高水頭重泥沙沖擊式水輪機(jī)水斗抗磨蝕防護(hù)涂層技術(shù)研究及應(yīng)用

陳藝文， 尹洪璋， 鞏秀芳， 王波， 王偉， 李定駿， 鄭謙

（1.長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司； 四川 德陽(yáng)， 618000；2.中電投喜德電力有限公司， 四川 西昌， 615000；3.會(huì)東縣星光電力有限責(zé)任公司， 四川 會(huì)東， 615000）

0 引言

某水電屬高水頭電站， 額定水頭為389 m，機(jī)組為單機(jī)18 MW×4 臺(tái)的立軸沖擊式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。 該水電站機(jī)組運(yùn)行水頭較高， 且河水的含砂量重， 因此對(duì)轉(zhuǎn)輪的沖蝕較為嚴(yán)重， 影響機(jī)組的效率及安全運(yùn)行。 十年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)得知， 新進(jìn)購(gòu)安裝的轉(zhuǎn)輪可運(yùn)行2～3 年， 返廠修復(fù)的轉(zhuǎn)輪可以運(yùn)行1～2 年。 轉(zhuǎn)輪頻繁檢修致使電廠檢修費(fèi)用高昂， 機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)間減低。

水斗在含泥沙水流的沖蝕下， 過(guò)流面型線改變， 產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲， 影響水輪機(jī)的出力和效率，水斗磨損特別嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及電站的安全運(yùn)行。

目前， 國(guó)內(nèi)外改善抗磨蝕問(wèn)題主要從減少進(jìn)入機(jī)組泥沙量、 優(yōu)化水斗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 表面防護(hù)這三方面進(jìn)行， 而表面抗磨蝕技術(shù)是最經(jīng)濟(jì)、 方便、提高抗磨蝕性能顯著的方法。 對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 采用超音速火焰噴涂鈷鉻碳化鎢抗磨蝕涂層效果明顯，同時(shí)該技術(shù)的應(yīng)用還具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。 根據(jù)三門(mén)峽水電廠的分析， 對(duì)電廠5 臺(tái)機(jī)組實(shí)現(xiàn)熱噴涂鈷鉻碳化鎢磨蝕防護(hù)后， 與一般的不銹鋼堆焊修復(fù)工藝相比， 在6 年運(yùn)行期間， 可增加綜合效益近4 000 萬(wàn)元， 年均效益660 萬(wàn)元左右。 青銅峽電站在5 年運(yùn)行期內(nèi)， 熱噴涂鈷鉻碳化鎢涂層比常規(guī)防護(hù)與檢修單機(jī)（36 000 kW）可增加效益1 100 萬(wàn)元， 年均200 萬(wàn)元以上[1-3]。 因此采用超音速火焰噴涂工藝在水輪機(jī)過(guò)流部件噴涂鈷鉻碳化鎢涂層是最經(jīng)濟(jì)、 提升抗磨蝕能力最大的方法。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)所用粉末為商用鈷鉻碳化鎢（WC-10Co-4Cr）合金復(fù)合粉末， 粒徑15～45 μm； 涂層性能測(cè)試試樣基材為304 合金鋼。 噴涂粉體材料微觀形貌采用掃描電鏡進(jìn)行分析， 粉末粒度采用美國(guó)麥奇克-S3500 型激光粒度儀進(jìn)行分析。 采用METCO DJ2700 系統(tǒng)進(jìn)行噴涂。 噴涂后對(duì)涂層斷截面進(jìn)行鑲樣及拋磨處理， Lica 倒置研究級(jí)金相顯微鏡分析涂層微觀組織， 涂層的硬度及開(kāi)裂韌性采用顯微硬度計(jì)進(jìn)行分析（顯微硬度測(cè)試載荷為300 g，加載時(shí)間為10 s， 開(kāi)裂韌性測(cè)試載荷5 000 g， 加載時(shí)間為15 s）； 拉伸強(qiáng)度測(cè)定方法（ASTMC633）測(cè)試涂層結(jié)合強(qiáng)度。

砂礫沖蝕試驗(yàn)采用砂漿沖蝕實(shí)驗(yàn)機(jī)， 測(cè)試條件： 40～70 目二氧化硅砂+水（砂水比1:10）砂漿沖擊速度40 m/s， 每個(gè)樣品沖3 次， 每次10 min。氣蝕試驗(yàn)參照GB 6383 執(zhí)行， 氣蝕試驗(yàn)條件： 每個(gè)樣品每次2 h， 共測(cè)試6 次， 累計(jì)12 h。 測(cè)試試樣： 304SS 表面進(jìn)行磨削處理（表面粗糙度Ra≈0.8 μm）， 涂層為噴涂態(tài)， 并采用封孔處理。

最后采用六軸機(jī)械手夾持噴槍對(duì)基材修復(fù)后的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行鈷鉻碳化鎢抗磨蝕涂層噴涂， 厚度控制在0.3±0.05 mm， 噴涂后轉(zhuǎn)輪運(yùn)行測(cè)試， 在實(shí)際工況下考核涂層性能。

2 結(jié)果及討論

鈷鉻碳化鎢（WC-10Co-4Cr） 金屬陶瓷材料因其硬度高、 耐磨和耐腐蝕性優(yōu)異， 可應(yīng)用于工況惡劣（腐蝕、 強(qiáng)磨損、 氣蝕等） 的環(huán)境下， 具有其他材料不可替代的優(yōu)勢(shì)。 本文通過(guò)系統(tǒng)對(duì)比噴涂粉末性能、 篩選合適粉末進(jìn)行噴涂工藝參數(shù)開(kāi)發(fā)和優(yōu)化制備出涂層， 并對(duì)涂層常規(guī)性能分析（金相、 硬度、 結(jié)合強(qiáng)度）。

2.1 粉體及涂層常規(guī)性能

鈷鉻碳化鎢粉末形貌及粒度分布如圖1 所示。

圖1 鈷鉻碳化鎢粉末形貌及粒度分布

噴涂鈷鉻碳化鎢粉末為團(tuán)聚燒結(jié)粉， 粉末具有球形度高、 團(tuán)聚好， 粒徑分均勻， 表面粗糙多孔等特點(diǎn)。 粉末激光粒度分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鈷鉻碳化鎢粉末粒度分布表

粉末粒度分布成正態(tài)分布， 粉末粒徑相對(duì)較集中。

采用超音速火焰噴涂制備的鈷鉻碳化鎢涂層的金相組織如圖2 所示， 從圖中可以看出涂層致密（孔隙率小于0.5%）， 組織均勻。 涂層同界面結(jié)合良好， 界面污染率低于10%。

圖2 超音速火焰噴涂鈷鉻碳化鎢涂層金相

涂層的硬度及開(kāi)裂韌性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。 表征材料組織裂紋擴(kuò)展的能力是材料的韌性好壞的一個(gè)定量指標(biāo)， 通常采用壓痕法進(jìn)行測(cè)量， 其測(cè)試原理如圖3 所示。 用硬度計(jì)壓頭在涂層表面壓制壓痕并使其開(kāi)裂， 根據(jù)壓痕斷裂力學(xué)理論可知，在這一開(kāi)裂過(guò)程中， 壓痕裂紋擴(kuò)展唯一動(dòng)力就是壓痕附近材料塑性變形失配導(dǎo)致的殘余應(yīng)力。 處于平衡狀態(tài)下壓痕裂紋其尖端殘余應(yīng)力的強(qiáng)度在數(shù)值上等于材料的開(kāi)裂韌性KC[4]。

圖3 涂層開(kāi)裂韌性測(cè)試原理

表2 涂層硬度及開(kāi)裂韌性測(cè)試值

通過(guò)優(yōu)選噴涂粉末、 優(yōu)化噴涂工藝參數(shù)， 鈷鉻碳化鎢涂層的平均硬度為1 224， 是基材不銹鋼硬度的5～6 倍。 同時(shí)涂層具有優(yōu)異的開(kāi)裂韌性（對(duì)比鈷鉻碳化鎢涂層開(kāi)裂韌性4～5 MPam1/2）。 高的硬度及優(yōu)異的韌性是涂層具有較好抗沖蝕、 抗氣蝕能力的基礎(chǔ)。

噴涂后鈷鉻碳化鎢涂層和基材的結(jié)合強(qiáng)度直接決定涂層的使用壽命， 本文采用拉伸強(qiáng)度測(cè)定方法（ASTMC633）對(duì)涂層的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試， 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鈷鉻碳化鎢涂層的結(jié)合強(qiáng)度 MPa

涂層的平均結(jié)合強(qiáng)度為84 MPa， 且測(cè)試時(shí)的斷裂位置為涂層表面和拉棒粘膠處。 而涂層和基材結(jié)合部位或涂層內(nèi)部無(wú)斷裂， 說(shuō)明涂層自身結(jié)合強(qiáng)度高于測(cè)試值。 高的結(jié)合強(qiáng)度是保證涂層具有較長(zhǎng)服役壽命的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

2.2 涂層抗沖蝕及抗氣蝕性能

為模擬沖擊式水輪機(jī)水斗表面沖蝕和氣蝕磨損狀態(tài)， 采用砂礫沖蝕試驗(yàn)及超聲波氣蝕試驗(yàn)進(jìn)行加速工況模擬測(cè)試， 砂礫沖蝕結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不銹鋼基材及鈷鉻碳化鎢涂層抗砂漿沖蝕性能

從圖4 可以看出： （1）較小的沖蝕角（30°）時(shí)，基體材料體積損失明顯高于垂直角度； （2）沖蝕時(shí)間增加， 基材單位時(shí)間材料體積損失量也增加，鈷鉻碳化鎢涂層單位時(shí)間材料體積損失量呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)， 并趨于穩(wěn)定。 （3）相同砂漿沖蝕測(cè)試時(shí)間內(nèi)， 基體材料的體積量明顯高于涂層。 出現(xiàn)上述結(jié)果的原因在于：

（1）在較小的沖蝕角度（如30°）時(shí)， 砂漿對(duì)基體材料的磨損主要為犁削為主， 同時(shí)當(dāng)基材原始表面粗糙度被破壞， 砂礫犁削基體材料的概率提高， 基體材料損失率也就相應(yīng)增加。 而在較大的沖蝕角度或接近垂直沖蝕時(shí)， 砂礫對(duì)基體材料為錘擊效應(yīng)， 只有當(dāng)錘擊到一定程度， 基體材料因疲勞而失效。

（2）鈷鉻碳化鎢涂層組織為碳化物硬質(zhì)相分布在鈷鉻金屬粘結(jié)相中， 由于噴涂后涂層表面粗糙度相對(duì)較高（Ra4～5 μm）， 沖蝕測(cè)試初期砂礫作用于突出的涂層部分及硬度較低的金屬粘結(jié)相，而當(dāng)沖蝕作用一段時(shí)間后。 砂礫主要作用于涂層的硬質(zhì)相后， 涂層損失率就趨于穩(wěn)定（此時(shí)涂層損失主要由于砂礫撞擊硬質(zhì)相導(dǎo)致硬質(zhì)相部分破碎或砂礫將涂層內(nèi)硬質(zhì)相周?chē)恼辰Y(jié)相沖蝕后導(dǎo)致硬質(zhì)相脫落）， 由于涂層的多相性、 高硬度， 其對(duì)砂礫的犁削和錘擊均有較好效果。 可以顯著提高基體材料的抗沖蝕性能。 而實(shí)際運(yùn)行的沖擊式水輪機(jī)水斗， 其砂礫沖蝕還以小角度沖蝕為主。 因此在水斗表面噴涂鈷鉻碳化鎢涂層可顯著提高水斗的使用壽命。

而水斗在運(yùn)行過(guò)程中由于水壓的變化， 使水汽化產(chǎn)生的微小氣泡在其形成、 發(fā)展、 潰滅過(guò)程中對(duì)水斗表面產(chǎn)生的物理化學(xué)侵蝕作用， 該現(xiàn)象為水輪機(jī)過(guò)流部件氣蝕現(xiàn)象。 該過(guò)程可以參照GB 6383 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加速測(cè)試。 基材及涂層的抗氣蝕能力測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不銹鋼基材及鈷鉻碳化鎢涂層抗氣蝕性能

從圖5 可以看出：（1）隨著氣蝕測(cè)試時(shí)間增加，單位時(shí)間基材體積損失量增大； （2）鈷鉻碳化鎢涂層氣蝕測(cè)試過(guò)程中， 涂層單位時(shí)間涂層的體積損失量逐漸降低， 并趨于平穩(wěn)；（3）氣蝕測(cè)試的初期，基材的氣蝕材料損失率低于涂層材料。 而造成的上述結(jié)果的主要原因?yàn)椋?（a）噴涂后涂層表面粗糙度相對(duì)較高（Ra 4～5 μm）， 而較高的表面粗糙度更有利于氣泡的形成、 潰滅造成氣蝕， 而隨著氣蝕時(shí)間增加， 涂層材料表面趨于穩(wěn)定， 涂層材料氣蝕損失率也趨于穩(wěn)定； （b） 而基材隨著氣蝕時(shí)間增加，表面光潔度倍破壞，基體材料氣蝕損失率逐漸增加， 且損失率的增加速率也逐漸增加。 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)， 隨著服役時(shí)間的增加， 涂層的抗氣蝕能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于基材。

2.3 水斗抗磨蝕涂層噴涂及服役狀況

針對(duì)焊接修復(fù)后水斗， 對(duì)水斗水流沖擊部位采用優(yōu)化后噴涂工藝參數(shù)， 使用六軸機(jī)械手夾持DJ2700 噴槍進(jìn)行噴涂處理。 噴涂過(guò)程中采用涂層專用測(cè)厚設(shè)備監(jiān)測(cè)涂層厚度， 控制涂層厚度在0.3±0.05 mm。 噴涂后采用水輪機(jī)專用封孔劑對(duì)涂層進(jìn)行后處理。 噴涂后涂層顏色均勻一致， 無(wú)起皮、 剝落、 裂紋等缺陷， 涂層封孔層無(wú)流掛、 淚滴等現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)4 個(gè)汛期運(yùn)行， 涂層表面封孔層被沖蝕，但起抗沖蝕、 抗氣蝕的鈷鉻碳化鎢涂層完好， 無(wú)剝落、 裂紋、 起皮等失效現(xiàn)象發(fā)生。 對(duì)比未制備涂層水斗， 4 個(gè)汛期運(yùn)行后， 水斗過(guò)流面氣蝕、 磨損嚴(yán)重， 水斗基材嚴(yán)重減肉， 不進(jìn)行修復(fù)已經(jīng)無(wú)法安全運(yùn)行。 噴涂鈷鉻碳化鎢涂層后水斗抗沖蝕氣蝕能力顯著提升。

3 小結(jié)

本文通過(guò)優(yōu)選噴涂粉體材料， 優(yōu)化噴涂工藝參數(shù)制備出微觀組織均勻、 孔隙率＜0.5%、 平均硬度1 224、 涂層韌性優(yōu)異的鈷鉻碳化鎢涂層。

通過(guò)對(duì)鈷鉻碳化鎢涂層抗砂漿沖蝕、 氣蝕性能測(cè)試， 測(cè)試表明鈷鉻碳化鎢涂層抗沖蝕性能明顯優(yōu)于不銹鋼， 且隨著沖蝕、 氣蝕時(shí)間增加， 涂層的抗砂漿沖蝕、 抗氣蝕效果越明顯。

在修復(fù)后水斗過(guò)流面制備鈷鉻碳化鎢涂層，水斗經(jīng)過(guò)4 個(gè)汛期運(yùn)行， 涂層完好。 涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖蝕、 水蝕性能。