电已成为我国重点发展的可再生能源之一，水力可开发的电能力3.8亿kw，年发电量1.9万亿kw.h，相当于11亿吨原煤的发电量。我国河流特点之一是含沙量较大，年平均输沙量1000万t以上的河流有115条，直接入海泥沙总量达19.4亿t。长江及其支流以沙粒硬度高为特点，黄河则以含沙量大为特征，目前已经运行的100多座大中型水电站中，有严重泥沙磨损的约占40%，在黄河干支流上这一数值更是高达66.3%，黄河三门峡河段的年输沙量近16亿t，为世界之最，平均含沙量37.5kg/m3，均居各河流之首。据估计，我国有3000万～4000万kW装机容量的各类水轮机存在比较严重的泥沙磨蚀问题。它是影响水电厂(站)安全运行的重大问题之一，也会使检修周期延长，检修工作量增加，机组运行效率降低，检修成本提高，影响正常发电量。多泥沙河流上的水轮机运行时，往往泥沙磨损和空蚀同时存在(也有单独存在之处)，而且互相促进，破坏叠加，大大加速了水轮机过流部件金属表面的破坏进程，这种磨损和空蚀的联合作用，通常称为磨蚀破坏。虽然经过几代科技工作者和水电厂运行与检修人员的共同研究与实践，已经取得了减缓水轮机磨蚀破坏的不少综合治理成果，但综观全局，我国水轮机磨蚀问题还很严重，尚未取得突破性进展，许多问题还有待深入研究。
目前，制造水轮机转轮的材料代表性的有普通碳钢、低合金钢、普通不锈钢和高强度不锈钢。国内一般的水轮机转轮通常为铸钢、Cr5Cu合金钢、1Cr18Ni9Ti不锈钢、ZG0Cr13Ni5Mo不锈钢、0Cr13Ni5Mo不锈钢、ZG0Cr16Ni5Mo不锈钢、ZG0Cr13Ni4Mo不锈钢、00Cr13Ni4Mo等不锈钢等材料制成的。用于水轮机转轮表面硬化的方法有激光表面淬火、表面堆焊耐磨材料、表面热喷涂(包括氧乙炔喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂和超音速喷涂)耐磨耐热材料、电火花沉积、环氧金刚砂涂层、聚氨脂弹性涂层等。激光表面淬火硬化层薄且设备投资大、维护费用高；表面堆焊耐磨材料成本高、工作效率慢，而且也存在表面加工困难的问题；表面热喷涂前处理一般采用喷砂，有环境污染，涂层加工困难，涂层与基体之间的结合属于机械结合，涂层与基体结合强度不够，受到冲击的时候涂层易疲劳剥落；电火花沉积涂层与基体结合非常牢固，涂层强度和硬度也非常高，但是电火花沉积涂层非常薄，不容易弥补水轮机磨损严重的区域；环氧金刚砂涂层与基体结合也属于机械结合，在强气蚀区域容易脱落；聚氨脂弹性涂层与基体的结合也属于机械结合，聚氨脂弹性涂层的抗磨性能虽然较好，但机械强度较差，易于被划伤，一旦局部被划伤，相邻区域就会被撕裂。因此，如何更好的对水轮机转轮进行处理是本领域技术人员一直在研究解决的技术问题。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种用电火花沉积结合等离子熔覆增强金属水轮机转轮叶片表面的方法，对金属水轮机转轮叶片进行电火花沉积结合等离子熔覆处理，可有效解决水轮机转轮叶片的表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐冲击性等性能，延长金属水轮机转轮的使用寿命的问题。
本发明解决的技术方案是，用非氧化性的等离子束流在把合金粉末熔覆在水轮机转轮叶片表面上，形成合金涂层，然后在等离子熔覆涂层的基础上再用电火花沉积WC陶瓷硬质合金，来形成电火花沉积结合等离子熔覆的复合涂层，步骤是：
（1）、配制铁镍合金粉末，该合金粉末是由重量百分比计的：Ni30.5～32%、Cr26～30%、C1～2%、Mo3～4.5%、B1～1.8%、Si3.5～5%、W5.5～8%、余量为Fe的粉末，混合在一起组成；
（2）、采用等离子熔覆耐磨设备（公知常用设备，如青岛海纳等离子科技有限公司，或河南省煤科院耐磨技术有限公司）对水轮机转轮表面进行铁镍合金粉末层熔覆，熔覆输入电源电压：380V±10%，额定输入容量：30KVA，输出电压：75V，工作电压：10～30V，输出电流：300～600A，扫描速度：200～500mm/min，送粉器气流：0.65～0.75m3/h，离子气体流量：0.65～0.75m3/h，保护气体流量：0.65～0.75m3/h
（3）、开启等离子熔覆耐磨设备的工作台运行，使等离子炬移到水轮机转轮叶片熔覆部位上方，开启等离子炬保护气体氩气和电源起弧，进入等离子束熔覆过程，以步骤2中给出的工艺参数，按等离子熔覆耐磨设备的常规操作方法，在直流等离子束流的高温10000-16000℃下，将步骤1中配置好的铁镍合金粉末同步送入等离子炬的等离子束流中，水轮机转轮叶片表面快速依次形成与束流直径尺寸相近的熔池，粉末经快速加热，呈熔化或半熔化状态与熔池金属发生混合扩散反应，随着等离子束流的移动，合金熔池迅速凝固，形成与水轮机转轮叶片基体呈冶金结合的等离子熔覆合金涂层；
（4）、熔覆合金涂层后，关闭等离子炬电源和气源，对叶片表面熔覆后的等离子熔覆合金涂层进行磨削或抛光，再采用DZS-4000型电火花沉积设备（公知常用设备，如北京精诚信电力技术开发公司或中国科学研究院农业技术研究所），将电极材料WC或TiC硬质合金电极棒，作为工作阳电极，氩气中使之与被沉积的水轮机转轮作阴极之间产生火花放电，直接利用火花放电的能量，在10-5～10-6s内电极与水轮机转轮叶片（工件）接触的部位达到10000～24500℃，将电极材料转移至已经被等离子熔覆处理过的水轮机叶片的工作表面，形成与等离子熔覆涂层冶金结合的电火花沉积层，电极采用自身旋转方式，电极的夹持方式为机械方式，输出功率为2000～4000W，输出电压为100～180V，放电频率为1000～2000HZ，沉积速率为0.5～3min/cm2，保护气体氩气流量设定在7～10L/min，电极的伸长度为2～3mm；
（5）、水轮机转轮叶片经电火花沉积结合等离子熔覆后涂层厚度为1-11mm，涂层与叶片基体形成一个整体，牢固不可脱落。
本发明简单实用，本发明形成的电火花沉积结合等离子熔覆复合涂层与基体结合牢固，涂层厚度大，使叶片硬度高、致密性好、耐磨性能好，使用寿命长；复合涂层即发挥了铁镍合金粉末价格低廉、涂层厚度大、抗磨抗蚀性能好，又发挥了电火花沉积陶瓷硬质合金的硬度强度高、耐磨性优异的综合特点。在水轮机叶片上用电火花沉积结合等离子熔覆方法进行表面冶金处理的市场潜力很大。
附图说明
图1为本发明的水轮机叶轮结构示意图。
图2为图1中剖开部位的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式作详细说明。
实施例1
本发明在具体实施中，是由以下方法实现的：
（1）、配制铁镍合金粉末，该合金粉末是由重量百分比计的：Ni30.5%、Cr28%、C1.5%、Mo4%、B1.5%、Si4%、W6%和Fe24.5%组成；
（2）、采用等离子熔覆耐磨设备对水轮机转轮表面进行铁镍合金粉末层熔覆，熔覆输入电源电压：380V±10%，额定输入容量：30KVA，输出电压：75V，工作电压：10～30V，输出电流：300～600A，扫描速度：200～500mm/min，送粉器气流：0.65～0.75m3/h，离子气体流量：0.65～0.75m3/h，保护气体流量：0.65～0.75m3/h；
（3）、开启等离子熔覆耐磨设备的工作台运行，使等离子炬移到水轮机转轮叶片熔覆部位上方，开启等离子炬保护气体氩气和电源起弧，进入等离子束熔覆过程，以步骤2中给出的工艺参数，按等离子熔覆耐磨设备的常规操作方法，在直流等离子束流的高温10000-16000℃下，将步骤1中配置好的铁镍合金粉末同步送入等离子炬的等离子束流中，水轮机转轮叶片4-1表面快速依次形成与束流直径尺寸相近的熔池，粉末经快速加热，呈熔化或半熔化状态与熔池金属发生混合扩散反应，随着等离子束流的移动，合金熔池迅速凝固，形成与水轮机转轮叶片基体呈冶金结合的等离子熔覆合金涂层4-2（水轮机转轮由图1给出，是由上冠3、下环1和上冠、下环之间的叶片2连接在一起构成，图中4为叶片剖开部位）；
（4）、熔覆合金涂层后，关闭等离子炬电源和气源，对叶片表面熔覆后的等离子熔覆合金涂层进行磨削或抛光，再采用DZS-4000型电火花沉积设备，将电极材料WC或TiC硬质合金电极棒，作为工作阳电极，氩气中使之与被沉积的水轮机转轮作阴极之间产生火花放电，直接利用火花放电的能量，在10-5～10-6s内电极与水轮机转轮叶片（工件）接触的部位达到10000～24500℃，将电极材料转移至已经被等离子熔覆处理过的水轮机叶片的工作表面，形成与等离子熔覆涂层冶金结合的电火花沉积层4-3，电极采用自身旋转方式，电极的夹持方式为机械方式，输出功率为2000～4000W，输出电压为100～180V，放电频率为1000～2000HZ，沉积速率为0.5～3min/cm2，保护气体氩气流量设定在7～10L/min，电极的伸长度为2～3mm；
（5）、水轮机转轮叶片经电火花沉积结合等离子熔覆后涂层厚度为1-11mm，涂层与叶片基体形成一个整体，牢固不可脱落。
实施例2
所述的铁镍合金粉末在具体实施时，还可由重量百分比计的：Ni30.5%、Cr30%、C1%、Mo4.5%、B1%、Si5%、W5.5%、余量为Fe的粉末，混合在一起组成。
实施例3
所述的铁镍合金粉末在具体实施时，也可由重量百分比计的：Ni32%、Cr26%、C2%、Mo3%、B1%、Si5%、W8%、余量为Fe的粉末，混合在一起组成。
本发明经实验和测试，涂层中出现大量纳米非晶微晶颗粒，致使涂层致密度高；等离子熔覆16000℃和电火花沉积中24500℃的高温使复合涂层与基体产生了冶金结合；涂层的表面硬度可以达到1688.6HV～1891.3HV，而基体的硬度为331.2HV，硬度可提高4-6倍；复合涂层的耐磨性比基体的耐磨性可提高3-5倍。与现有技术相比，具有以下突出的有益技术效果：
1、本发明采用金属水轮机转轮为处理熔覆对象，可在零件的易磨损部位获得大面积和较高表面平整度的高结合力、高硬度、高致密性、厚度能自由控制的的熔覆合金硬化层，在氩气保护状态下获得熔覆耐磨层的厚度为1～11mm，熔覆层的硬度为HRC60～72，耐磨性提高3-5倍。这样就提高了金属水轮机转轮叶片材料表面的耐磨耐蚀耐冲击性能，进而提高了水轮机转轮叶片的使用寿命。
2、本发明使在复合涂层的表层电火花区域内形成了含有的高硬度非平衡合金组织，含有大量的纳米微晶粒子，其硬化机理为纳米晶非晶强化、微晶强化、过饱和固溶强化、高硬度化合物弥散强化、马氏体相变强化等。
3、本发明是在金属水轮机转轮上用高能量束的方法使具有高强度、高耐磨性的合金粉末熔覆在金属水轮机转轮材料的表面，形成了一层与基体冶金结合的复合合金层，耐磨损，耐腐蚀。由于熔覆沉积处理过程中单个冶金熔池处于无限大的冷态的水轮机转轮母材上，所以熔池的冷却速度非常大，就整个水轮机转轮来说，仍处于常温状态或温升较低，水轮机转轮不会退火或热变形。
4、在金属水轮机转轮上熔覆合金粉末和沉积陶瓷硬质合金后复合涂层的厚度、质量和工作效率与熔覆沉积工艺参数电压、电流、频率和速度等有关，因此可通过对操作熔覆工艺参数的调节控制来获得不同的工艺效果。方法简单，易操作，产品质量好，具有很强的实际应用价值，可广泛应用于钢铁冶金行业，经济和社会效益巨大。
Claims (4)
1.一种用电火花沉积结合等离子熔覆增强金属水轮机转轮叶片表面的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）、配制铁镍合金粉末，该合金粉末是由重量百分比计的：Ni30.5～32%、Cr26～30%、C1～2%、Mo3～4.5%、B1～1.8%、Si3.5～5%、W5.5～8%、余量为Fe的粉末，混合在一起组成；
（2）、采用等离子熔覆耐磨设备对水轮机转轮表面进行铁镍合金粉末层熔覆，熔覆输入电源电压：380V±10%，额定输入容量：30KVA，输出电压：75V，工作电压：10～30V，输出电流：300～600A，扫描速度：200～500mm/min，送粉器气流：0.65～0.75m3/h，离子气体流量：0.65～0.75m3/h，保护气体流量：0.65～0.75m3/h；
（3）、开启等离子熔覆耐磨设备的工作台运行，使等离子炬移到水轮机转轮叶片熔覆部位上方，开启等离子炬保护气体氩气和电源起弧，进入等离子束熔覆过程，以步骤（2）中给出的工艺参数，按等离子熔覆耐磨设备的常规操作方法，在直流等离子束流的高温10000-16000℃下，将步骤（1）中配置好的铁镍合金粉末同步送入等离子炬的等离子束流中，水轮机转轮叶片表面快速依次形成与束流直径尺寸相近的熔池，粉末经快速加热，呈熔化或半熔化状态与熔池金属发生混合扩散反应，随着等离子束流的移动，合金熔池迅速凝固，形成与水轮机转轮叶片基体呈冶金结合的等离子熔覆合金涂层；
（4）、熔覆合金涂层后，关闭等离子炬电源和气源，对叶片表面熔覆后的等离子熔覆合金涂层进行磨削或抛光，再采用DZS-4000型电火花沉积设备，将电极材料WC或TiC硬质合金电极棒，作为工作阳电极，氩气中使之与被沉积的水轮机转轮作阴极之间产生火花放电，直接利用火花放电的能量，在10-5～10-6s内电极与水轮机转轮叶片接触的部位达到10000～24500℃，将电极材料转移至已经被等离子熔覆处理过的水轮机叶片的工作表面，形成与等离子熔覆涂层冶金结合的电火花沉积层，电极采用自身旋转方式，电极的夹持方式为机械方式，输出功率为2000～4000W，输出电压为100～180V，放电频率为1000～2000HZ，沉积速率为0.5～3min/cm2，保护气体氩气流量设定在7～10L/min，电极的伸长度为2～3mm；
（5）、水轮机转轮叶片经电火花沉积结合等离子熔覆后涂层厚度为1-11mm，涂层与叶片基体形成一个整体，牢固不可脱落。
2.根据权利要求1所述的用电火花沉积结合等离子熔覆增强金属水轮机转轮叶片表面的方法，其特征在于，步骤是：
（1）、配制铁镍合金粉末，该合金粉末是由重量百分比计的：Ni30.5%、Cr28%、C1.5%、Mo4%、B1.5%、Si4%、W6%和Fe24.5%组成；
（2）、采用等离子熔覆耐磨设备对水轮机转轮表面进行铁镍合金粉末层熔覆，熔覆输入电源电压：380V±10%，额定输入容量：30KVA，输出电压：75V，工作电压：10～30V，输出电流：300～600A，扫描速度：200～500mm/min，送粉器气流：0.65～0.75m3/h，离子气体流量：0.65～0.75m3/h，保护气体流量：0.65～0.75m3/h；
（3）、开启等离子熔覆耐磨设备的工作台运行，使等离子炬移到水轮机转轮叶片熔覆部位上方，开启等离子炬保护气体氩气和电源起弧，进入等离子束熔覆过程，以步骤2中给出的工艺参数，按等离子熔覆耐磨设备的常规操作方法，在直流等离子束流的高温10000-16000℃下，将步骤（1）中配置好的铁镍合金粉末同步送入等离子炬的等离子束流中，水轮机转轮叶片（4-1）表面快速依次形成与束流直径尺寸相近的熔池，粉末经快速加热，呈熔化或半熔化状态与熔池金属发生混合扩散反应，随着等离子束流的移动，合金熔池迅速凝固，形成与水轮机转轮叶片基体呈冶金结合的等离子熔覆合金涂层（4-2）；
（4）、熔覆合金涂层后，关闭等离子炬电源和气源，对叶片表面熔覆后的等离子熔覆合金涂层进行磨削或抛光，再采用DZS-4000型电火花沉积设备，将电极材料WC或TiC硬质合金电极棒，作为工作阳电极，氩气中使之与被沉积的水轮机转轮作阴极之间产生火花放电，直接利用火花放电的能量，在10-5～10-6s内电极与水轮机转轮叶片接触的部位达到10000～24500℃，将电极材料转移至已经被等离子熔覆处理过的水轮机叶片的工作表面，形成与等离子熔覆涂层冶金结合的电火花沉积层（4-3），电极采用自身旋转方式，电极的夹持方式为机械方式，输出功率为2000～4000W，输出电压为100～180V，放电频率为1000～2000HZ，沉积速率为0.5～3min/cm2，保护气体氩气流量设定在7～10L/min，电极的伸长度为2～3mm；
（5）、水轮机转轮叶片经电火花沉积结合等离子熔覆后涂层厚度为1-11mm，涂层与叶片基体形成一个整体，牢固不可脱落。
3.根据权利要求1所述的用电火花沉积结合等离子熔覆增强金属水轮机转轮叶片表面的方法，其特征在于，所述的铁镍合金粉末由重量百分比计的：Ni30.5%、Cr30%、C1%、Mo4.5%、B1%、Si5%、W5.5%、余量为Fe的粉末，混合在一起组成。
4.根据权利要求1所述的用电火花沉积结合等离子熔覆增强金属水轮机转轮叶片表面的方法，其特征在于，所述的铁镍合金粉末由重量百分比计的：Ni32%、Cr26%、C2%、Mo3%、B1%、Si5%、W8%、余量为Fe的粉末，混合在一起组成。
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