一种提高水轮机过水部件耐气蚀能力的工艺的制作方法
【专利摘要】一种提高水轮机过水部件耐气蚀能力的工艺，利用超音速喷涂技术在水轮机过水部件上喷涂一层金属膜，以提高其耐气蚀性能。根据水轮发电机组的材料特性、结构尺寸和运行环境，选取合适的喷涂材料、喷涂厚度等工艺参数，在水轮机过水面上喷涂一层金属膜，可以提高其耐气蚀的能力，延长水轮机的使用寿命。本发明提出了一种用于提高水轮机过水面耐气蚀能力的工艺，方法操作简便，经济性高，具有显著提高耐气蚀能力的优点。
【专利说明】一种提高水轮机过水部件耐气蚀能力的工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用超音速喷涂保护技术在水轮机过水部件上喷涂金属合金，提高水轮机过水部件的耐气蚀能力的工艺。
【背景技术】
[0002]水轮机的气蚀现象是水流在能量转换过程中产生的一种特殊现象。大约在本世纪初，发现轮船的高速金属螺旋桨在很短时间内就被破坏，后来在水轮机中也发生了转轮叶片遭受破坏的情况，气蚀现象就开始被人们发现和重视。
[0003]水轮机的工作介质是液体。液体的质点并不像固体那样围绕固定位置振动，而是质点的位置迁移较容易发生。在常温下，液体就显示了这种特性。液体质点从液体中离析的情况取决于该种液体的汽化特性。例如，水在一个标准大气力作用下，温度达到100°C时，发生沸腾汽化，而当周围环境压力降低到0.24m水柱时，气蚀现象即可发生。
[0004]由于液体具有气化特性，则当液体在恒压下加热，或在恒温下用静力或动方法降低其周围环境压力，都能使液体达到汽化状态。但在研究气蚀和空蚀时，对于由这两个不同条件形成的液体汽化现象在概念上是不同的。任何一种液体在衡定压力下加热，当液体温度高于某一温度时，液体开始汽化，形成汽泡，这称为沸腾。当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育形成空穴，这种现象称为气蚀。
[0005]我们以前通常所讲的气蚀现象，实际上包括了气蚀和空蚀两个过程。气蚀乃是在液体中形成空穴使液相流体的连续性遭到破坏，它发生在压力下降到某一临界值的流动区域中。在空穴中主要充满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。当这些空穴进入压力较低的区域时，就开始发育成长为较大的气泡，然后，气泡被流体带到压力高于临界值的区域，气泡就将溃灭，这个过程称为气蚀。气蚀过程可以发生在液体内部，也可以发生固定边界上。空蚀是指由于空泡的溃灭，引起过流表面的材料损坏。在空泡溃灭过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。空蚀是气蚀的直接后果，空蚀只发生在固体边界上。
[0006]根据对气蚀现象的多年观测，认为气蚀和空蚀破坏主要是机械破坏，化学和电化作用是次要的。在机械作用的同时，化学和电化腐蚀加速了机械破坏过程。气蚀和空蚀在破坏开始时，一般是金属表面失去光泽而变暗，接着是变毛糙而发展成麻点，一般呈针孔状，深度在f 2mm以内；再进一步使金属表面十分疏松成海绵状，也称为蜂窝状深度为3mm到几十毫米。气蚀严重时，可能造成水轮机叶片的穿孔破坏。气蚀和空蚀的存在对水轮机运行极为不利，其影响主要表现在以下几方面:(I)破坏水轮机的过流部件，如导叶、转轮、转轮室、上下止漏环及尾水管等；(2)降低水轮机的出力和效率，因为气蚀和空蚀会破坏水流的正常运行规律和能量转换规律，并会增加水流的漏损和水力损失；(3)气蚀和空蚀严重时，可能使机组产生强烈的振动、噪音及负荷波动，导致机组不能安全稳定运行。(4)缩短了机组的检修周期，增加了机组检修的复杂性。气蚀和空蚀检修不仅耗用大量钢材，而且延长工期，影响电力生产。
[0007]上世纪60年代初期，美国人J.Browning发明了超音速火焰喷涂技术，称之为"Jet-Kote"，并于1983年获得美国专利。近些年来，国外超音速火焰喷涂技术发展迅速，许多新型装置出现，在不少领域正在取代传统的等离子喷涂。在国内，武汉材料保护研究所、北京钢铁研究总院、北京钛得新工艺材料有限公司等也在进行这方面研究，并生产出有自己特色的超音速喷涂装置。
燃料气体(氢气，丙烷，丙烯或乙炔一甲烷-丙烷混合气体等)与助燃剂(O2)以一定的比例导入燃烧室内混合，爆炸式燃烧，因燃烧产生的高温气体以高速通过膨胀管获得超音速。同时通入送粉气(Ar或队)，定量沿燃烧头内碳化钨中心套管送入高温燃气中，一同射出喷涂于工件上形成涂层。
在喷涂机喷嘴出口处产生的焰流速度一般为音速的4倍，即约1520m/s，最高可高达2400m/s(具体与燃烧气体种类，混合比例，流量，粉末质量和粉末流量等有关)。粉末撞击到工件表面的速度估计为550-760m/s，与爆炸喷涂相当。Jet-Kote法之所以能有这么高的速度，关键在于按流体力学的原理合理设计制造了一个喷嘴，称之为Laval管的膨胀管。只要管子设计合理，则流体在速度低时，只要经过足够压缩，即可在管器某一截面(如AB)达到声速，过了这一截面后，将获得超音速。
[0008]超音速喷涂法具有如下的特点:(I)粉粒温度较低，氧比较轻(这主要是由于粉末颗粒在高温中停留时间短，在空气中暴露时间短的缘故，所以涂层中含氧化物量较低，化学成分和相的组成具有较强的稳定性)，但只适于喷涂金属粉末、Co-Wc粉末以及低熔点Τ?02陶瓷粉末；(2)粉粒运动速度高。(3)粉粒尺寸小(10~53>μπι)、分布范围窄，否则不能熔化。(4)涂层结合强度、致密度高，无分层现象。(5)涂层表面粗糙度低。(6)喷涂距离可在较大范围内变动，而不影响喷涂质量。(7)可得到比爆炸喷涂更厚的涂层，残余应力也得到改善。(8)喷涂效率高，操作方便。(9)噪音大(大于120dB)，需有隔音和防护装置。
[0009]本发明根据水轮机运行的不同水环境(清水和泥沙水)，给出了两种环境下提高过水部件表面耐气蚀能力的喷涂材料，并利用超音速喷涂技术在水轮机过水部件上喷涂一层厚度合适的喷涂材料，提高水轮机过水部件的耐气蚀能力，以提高水轮机过水部件的使用寿命，对保障电力安全生产具有重要的现实意义。
【发明内容】
[0010]本发明提出了一种提高水轮机过水部件耐气蚀能力的工艺，目的是在清水环境中的水轮机过水部件上喷涂一层厚度合适的合金材料，以提高其耐气蚀的能力，达到延长水轮机过水部件寿命的效果。
[0011]本发明是通过下列技术方案来实现的。
[0012]一种提高水轮机过水部件耐气蚀能力的工艺，利用超音速喷涂保护技术在水轮机过水部件表面喷涂一层厚度50 μ m至600 μ m的合金材料。
[0013]本发明运行在清水环境下的水轮机过水部件表面喷涂的合金材料成分(质量百分比)为:50 ^ Fe ^ 60，16 ^ Cr ^ 19,8 ≤ Ni ≤ 11，I ≤ W ≤ 3，I ≤ Mo ≤ 3。
[0014]本发明运行在泥沙水环境下的水轮机过水部件表面喷涂的合金材料成分(质量百分数)为:60 ^ Cr ^ 65，25 ≤Ni ≤ 30。
[0015]本发明的有益效果是:根据水轮机的腐蚀特征，选用一种合适的金属合金材料，利用超音速喷涂保护技术在水轮机过水部件上喷涂一层厚度合适的合金材料，其对提高水轮机过水部件的耐气蚀能力、延长水轮机过水部件寿命，减少经济损失方面具有重要的现实意义。
【具体实施方式】
[0016]一种提高水轮机过水部件耐气蚀能力的工艺，利用超音速喷涂保护技术在水轮机过水部件表面喷涂一层厚度50 μ m至600 μ m的合金材料。
[0017]本发明运行在清水环境下的水轮机过水部件表面喷涂的合金材料成分(质量百分比)为:50 ≤ Fe ≤60，16 ≤Cr ≤ 19,8 ≤ Ni ≤ 11，I ≤ W≤ 3，I ≤ Mo ≤ 3。
[0018]本发明运行在泥沙水环境下的水轮机过水部件表面喷涂的合金材料成分(质量百分数)为:60 ≤ Cr≤ 65，25 ≤ Ni ≤ 30。
[0019]实施案例一:清水环境下水轮机过水部件涂层
(1)基体材料Q235-C，基体材料尺寸150mm(长)XlOOmm (宽)X8mm (厚)，涂层材料150mm (长)XlOOmm (宽)X 50 μ (厚)；喷涂工艺为超音速喷涂；
(2)喷涂材料成分:50≤Fe≤60，16≤Cr≤19，8≤Ni≤11，I≤W≤3，I≤Mo≤3;
(3)在涂层材料上取3点，进行硬度测量(HV30)，得到三个值分别为262，265，257，平均值为262，涂层材料的表面硬度较高，耐磨损能力较好；
(4)对涂层与基体的结合面进行电镜扫描，涂层与基体结合良好；
(5)对涂层进行气蚀试验。试验设备为XL2020超声振荡气蚀实验机，设备的振动频率为20kHZ，振幅为60 μ m，试验介质为蒸馏水，试验温度为室温；实验过程:实验前，将涂层试样用无水乙醇超声清洗并用感量为0.1mg的电子天平称重，试验时间为4h ；
(6)对涂层进行检验。试验前基体和涂层的质量为810克，试验后质量为806克，失重率为0.5% ；
(7)对未喷涂合金材料的基体进行检验。试验前基体质量为676克，试验后为642克，失重率为5.0% ；
(8)喷涂本发明涉及的涂层材料后，清水环境下基体材料的失重率大幅度减小，表明合金涂层极大改善了基体材料耐气蚀的能力。
[0020]实施案例二:清水环境下水轮机过水部件涂层
(1)基体材料为水轮机发电机尾水锥管(碳钢)，选择一块区域做喷涂试验，区域面积为200mm (长)X 150mm (宽)，涂层厚度200 μ m ;喷涂工艺为超音速喷涂；
(2)该水轮机过水部件的水环境为清水，泥沙少；
(3)喷涂材料成分:50≤Fe≤60，16≤Cr≤19，8≤Ni≤11，I≤W≤3，I≤Mo≤3;
(4)在涂层材料上取3点，进行硬度测量(HV30)，得到三个值分别为271，270，268，平均值为270，涂层材料表面硬度较高，耐磨损能力好；
(5)水轮机组运行一段时间后，对涂层进行工业化检验。喷涂合金材料的尾水锥管试验区域的金属失重率为0.6%，未喷涂合金材料的尾水锥管金属失重率为5.3% ；
(6)喷涂本发明涉及的涂层材料后，清水环境下基体材料的失重率大幅度减小，表明合金涂层极大改善了基体材料耐气蚀的能力。
[0021]实施案例三:泥沙水环境下水轮机过水部件涂层
(I)基体材料Q235-C，基体材料尺寸150mm (长)XlOOmm (宽)X8mm (厚)，涂层材料150mm (长)XlOOmm (宽)X 50 μ (厚)；喷涂工艺为超音速喷涂；
(2)喷涂材料成分:60^ Cr ^ 65，25 ^ Ni ^ 30 ；
(3)在涂层材料上取3点，进行硬度测量(HV30)，得到三个值分别为601，600，601，平均值为601，涂层材料的表面硬度较高，耐泥沙磨损能力较好；
(4)对涂层与基体的结合面进行电镜扫描，涂层与基体结合良好；
(5)对涂层进行气蚀试验。试验设备为XL2020超声振荡气蚀实验机，设备的振动频率为20kHZ，振幅为60 μ m，试验介质为泥沙水，试验温度为室温；实验过程:实验前，将涂层试样用无水乙醇超声清洗并用感量为0.1mg的电子天平称重，试验时间为4h ；
(6)对涂层进行检验。试验前基体和涂层的质量为802克，试验后质量为801克，失重率为0.1% ；
(7)对未喷涂合金材料的基体进行检验。试验前基体质量为676克，试验后为630克，失重率为6.8% ；
(8)喷涂本发明涉及的涂层材料后，泥沙水环境中基体材料的失重率大幅度减小，表明合金涂层极大改善了基体材料耐气蚀的能力。
[0022]实施案例四:泥沙水环境下水轮机过水部件涂层
(1)基体材料为水轮机发电机尾水锥管(碳钢)，选择一块区域做喷涂试验，区域面积为200mm (长)X 150mm (宽)，涂层厚度300 μ m ;喷涂工艺为超音速喷涂；
(2)该水轮机过水部件的水环境为泥沙水，泥沙多；
(3)喷涂材料成分:60^ Cr ^ 65,25 ^ Ni ^ 30 ；
(4)在涂层材料上取3点，进行硬度测量(HV30)，得到三个值分别为598，597，599，平均值为599，涂层材料表面硬度高，耐泥沙磨损能力好；
(5)水轮机组运行一段时间后，对涂层进行工业化检验。喷涂合金材料的尾水锥管试验区域的金属失重率为0.1%，未喷涂合金材料的尾水锥管金属失重率为5% ；
(6)喷涂本发明涉及的涂层材料后，基体材料的失重率大幅度减小，表明合金涂层极大改善了基体材料耐气蚀的能力。
【权利要求】
1.一种提高水轮机过水部件耐气蚀能力的工艺，其特征在于，利用超音速喷涂保护技术在水轮机过水部件表面喷涂一层厚度50 μ m至600 μ m的合金材料。
2.根据权利要求1提出的一种提高水轮机过水部件耐气蚀能力的工艺，其特征在于，运行在清水环境下的水轮机过水部件表面喷涂的该合金材料成分的质量百分比为:.50 ≤ Fe ≤ 60,16 ≤ Cr ≤ 19,8 ≤ Ni ≤ 11,1 ≤ W ≤ 3,1 ≤ Mo ≤ 3。
3.根据权利要求1提出的一种提高水轮机过水部件耐气蚀能力的工艺，其特征在于，运行在泥沙水环境下的水轮机过水部件表面喷涂的合金材料成分的质量百分比为:.60 ≤ Cr ≤ 65,25 ≤ Ni ≤30。
【文档编号】F03B11/04GK103912436SQ201410121733
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】许宏伟, 刘荣海, 吴章勤, 赵明, 艾川, 李志翔, 郑欣, 孙成刚, 杨迎春, 利佳, 杨鹏, 孙晋明, 唐利辉, 何智华, 周静波, 罗传旭 申请人:云南电力试验研究院（集团）有限公司电力研究院, 云南电网公司技术分公司