CN105598655A - 一种用电火花沉积结合焊接增强金属水轮机转轮叶片表面的方法 - Google Patents

一种用电火花沉积结合焊接增强金属水轮机转轮叶片表面的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用电火花沉积结合焊接增强金属水轮机转轮叶片表面的方法，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，对水轮机转轮进行处理，清除油污、锈斑和氧化物，用熔化极气体保护焊设备把把马氏体不锈钢焊丝焊接在水轮机转轮叶片表面，焊接层用砂片进行表面抛光打磨，用电火花沉积设备将连地线的夹子与作为阴极的水轮机转轮连接，将亚微米WC-Co陶瓷硬质合金电极棒作为阳极固定在沉积枪的夹头上，对水轮机转轮叶片进行电火花沉积，使复合涂层与水轮机转轮叶片冶金结合，本发明方法简单，易操作，涂层厚度大，叶片表面硬度高、致密性好、耐磨性能好，寿命长，成本低。

Description

一种用电火花沉积结合焊接增强金属水轮机转轮叶片表面的方法
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焊接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。国内外目前防止水轮机转轮叶片磨损的主要方式是碳化钨喷涂水轮机磨蚀防护、环氧金刚砂涂层防护、聚氨脂弹性涂层防护、抗磨焊条堆焊防护等。碳化钨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，涂层易疲劳剥落。环氧金刚砂砂浆涂层与水轮机转轮叶片的结合方式也属于机械结合，在强汽蚀区，如叶片进水边背面、间隙空化带、出水边和中环中下部等处的防护材料基本脱落。聚氨脂弹性涂层防护中聚氨脂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；强空化区空化击穿，使粘接层被破坏，造成涂层脱落。
表面堆焊耐磨材料是目前水轮机转轮磨损修补的主要方式，但是堆焊修补的焊条的硬度强度不够高、耐磨性能差、使用寿命短。因此，如何更好的对水轮机转轮叶片表面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焊接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焊接处理，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，用熔化极气体保护电弧焊（MAG）把马氏体不锈钢气体保护焊丝熔焊在水轮机转轮叶片表面上，形成合金涂层，然后在焊接涂层的基础上再用电火花沉积WC-Co陶瓷硬质合金，制备出电火花沉积结合焊接的复合涂层，步骤是：
（1）、对水轮机转轮进行处理，清除油污、锈斑和氧化物，用熔化极气体保护焊设备把把马氏体不锈钢焊丝焊接在水轮机转轮叶片表面，焊接时，电流为220～250A，电弧电压30～38V，焊接速度15～35cm/min，电源极性为直流反接，焊丝直径1-1.2mm，焊丝伸出长12～20mm，采用氩气与二氧化碳混合气体保护，氩气与二氧化碳的体积比为95︰5（即体积百分比为：氩气95%、二氧化碳5%），气体流15～25L/min，水轮机转轮焊接区预热温度100～120℃；
（2）、在水轮机转轮叶片焊接层用砂片进行表面抛光打磨，使表面平整，无裂纹，无气孔、无沙眼；
（3）、用电火花沉积设备将连地线的夹子与作为阴极的水轮机转轮连接，将亚微米WC-Co陶瓷硬质合金电极棒作为阳极固定在沉积枪的夹头上，对抛光打磨的水轮机转轮叶片进行电火花沉积，沉积枪夹持的电极采用旋转方式，沉积时沉积枪转速为2400r/min，输出功率为3800～4000W，输出电压为180～200V，放电频率为1800～2000HZ，沉积速率为0.5～2min/cm2，电极的伸长度为2～4mm，在氩气保护下，氩气流量7～9L/min，电极棒与水轮机转轮叶片表面呈倾斜状进行电火花沉积，把亚微米WC-Co陶瓷硬质合金材料熔融在水轮机转轮叶片焊接后的表面上，往复多次成厚度1-8mm细致均匀白亮的电火花沉积焊接复合涂层，焊接和电火花沉积中25000℃的高温使复合涂层与水轮机转轮叶片基体产生冶金结合，构成牢固结合不会脱落的一个整体；
所述的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金电极棒是由重量百分计的：WC90-94%、Co6-10%为材料制成。
本发明方法简单，易操作，形成的电火花沉积结合焊接复合涂层与基体结合牢固，涂层厚度大，使处理后的叶片表面硬度高、致密性好、耐磨性能好，使用寿命长；复合涂层即发挥了氩弧焊焊接不锈钢焊丝的***格低廉、涂层厚度大等优势，又发挥了电火花沉积陶瓷硬质合金的硬度强度高、耐磨性能优异的综合特点，经济效益巨大。
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。
本发明在具体实施中，可由以下实施例给出。
实施例1
本发明在具体实施中，是由以下步骤实现的：
（1）、对水轮机转轮进行处理，清除油污、锈斑和氧化物，用熔化极气体保护焊设备把把马氏体不锈钢焊丝焊接在水轮机转轮叶片表面，焊接时，电流为230～240A，电弧电压32～36V，焊接速度20～30cm/min，电源极性为直流反接，焊丝直径1.1-1.2mm，焊丝伸出长15～18mm，采用氩气与二氧化碳混合气体保护，氩气与二氧化碳的体积比为95︰5（即体积百分比为：氩气95%、二氧化碳5%），气体流18～23L/min，水轮机转轮焊接区预热温度105～115℃；
（2）、在水轮机转轮叶片焊接层用砂片进行表面抛光打磨，使表面平整，无裂纹，无气孔、无沙眼；
（3）、用电火花沉积设备将连地线的夹子与作为阴极的水轮机转轮连接，将亚微米WC-Co陶瓷硬质合金电极棒作为阳极固定在沉积枪的夹头上，对抛光打磨的水轮机转轮叶片进行电火花沉积，沉积枪夹持的电极采用旋转方式，沉积时沉积枪转速为2400r/min，输出功率为3850～3950W，输出电压为185～195V，放电频率为1850～1950HZ，沉积速率为1～1.5min/cm2，电极的伸长度为2.5～3.5mm，在氩气保护下，氩气流量7.5～8.5L/min，电极棒与水轮机转轮叶片表面呈倾斜状进行电火花沉积，把亚微米WC-Co陶瓷硬质合金材料熔融在水轮机转轮叶片焊接后的表面上，往复多次成厚度3-6mm细致均匀白亮的电火花沉积焊接复合涂层，焊接和电火花沉积中25000℃的高温使复合涂层与水轮机转轮叶片基体产生冶金结合，构成牢固结合不会脱落的一个整体；
所述的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金电极棒是由重量百分计的：WC91-93%、Co7-9%为材料制成。
实施例2
本发明在具体实施中，可由以下步骤实现的：
（1）、对水轮机转轮进行处理，清除油污、锈斑和氧化物，用熔化极气体保护焊设备把把马氏体不锈钢焊丝焊接在水轮机转轮叶片表面，焊接时，电流为235A，电弧电压34V，焊接速度25cm/min，电源极性为直流反接，焊丝直径1.2mm，焊丝伸出长16mm，采用氩气与二氧化碳混合气体保护，氩气与二氧化碳的体积比为95︰5，气体流20L/min，水轮机转轮焊接区预热温度110℃；
（2）、在水轮机转轮叶片焊接层用砂片进行表面抛光打磨，使表面平整，无裂纹，无气孔、无沙眼；
（3）、用电火花沉积设备将连地线的夹子与作为阴极的水轮机转轮连接，将亚微米WC-Co陶瓷硬质合金电极棒作为阳极固定在沉积枪的夹头上，对抛光打磨的水轮机转轮叶片进行电火花沉积，沉积枪夹持的电极采用旋转方式，沉积时沉积枪转速为2400r/min，输出功率为3900W，输出电压为190V，放电频率为1900HZ，沉积速率为1.5min/cm2，电极的伸长度为3mm，在氩气保护下，氩气流量8L/min，电极棒与水轮机转轮叶片表面呈倾斜状进行电火花沉积，把亚微米WC-Co陶瓷硬质合金材料熔融在水轮机转轮叶片焊接后的表面上，往复多次成厚度1-8mm细致均匀白亮的电火花沉积焊接复合涂层，焊接和电火花沉积中25000℃的高温使复合涂层与水轮机转轮叶片基体产生冶金结合，构成牢固结合不会脱落的一个整体；
所述的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金电极棒是由重量百分计的：WC92%、Co8%为材料制成。
本发明经实验和测试，涂层中出现大量纳米微晶颗粒，致使涂层致密度高；焊接和电火花沉积中25000℃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1678.1HV～1896.3HV，而基体的硬度为310HV，硬度可提高5-6倍；复合涂层的耐磨性比基体的耐磨性可提高3-6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，可在水轮机转轮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复合合金硬化层，在气体保护状态下获得熔覆耐磨层的厚度为1～8mm，硬度为HRC65～78，耐磨性提高3-6倍，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强化、微晶强化、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、高耐磨性的陶瓷硬质合金熔覆在金属水轮机转轮焊接材料的表面，形成了一层与基体冶金结合的复合合金层，耐磨损，耐冲击。由于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，可达10-6～10-7℃/s,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焊接不锈钢焊丝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，因此可通过对操作工艺参数的调节控制来获得不同的技术效果，应用面广。方法简单，易操作，产品质量好，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 (3)

1.一种用电火花沉积结合焊接增强金属水轮机转轮叶片表面的方法，其特征在于，用熔化极气体保护电弧焊把马氏体不锈钢气体保护焊丝熔焊在水轮机转轮叶片表面上，形成合金涂层，然后在焊接涂层的基础上再用电火花沉积WC-Co陶瓷硬质合金，制备出电火花沉积结合焊接的复合涂层，步骤是：
（1）、对水轮机转轮进行处理，清除油污、锈斑和氧化物，用熔化极气体保护焊设备把把马氏体不锈钢焊丝焊接在水轮机转轮叶片表面，焊接时，电流为220～250A，电弧电压30～38V，焊接速度15～35cm/min，电源极性为直流反接，焊丝直径1-1.2mm，焊丝伸出长12～20mm，采用氩气与二氧化碳混合气体保护，氩气与二氧化碳的体积比为95︰5，气体流15～25L/min，水轮机转轮焊接区预热温度100～120℃；
（2）、在水轮机转轮叶片焊接层用砂片进行表面抛光打磨，使表面平整，无裂纹，无气孔、无沙眼；
（3）、用电火花沉积设备将连地线的夹子与作为阴极的水轮机转轮连接，将亚微米WC-Co陶瓷硬质合金电极棒作为阳极固定在沉积枪的夹头上，对抛光打磨的水轮机转轮叶片进行电火花沉积，沉积枪夹持的电极采用旋转方式，沉积时沉积枪转速为2400r/min，输出功率为3800～4000W，输出电压为180～200V，放电频率为1800～2000HZ，沉积速率为0.5～2min/cm2，电极的伸长度为2～4mm，在氩气保护下，氩气流量7～9L/min，电极棒与水轮机转轮叶片表面呈倾斜状进行电火花沉积，把亚微米WC-Co陶瓷硬质合金材料熔融在水轮机转轮叶片焊接后的表面上，往复多次成厚度1-8mm细致均匀白亮的电火花沉积焊接复合涂层，焊接和电火花沉积中25000℃的高温使复合涂层与水轮机转轮叶片基体产生冶金结合，构成牢固结合不会脱落的一个整体；
所述的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金电极棒是由重量百分计的：WC90-94%、Co6-10%为材料制成。
2.根据权利要求1所述的用电火花沉积结合焊接增强金属水轮机转轮叶片表面的方法，其特征在于，由以下步骤实现的：
（1）、对水轮机转轮进行处理，清除油污、锈斑和氧化物，用熔化极气体保护焊设备把把马氏体不锈钢焊丝焊接在水轮机转轮叶片表面，焊接时，电流为230～240A，电弧电压32～36V，焊接速度20～30cm/min，电源极性为直流反接，焊丝直径1.1-1.2mm，焊丝伸出长15～18mm，采用氩气与二氧化碳混合气体保护，氩气与二氧化碳的体积比为95︰5，气体流18～23L/min，水轮机转轮焊接区预热温度105～115℃；
（2）、在水轮机转轮叶片焊接层用砂片进行表面抛光打磨，使表面平整，无裂纹，无气孔、无沙眼；
（3）、用电火花沉积设备将连地线的夹子与作为阴极的水轮机转轮连接，将亚微米WC-Co陶瓷硬质合金电极棒作为阳极固定在沉积枪的夹头上，对抛光打磨的水轮机转轮叶片进行电火花沉积，沉积枪夹持的电极采用旋转方式，沉积时沉积枪转速为2400r/min，输出功率为3850～3950W，输出电压为185～195V，放电频率为1850～1950HZ，沉积速率为1～1.5min/cm2，电极的伸长度为2.5～3.5mm，在氩气保护下，氩气流量7.5～8.5L/min，电极棒与水轮机转轮叶片表面呈倾斜状进行电火花沉积，把亚微米WC-Co陶瓷硬质合金材料熔融在水轮机转轮叶片焊接后的表面上，往复多次成厚度3-6mm细致均匀白亮的电火花沉积焊接复合涂层，焊接和电火花沉积中25000℃的高温使复合涂层与水轮机转轮叶片基体产生冶金结合，构成牢固结合不会脱落的一个整体；
所述的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金电极棒是由重量百分计的：WC91-93%、Co7-9%为材料制成。
3.根据权利要求1所述的用电火花沉积结合焊接增强金属水轮机转轮叶片表面的方法，其特征在于，由以下步骤实现的：
（1）、对水轮机转轮进行处理，清除油污、锈斑和氧化物，用熔化极气体保护焊设备把把马氏体不锈钢焊丝焊接在水轮机转轮叶片表面，焊接时，电流为235A，电弧电压34V，焊接速度25cm/min，电源极性为直流反接，焊丝直径1.2mm，焊丝伸出长16mm，采用氩气与二氧化碳混合气体保护，氩气与二氧化碳的体积比为95︰5，气体流20L/min，水轮机转轮焊接区预热温度110℃；
（2）、在水轮机转轮叶片焊接层用砂片进行表面抛光打磨，使表面平整，无裂纹，无气孔、无沙眼；
（3）、用电火花沉积设备将连地线的夹子与作为阴极的水轮机转轮连接，将亚微米WC-Co陶瓷硬质合金电极棒作为阳极固定在沉积枪的夹头上，对抛光打磨的水轮机转轮叶片进行电火花沉积，沉积枪夹持的电极采用旋转方式，沉积时沉积枪转速为2400r/min，输出功率为3900W，输出电压为190V，放电频率为1900HZ，沉积速率为1.5min/cm2，电极的伸长度为3mm，在氩气保护下，氩气流量8L/min，电极棒与水轮机转轮叶片表面呈倾斜状进行电火花沉积，把亚微米WC-Co陶瓷硬质合金材料熔融在水轮机转轮叶片焊接后的表面上，往复多次成厚度1-8mm细致均匀白亮的电火花沉积焊接复合涂层，焊接和电火花沉积中25000℃的高温使复合涂层与水轮机转轮叶片基体产生冶金结合，构成牢固结合不会脱落的一个整体；
所述的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金电极棒是由重量百分计的：WC92%、Co8%为材料制成。
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