水輪機(jī)部件過(guò)流表面的金屬材料磨蝕防護(hù)

王者昌

（中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016）

水輪機(jī)部件過(guò)流表面的金屬材料磨蝕防護(hù)

王者昌

（中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016）

介紹了GB1焊條堆焊、粉末噴焊和碳化鎢涂層三種工藝各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。GB1焊條堆焊層具有優(yōu)異的抗空蝕、抗磨蝕性能,良好的抗磨性，適用于強(qiáng)空蝕、磨蝕部位的防護(hù)。粉末噴焊層具有良好的抗空蝕、抗磨蝕性能,優(yōu)良的抗磨性,適用于小型水輪機(jī)過(guò)流部件的防護(hù)。碳化鎢涂層具有極好的抗磨性，但是抗空蝕性能差，適用于大中型水輪機(jī)過(guò)流部件的磨損防護(hù)。就抗磨壽命而言,單層的GB1焊條堆焊層、粉末噴焊層略低于碳化鎢涂層。噴焊和堆焊可能引起變形，而涂層則基本不會(huì)。GB1焊條堆焊性價(jià)比最高。

水輪機(jī)；焊條堆焊；粉末噴焊；碳化鎢涂層；金屬材料；磨蝕防護(hù)

0 前言

我國(guó)水力發(fā)電用水水質(zhì)不好，大約1/3為渾水。水輪機(jī)過(guò)水部件磨蝕問(wèn)題相當(dāng)嚴(yán)重，磨蝕防護(hù)是一個(gè)重要問(wèn)題。彈性非金屬等有時(shí)也用于水輪機(jī)磨蝕防護(hù)，但目前應(yīng)用最多的仍是焊條堆焊、粉末噴焊和碳化鎢噴涂。

焊條堆焊目前是水輪機(jī)磨蝕防護(hù)的主要手段，現(xiàn)在主要采用 A102、A132、0Cr13Ni5MoRe 和 GB1焊條。A102、A132盡管抗磨損、抗磨蝕性能不甚滿意，但因其工藝性和抗空蝕性能好，價(jià)格低，是主要的堆焊材料。GB1焊條堆焊層具有優(yōu)異的抗空蝕、磨蝕性能和良好的抗磨性能。“三門峽汛期發(fā)電試驗(yàn)”國(guó)家“八五”攻關(guān)課題鑒定會(huì)確認(rèn)，GB1焊條和SPHG1粉末是兩種最佳磨蝕防護(hù)材料。應(yīng)用證明，三門峽水輪機(jī)過(guò)流表面堆焊GB1焊條，運(yùn)行三個(gè)汛期后磨蝕輕微，甚至可以滿足六個(gè)汛期發(fā)電的需要。

合金粉末噴焊用于小型水輪機(jī)磨蝕防護(hù)，并取得良好效果。合金粉末噴焊層具有良好的抗空蝕、磨蝕性能和優(yōu)良的抗磨性能。關(guān)鍵是嚴(yán)格控制施工工藝，以保證噴焊層質(zhì)量。用于中型水輪機(jī)磨蝕防護(hù)效果不理想，不宜用于大型水輪機(jī)磨蝕防護(hù)。

十幾年前，我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)超音速火焰噴涂碳化鎢技術(shù)，用于水輪機(jī)過(guò)流部件磨損防護(hù)。碳化鎢涂層抗磨性極高，磨損防護(hù)效果很好。但因抗空蝕性差，

強(qiáng)空蝕區(qū)和空蝕程度中等以上的磨蝕區(qū)不宜釆用。該工藝施工時(shí)要嚴(yán)格控制工藝過(guò)程，以保證涂層質(zhì)量。

1 GB1焊條堆焊

表1 不同堆焊金屬的抗磨、抗空蝕性能性[1]

從表1可知，GB1的耐磨性為KJ5-4的1.39倍，從文獻(xiàn)[1]可知，耐磨1號(hào)的耐磨性為KJ5-4的1.13倍，經(jīng)計(jì)算，GB1的耐磨性為耐磨1號(hào)的1.23倍，也就是說(shuō)，GB1的耐磨性超過(guò)耐磨性良好的耐磨1號(hào)。而GB1的硬度比耐磨1號(hào)低約15HRc，因此打磨和機(jī)械加工要容易得多，抗裂性也要好得多。耐磨1號(hào)因裂紋加工不出樣品，故未參于上述試驗(yàn)。

從表1可知，GB1具有優(yōu)異的抗空蝕性能，為A102的21.8倍，Co-Cr-W的3倍。耐磨1號(hào)的抗空蝕性能略低于A102，因此GB1的抗空蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于耐磨1號(hào)。

黃委水科院何筱奎等的試驗(yàn)結(jié)果表明，GB1堆焊金屬抗磨蝕性能為1Cr18Ni9Ti的6.7倍，0Cr13Ni5Mo的5.6倍[2]。試驗(yàn)結(jié)果還表明，GB1堆焊金屬抗磨性能為SPHG1噴焊層的1/3，抗空蝕性為SPHG1噴焊層的3倍[2]。

稀土對(duì)磨蝕性影響的試驗(yàn)是天津院由彩堂、姚光等在轉(zhuǎn)盤儀上完成的，加入適量稀土，抗空蝕、抗磨損和抗磨蝕性分別提高57%、55%和83%[1]。最近由姚光等試驗(yàn)，在加稀土的GB1基礎(chǔ)上加入新的成分，抗磨性提高10%。經(jīng)計(jì)算，新型GB1堆焊層抗磨性為831（00Cr17Ni6Mo）的3.1倍。

根據(jù)林師炎等的論文[3]，0Cr13Ni5Mo經(jīng)1000℃固溶、610℃回火后，抗磨系數(shù)為18-8不銹鋼的1.25倍，ZG0Cr15Ni6Mo經(jīng)1000℃固溶、580℃回火處理后的抗磨系數(shù)為18-8不銹鋼的1.76倍，也就是說(shuō)ZG0Cr15Ni6Mo的抗磨性為0Cr13Ni5Mo的1.41倍。

根據(jù)成分分析，0Cr13Ni5Mo、0Cr15Ni6Mo 和00Cr17Ni6Mo三種材料中，抗磨性以0Cr13Ni5Mo最差，00Cr17Ni6Mo最好。00Cr17Ni6Mo的抗磨性至少不會(huì)比0Cr15Ni6Mo差。經(jīng)計(jì)算，新型GB1堆焊層抗磨性不應(yīng)低于0Cr13Ni5Mo的3.1×1.41=4.5倍。說(shuō)明新型GB1堆焊金屬具有良好的抗磨性。

1995年末對(duì)三門峽3號(hào)機(jī)進(jìn)行全面磨蝕防護(hù)。GB1表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨蝕性能，經(jīng)五個(gè)期運(yùn)行后，它比A132高出1.8～2.0mm[4]。三門峽樞紐局張保平、薛敬平等[4]的論文指出，“GB1焊條在應(yīng)用上比SPHG1材料具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，易于推廣?！?/p>

魏建軍等在瑞士5300焊條的基礎(chǔ)上加入稀土，研制成功0Cr13Ni5MoRe焊條，堆焊金屬的抗磨性為0Cr13Ni5Mo的1.6倍[5]。經(jīng)計(jì)算，新型GB1堆焊金屬的抗磨性為0Cr13Ni5MoRe的2.8倍。

最近，在三門峽2號(hào)機(jī)1號(hào)葉片上用0Cr14Ni5MoRe和新型GB1在葉片背面進(jìn)行對(duì)比，運(yùn)行后可以看出，GB1堆焊層完好，而0Cr14Ni5MoRe堆焊層已露出黃銹，說(shuō)明堆焊層已局部磨蝕穿透。從而可知，GB1抗磨蝕性明顯優(yōu)于0Cr14Ni5MoRe。

陜西涇河上的茨萍水電站，轉(zhuǎn)輪材料為20SiMn，用GB1和A102進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。磨蝕嚴(yán)重的葉片背面邊緣約120mm范圍內(nèi)，堆一層A102，然后堆焊GB1，其余部分堆焊A102。運(yùn)行一年計(jì)5000h（其中汛期1000h）后，堆焊GB1處平均高出1.2mm，外觀如圖1所示。從圖1可看出，GB1堆焊金屬抗磨蝕性能優(yōu)異，比A102磨蝕輕得多。比較可知，在茨萍，GB1焊條相對(duì)于A102的優(yōu)越性更加明顯。在三門峽，經(jīng)五個(gè)汛期運(yùn)行，GB1高出 1.8～2.0mm[5]，而在茨萍，運(yùn)行1年則平均高出1.2mm。這主要是焊條中加入稀土等元素使堆焊金屬抗磨蝕性能大幅度提高的結(jié)果，在三門峽得到的上述現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用結(jié)果，使用的GB1焊條是早期研制的，尚未加稀土等元素，在茨萍，則是近期研制的，GB1中加入稀土等元素，較之早期研制的GB1，抗磨蝕性能提高約1倍。

2 粉末噴焊

氧乙炔火焰噴焊前先對(duì)工件表面進(jìn)行預(yù)熱。通常碳鋼件預(yù)熱至250～300℃，不銹鋼件預(yù)熱至350～400℃。然后用噴槍將達(dá)到熔融或高塑性狀態(tài)的粉末噴到工件表面上，并進(jìn)行重熔。重熔分一步法和兩步法兩種。一步法是邊噴邊重熔，兩步法是先噴后重熔。

粉末合金的成分對(duì)水輪機(jī)的抗磨蝕起到關(guān)鍵性作用。因此選擇合適的粉末成分至關(guān)重要。上世紀(jì)80年代初甘肅工業(yè)大學(xué)沈世瑤、陳學(xué)定等針對(duì)水輪機(jī)抗磨蝕特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)研制了Ni31、Ni37等合金粉末，消除了Ni3B（脆化相）的網(wǎng)狀組織，細(xì)化了晶粒，提高了噴焊層的韌性，從而提高了噴焊涂層的抗磨蝕能力，圓盤儀試驗(yàn)結(jié)果表明，噴焊層的抗磨損能力為A102焊條堆焊層的10～11倍[6]。試用于水輪機(jī)，壽命延長(zhǎng)3倍以上。

上世紀(jì)80年代后期云南元江成立了專門的水電耐磨技術(shù)開(kāi)發(fā)站，對(duì)幾十個(gè)小水電站100多臺(tái)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水葉等進(jìn)行了噴焊防護(hù)。上世紀(jì)90年代，天津勘測(cè)設(shè)計(jì)院對(duì)南烏牛泵站泵輪和草坡水電站沖擊式水輪機(jī)的噴針進(jìn)行了噴焊防護(hù)，都取得了良好效果[7]。

因噴焊工件需預(yù)熱，還需要粉末重熔，溫度高，易出現(xiàn)變形、裂紋等問(wèn)題，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)鼓包。1985～1995年，水科院劉家麟、陳曉平等開(kāi)展了中型水輪機(jī)噴焊修復(fù)研究[8]，在漁子溪水輪機(jī)的抗磨板與三門峽水輪機(jī)的中環(huán)、葉片上進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)水輪機(jī)磨蝕的特點(diǎn)，優(yōu)化了粉末合金成分（該配方稱為SPHG1），調(diào)整了材料的性能指標(biāo)，在保證涂層具有優(yōu)良抗磨蝕性能的同時(shí)，適當(dāng)降低了涂層的硬度，很大限度的減少裂紋。通過(guò)改進(jìn)施工工藝，控制了三門峽水輪機(jī)葉片的變形。經(jīng)過(guò)2200h汛期和非汛期運(yùn)行，用SPHG1防護(hù)的部位（葉片頭部、背面外緣、端面），僅發(fā)現(xiàn)少量掉塊，其余93%面積未破壞。

青銅峽葉片噴焊Ni67運(yùn)行20000h后發(fā)現(xiàn)，葉片背面分塊噴焊的搭接區(qū)出現(xiàn)溝狀磨蝕坑，分析認(rèn)為是搭接處涂層致密性低、結(jié)合力降低，抗空蝕性能較低所致[9]。

從上述結(jié)果看，噴焊在小型水力機(jī)械抗磨蝕的防護(hù)中取得了較大成效，但是大中尺寸薄工件的變形和厚大工件的噴焊層龜裂、脫落和噴焊工藝等問(wèn)題有待深入研究。

3 超音速火焰噴涂碳化鎢

上世紀(jì)80年代后期，瑞士Sulzer公司開(kāi)始將超音速火焰噴涂（HVOF）方法用于一系列沖擊式水輪機(jī)的噴針、噴嘴、空放閥和混流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪、止漏環(huán)、抗磨板等的磨損防護(hù)，取得良好效果。由于超音速噴涂對(duì)工件表面要求預(yù)熱的溫度低(約100℃)，噴涂速度快，因此部件變形很小。

國(guó)外應(yīng)用噴涂防護(hù)的水輪機(jī)大多容量與尺寸較小，泥沙含量也都不太大。從上世紀(jì)90年代起，我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)的許多水輪機(jī)，開(kāi)始試用超音速噴涂碳化鎢對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行磨損防護(hù)。先后有羊卓雍湖、小浪底、萬(wàn)家寨、三門峽、青銅峽等水輪機(jī)，此外，國(guó)內(nèi)有不少單位也引進(jìn)超音速噴涂設(shè)備，并在工程上應(yīng)用。超音速碳化鎢涂層的粘結(jié)強(qiáng)度可達(dá)60～80MPa，涂層的孔隙小于1%，表面光潔度可達(dá)到Ra3.2～6.4μm，硬度HRc70～75。水科院余江成等用小水洞與轉(zhuǎn)盤儀，對(duì)三種不同配方HVOF的碳化鎢涂層與Cr13Ni4不銹鋼進(jìn)行抗磨、抗空蝕對(duì)比試驗(yàn)[10]。試驗(yàn)結(jié)果證明，碳化鎢涂層有極好的抗磨損性能。例如當(dāng)速度為40m/s時(shí)，其抗磨能力可達(dá)13-4不銹鋼的60倍，但抗空蝕性能很差，其空蝕率為13-4不銹鋼的5～12倍，這與實(shí)際使用結(jié)果相符[10]。

從一些大中型水輪機(jī)的應(yīng)用效果看，其抗磨性能很好，但在葉片背面空化區(qū)及頭部撞擊區(qū)等部位涂層易發(fā)生局部脫落。小浪底水輪機(jī)運(yùn)行不長(zhǎng)時(shí)間就出現(xiàn)涂層大面積脫落[11]。從小浪底、萬(wàn)家寨等水輪機(jī)涂層脫落的情況看，都是發(fā)生在葉片背面靠下環(huán)與靠近出水邊處。

三門峽1號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪由VOITH公司設(shè)計(jì)制造，葉片、裙邊與轉(zhuǎn)輪室都采用碳化鎢噴涂保護(hù)。自2000年12月至2003年3月止，共運(yùn)行11259h，其中汛期運(yùn)行2643h，汛期平均過(guò)機(jī)含沙濃度37.67kg/m3。葉片正背面噴涂的碳化鎢涂層保持完好。2004年11月打開(kāi)檢查時(shí)，葉片正背面的碳化鎢涂層仍保持完好。三門峽水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪未發(fā)現(xiàn)像其他電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪涂層明顯脫落現(xiàn)象，防護(hù)效果很好[12]。分析認(rèn)為與該水輪機(jī)空化很輕有關(guān)。

根據(jù)計(jì)算可知，碳化鎢涂層抗磨性為GB1堆焊層13.3倍，為SPHG1噴焊層的4.4倍。碳化鎢涂層最佳厚度為0.3mm，噴焊層的厚度為1.0mm，堆焊一層GB1的厚度為3.0mm。因此，單層的磨損使用壽命，碳化鎢涂層是后兩者的1.33倍。碳化鎢涂層的價(jià)格約為GB1堆焊的5倍，噴焊的2.5倍。如果堆焊兩層GB1，磨損使用壽命則大大超過(guò)碳化鎢涂層。

在空蝕和磨損共存即磨蝕條件下，由于GB1堆焊層的抗空蝕性比噴焊和噴涂層具有好得多的抗空蝕性，用GB1焊條堆焊具有更大的優(yōu)越性。

就工件變形而言，三種方法相比，碳化鎢涂層具有較大的優(yōu)越性。碳化鎢涂層使工件受熱少，升溫少，工件基本不變形。而堆焊和噴焊則可能引起變形，特別是剛度小的軸流式葉片等工件，這些工件施焊時(shí)應(yīng)采取控制變形措施。

4 結(jié)論

（1）GB1焊條堆焊層的抗空蝕、抗磨蝕性能優(yōu)異，抗磨性良好，適用于水輪機(jī)嚴(yán)重空蝕、磨蝕區(qū)的防護(hù)。三種工藝中，GB1堆焊性價(jià)比最高。

（2）噴焊層抗空蝕、抗磨蝕性能良好，抗磨性優(yōu)良，適用于小型水輪機(jī)磨蝕防護(hù)。

（3）碳化鎢涂層抗磨性極好，適用于大中型水輪機(jī)嚴(yán)重磨損區(qū)和輕度空蝕的磨蝕區(qū)的防護(hù)。由于涂層抗空蝕性能差，在嚴(yán)重空蝕區(qū)和空蝕中等以上的磨蝕區(qū)則不適用。

4）單層磨損使用壽命，碳化鎢涂層略高于GB1堆焊和粉末噴焊，為后兩者的1.33倍。

[1]王者昌.GB1抗磨蝕堆焊焊條的研制、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用[A].第八屆中國(guó)北方焊接學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].遼寧大連：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)，2012.

[2]何筱奎，俞復(fù)民，郭晚榮.三門峽水電站水輪機(jī)防護(hù)材料抗空蝕磨損磨蝕性能試驗(yàn)研究[R]，1995.

[3]林師焱，楊志勇，孫衛(wèi)紅.0Cr13Ni5Mo高強(qiáng)不銹鋼抗磨性能研究及應(yīng)用[A].水機(jī)磨蝕研究與實(shí)踐50年[C].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005：396-402.

[4]張保平，薛敬平，石永偉，等.三門峽水電站3號(hào)水輪機(jī)磨蝕情況分析[A].水機(jī)磨蝕.2001年文集：67-77.

[5]魏建軍、薛敬平.0Cr13Ni5MoRe抗磨蝕堆焊焊條在三門峽電站的試驗(yàn)及應(yīng)用[A].水機(jī)磨蝕.1998年文集：75-77.

[6]沈世瑤，陳學(xué)定，潘國(guó)文.水輪機(jī)氣蝕破壞與噴焊用合金粉末的研究[J].焊接，1983（9）：4-7.

[7]顧四行.合金粉末噴焊在水力機(jī)械抗磨蝕方面的應(yīng)用[A].水機(jī)磨蝕.1993年文集：156-150.

[8]劉家麟，陳曉平.三門峽水電站水輪機(jī)氣蝕磨損防護(hù)試驗(yàn)情況與進(jìn)展[A].第11次中國(guó)水電設(shè)備學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集[C]，1993：155-159.

[9]門志慧，蘇義群，童喜明，等.青銅峽水輪機(jī)葉片合金涂層剝落原因剖析[A].水機(jī)磨蝕.2004-2005年文集：84-87.

[10]余江成，吳 劍.HVOF涂層材料的抗磨蝕特性與應(yīng)用分析[A].水機(jī)磨蝕研究與實(shí)踐50年[C].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005：446-451.

[11]大型水電機(jī)組調(diào)研概況[R]，2002.

[12]黃犀硯，王青賢，李建明.三門峽水電站1號(hào)機(jī)組技術(shù)改造[A].水機(jī)磨蝕研究與實(shí)踐50年[C].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005：218-227.

TV734.1

A

1672-5387（2014）02-0003-04

2014-02-23

王者昌（1938-），男，研究員，從事焊接裂紋、變形及抗磨蝕材料的研究工作。