CN111019480A - 一种水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法，它是对水轮机的底环表面加工抗磨蚀的复合涂层，复合涂层具有基层、底层、中间层、面层。基层为非晶陶瓷涂层；底层为环氧涂层，由A、B组份制成；中间层为抗磨蚀结构涂层，由C、D、E组份制成；面层为浆液聚合物，是将A1、B1两种组份混合制成。用熔射枪将非晶陶瓷粉末熔射在经过喷砂的底环表面而形成基层，将A、B组份拌合得到混合料，将该混合料涂覆在基层的表面而得到环氧涂层，将C、D、E组份的混合料涂抹在底层上热压得到抗磨蚀结构涂层；将浆液聚合物涂覆到中间层上面得到面层，光照保温固化。本发明提高了水轮机底环的抗气蚀、抗磨蚀能力，延长了水轮机底环的使用寿命。

Description

一种水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法
技术领域
本发明涉及一种水轮机过流部件抗磨蚀的表面处理方法，具体是一种水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法。
背景技术
水轮机过流部件，如水轮机底环、转轮、导叶等，往往会受到泥沙的空蚀、磨蚀而导致过流部件表面的金属流失，使设备在运行中产生振动和噪音，造成设备运行效率低下、大修频繁、使用寿命缩短，而且严重影响机组运行稳定性和安全性，造成巨大的经济损失，甚至威胁到整个电网的安全运行。
空蚀和磨损大幅度地缩短了水电机组的检修周期，增加了检修工作量，严重的甚至需要更换部分过流部件。由于检修费用大，检修工期长，因此，它既严重影响电力生产，又造成了巨大的经济损失。与国外水轮机组可用系数达到95％、大修周期8～10年、使用寿命40年以上的情况相比，我国水轮机的发展还相对落后，急需进行新材料、新技术、新工艺的研究和开发。近年来，各国研究人员对防止空蚀和磨损做了大量的研究和试验，目前已总结出了一些防空蚀、磨蚀的经验。目前防空蚀、磨蚀的措施主要有：(1)在水电站的土建设计和建设中合理布置取水口，设置导沙坝、冲沙闸、沉沙池等设施，并在运行中适时进行调水调沙、泄洪排沙、蓄清排浑等，尽量保证水轮机在设计的最佳参数下运行；(2)在水轮机设计和制造中适当选取较低的参数水平，特别是控制降低水轮机转轮出口的相对流速，以达到最优的比转速；(3)对水轮机转轮叶片进行优化设计，如考虑加大导叶分布圆的直径、选择合理叶翼型线、叶片外缘加装裙边等；在转轮结构设计中应注意提高部件的互换性，保证部件在空蚀、磨蚀后容易拆卸、修理和更换；(4)采用相对耐磨的材料(如采用0Cr13Ni4-6Mo高强度不锈钢等)，并提高制造水平和质量，保证加工精度和表面光洁度；(5)过流部件表面实施表面强化和改性，如表面淬火、激光合计化、元素渗入等；表面堆焊耐磨合金、涂抹环氧金刚砂涂层、刷涂或喷涂聚酯或聚脲涂层、金属陶瓷涂层、喷熔金属合金涂层以及热喷涂涂层等。
由于受到工况、效率要求、气候及负荷变化等因素的影响，在实际生产中，前(1)～(4)方法的应用在一些场合下受到限制，但是表面防护技术不受上述因素的限制，因此，目前国内外水轮机过流部件抗空蚀、磨蚀的主要措施正在逐渐向表面防护技术的研究和开发应用方向转移。采用表面防护技术既可节约大量贵重材料，又能使磨损及空蚀严重部位得到恰当的保护，同时也可以较好解决设备制造中的工艺问题。
发明人检索到以下相关专利文献：CN103008987A公开了一种带极焊丝生产混流式水轮机底环抗磨层的制造工艺方法，按照专用退火曲线对焊接件进行去应力退火。退火后喷砂，清理。转加工车间进行第一次加工。加工后转回使用熔化极气体保护焊堆焊底环内圆。内圆堆焊完成后，吊装底环至焊接变位机，把合牢固，堆焊前走车，验证位置精确度，偏心时调整，验证后使用带极堆焊方法堆焊底环上平面抗磨层。堆焊后按照专用退火曲线对底环焊接件进行软化退火，退火后转加工，加工轴孔。CN102925847A公开了一种水轮机过流部件亚微米耐磨蚀涂层的制备方法，步骤一，对要熔射的水轮机过流部件表面进行清洗，去除污垢和氧化皮；步骤二，对过流部件表面进行粗化处理；步骤三，对过流部件表面进行预热，提高WC-Co颗粒与工件接触时的温度，预热范围应超出待喷表面边缘50～100mm，且控制基材温度不超过120℃；步骤四，预热后进行打磨处理，除去表面高温氧化膜；步骤五，采用煤油-氧气喷枪火焰喷涂亚微米WC-Co粉末。CN103276341A公开了一种水轮机过流部件耐磨蚀涂层的喷涂方法，采用高能量密度的火焰枪辅助活化燃烧-超音速火焰喷涂AC-HVAF方法喷涂，具体步骤如下：将涂层材料金属陶瓷粉末烘干；采用金刚砂、棕刚玉或白刚玉对需喷涂的水轮机过流部件进行喷砂处理；采用高能量密度的火焰枪对喷砂处理后的水轮机过流部件表面进行初预热，使水轮机过流部件表面温度达到80-100℃；采用高能量密度的火焰枪对初预热后的水轮机过流部件表面进行再预热的同时采用活化燃烧-超音速火焰喷枪将抗磨蚀涂层材料喷涂于预热后的水轮机过流部件表面，形成具有耐磨蚀功能的涂层；CN101260208A公开了一种用于水轮机过流部件的耐冲蚀材料，它以超高分子量聚乙烯为主要原料，加入纳米二氧化硅改性制得用于水轮机过流部件的复合材料，组分及含量：超高分子量聚乙烯87～91.7wt％，纳米二氧化硅8～12wt％，偶联剂0.04～0.1wt％，稀释剂0.16～0.4wt％，抗氧剂0.1～0.5wt％；制备步骤：(I)纳米二氧化硅颗粒处理；(II)配料与混合；(III)混合粉料加入模具；(IV)模具预压与排空；(V)保温；(VI)加压、冷却、成型、脱模。
以上这些技术对于如何提高水轮机底环的抗气蚀、抗磨蚀能力，从而延长水轮机底环的使用寿命，并未给出具体的指导方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法，采用该表面处理方法能提高水轮机底环的抗气蚀、抗磨蚀能力，从而延长水轮机底环的使用寿命，进而延长水轮机的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法，它是对水轮机的底环表面加工抗磨蚀的复合涂层，其技术方案在于所述的复合涂层从下到上依次具有基层、底层、中间层、面层。下述份数皆为质量份数。
所述的基层为厚度是0.3～0.4mm的(高弹性模量的)非晶陶瓷涂层(非晶-陶瓷涂层)，非晶陶瓷涂层材料由1～1.2份氧化铝、2.2～2.5份氧化锆、1.5～1.7份碳化铬、1～1.2份碳化钼混合制成(得到非晶陶瓷粉末，粉体)，非晶陶瓷涂层材料呈粉末状粉体，粉末状粉体的平均粒径为0.8～1.2微米。所述的底层为环氧涂层，该环氧涂层由使用时均匀拌合在一起的A组份与B组份制成，A组份由100份环氧树脂E-51、20～22份活性稀释剂乙二醇二缩水甘油醚、10～12份活性填料硅微粉混合制成；B组份为由不同特性和比例的固化剂所组成的固化体系，B组份由3～3.5份MA潮湿水下固化剂、1～1.2份YH-82环氧低温固化剂、6～6.5份聚酰胺树脂(低分子量，200型)、1～1.2份DMP-30环氧促进剂混合制成；A组份与B组份的用量配比即质量之比为100∶33～35。所述的中间层为抗磨蚀结构涂层，该抗磨蚀结构涂层由使用时均匀拌合在一起的C组份、D组份与E组份制成，C组份由端异氰酸酯基聚氨酯预聚体改性环氧树脂E-51而得，环氧树脂E-51与端异氰酸酯基聚氨酯预聚体的质量之比为100∶20～22；D组份由使用时均匀拌合在一起的A1组份与B1组份制成，A1组份由100份环氧树脂E-51、20～22份活性稀释剂乙二醇二缩水甘油醚、10～12份活性填料硅微粉混合制成；B1组份为由不同特性和比例的固化剂所组成的固化体系，B1组份由3～3.5份MA潮湿水下固化剂、1～1.2份YH-82环氧低温固化剂、6～6.5份聚酰胺树脂(低分子量，200型)、1～1.2份DMP-30环氧促进剂混合制成；A1组份与B1组份的用量配比即质量之比为100∶27～29；E组份由四种相同质量不同粒度的80目、100目、120目、180目碳化硅即金刚砂混合而成；C组份与D组份的用量配比即质量之比为100∶29～31，E组份的用量为D组份用量的20％～22％。所述的面层(4)为涂覆在中间层(3)上的浆液聚合物，该浆液聚合物是将A1组份与B1组份按上述质量之比即100∶27～29混合，得到混合物F，在混合物F中用稀释剂664聚醚环氧树脂或丙酮或二甲苯将其稀释，稀释剂的用量为混合物F总质量的12％～13％，再加人石墨粉或二琉化钼粉剂，石墨粉或二琉化钼粉剂的用量为混合物F总质量的7％～8％，混合均匀得到浆液聚合物。
所述的水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法包括如下工艺步骤：①加工基层，将工件金属表面即水轮机的底环表面去油去湿，对缺陷部位进行清理，对焊接修复打磨后的底环表面进行喷砂处理，用含硅烷偶联剂的无水乙醇溶液刷涂底环喷砂过的表面，硅烷偶联剂与无水乙醇的质量之比为2～8∶100，对已经经过喷砂处理的区域清洗，至表面无任何杂质和油脂，然后对表面进行喷砂处理，喷砂达到Sa3级，并将金属表面即底环表面加热至50～70℃，用熔射枪将非晶陶瓷粉末熔射在经过喷砂的底环表面而形成基层，熔射过程中控制底环表面的温度在80～120℃之间。②加工底层，将上述的A组份与B组份按所述质量配比均匀拌合在一起得到混合料，将该混合料以使底层厚度在0.5～1mm的用量涂覆在基层的表面而得到环氧涂层，涂覆过程中底环表面的温度为20～25℃。③加工中间层，按中间层的厚度在1.5～2.2mm实施涂抹，按所述质量配比称量C组份、D组份与E组份，先均匀拌和C组份、D组份后再加入由不同粒度的碳化硅混合而成的E组份，将其均匀拌和得到混合料，将该混合料加热至50～55℃，用刮铲或刮板工具涂抹在底层上，并用刮板热压(刮压)而得到抗磨蚀结构涂层，热压过程中控制热压部位局部温度为50～60℃。④加工面层，制备上述的浆液聚合物，待抗磨蚀结构涂层初凝硬化后，将所述的浆液聚合物涂覆到中间层上面而得到面层，完成了面层的浆液聚合物涂覆后，采用光照辐射的方法对面层进行光照保温固化，温度控制在50～55℃，光照时间为8～10小时。
上述技术方案中，优选的技术方案可以是：所述的非晶陶瓷涂层的表面粗糙度为Ra3.2～6.4微米。上述的底层、中间层两者的厚度之和为2～3mm；面层的厚度为0.4～0.8mm。上述A组份中的硅微粉、A1组份中的硅微粉皆为硅烷偶联剂改性硅微粉，粒度≤400目。上述端异氰酸酯基聚氨酯预聚体的制备方法是按质量份数计，将100份聚乙二醇加入烧瓶中，搅拌并升温至50～52℃，在氮气保护下滴加34.8份甲苯二异氰酸酯，30min内滴完，然后升温至60℃，反应2h～3h，即得端异氰酸酯基聚氨酯预聚体；将端异氰酸酯基聚氨酯预聚体与环氧树脂E-51按质量比20～22∶100的比例混合，搅拌下升温至70～75℃，在氮气保护下反应，每小时抽样检测-NCO基团，直至其全部消失，停止反应，即得改性环氧树脂E-51。上述E组份中，不同粒度的混合在一起的碳化硅先使用含无水乙醇溶剂的偶联剂处理，偶联剂与无水乙醇的质量之比为2～8∶100，偶联剂为硅烷偶联剂KH560或者硅烷偶联剂KH570或者硅烷偶联剂KH602或者硅烷偶联剂KH792，偶联剂的用量以将不同粒度的混合在一起的碳化硅湿润即可，然后将所述混合在一起的碳化硅在混合容器或密闭搅拌斧中搅拌15分钟后，在烘箱中120℃烘干燥。上述步骤①中，硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH560，喷砂达到Sa3级后，金属基体表面粗糙度为35μm～40μm。上述步骤①中，熔射枪选用液体燃料加氧气作为能源的大功率高频熔射枪，功率为150KW，燃料和氧气在熔射枪内燃烧室高速燃烧产生3000℃焰流，焰流速度达2000米/秒，送粉器将非晶陶瓷粉末从熔射枪的枪管侧翼送入并被焰流加温至半熔化，在焰流的推力作用下，非晶陶瓷粒子以800米/秒飞行速度熔射在底环表面，形成一个厚度是0.3-0.4mm的光滑非晶陶瓷涂层。上述步骤③中，热压温度为50～60℃，热压时间为20～30分钟，压力为1～2Kg/cm2。
本发明是对水轮机的底环表面加工抗磨蚀的复合涂层，所述的复合涂层从下到上依次具有基层、底层、中间层、面层。基层为非晶陶瓷涂层；底层为环氧涂层，由A、B组份制成；中间层为抗磨蚀结构涂层，由C、D、E组份制成；面层为浆液聚合物，是将A1、B1两种组份混合制成。用熔射枪将非晶陶瓷粉末熔射在经过喷砂的底环表面而形成基层，将A、B组份拌合得到混合料，将该混合料涂覆在基层的表面而得到环氧涂层，将C、D、E组份的混合料涂抹在底层上热压得到抗磨蚀结构涂层；将浆液聚合物涂覆到中间层上面得到面层，光照保温固化。特点是，基层(熔射涂层)制备完成后，在非晶陶瓷涂层(非晶-陶瓷涂层)表面制备一个2～3mm厚的底层、中间层(再加上面层后厚度可为2.5～3.5mm)，它具有良好的耐磨蚀和耐腐蚀性能，涂层具有抗交变冲击重载荷能力，其能量吸收能力足够抵抗47MPa的气蚀冲击波破坏而不脱落，涂层可以实现光固化。本发明采用高频火焰爆震熔射技术在表面熔射一层0.3～0.4mm厚的非晶陶瓷粉末防护涂层，在底环表面整体熔射非晶陶瓷涂层后表面要求涂覆2-3mm厚的陶瓷颗粒高分子复合涂层形成双涂层防护。该方法可以避免传统方法受工况、效率要求、气候及负荷变化等因素的影响较大的弊端，该方法不受上述因素的限制，针对水轮机底环存在的空蚀、磨蚀损伤现象，在分析其损伤的主要原因的基础上，研究开发出对应的修复与表面防护组合工艺及材料，提高了水轮机底环抗空蚀、抗磨蚀能力。涂层组织中引入非晶陶瓷涂层材料，提高了底环的耐腐蚀性，同时保证了高硬度。非晶陶瓷复合(涂层材料)粉末经高频火焰爆震熔射工艺将该复合粉末熔射在过流面表面制备出高弹性模量的非晶陶瓷硬涂层，该涂层韧性和耐腐蚀性比传统碳化钨涂层有明显的改善，提高了涂层的抗空蚀性能，该涂层与基体结合强度达到60Mpa以上，泥沙及偶尔的大颗粒异物的打击冲蚀很难使涂层从基体剥落掉块，涂层能经受手工锤击不脱落，参见图2。
本发明现场应用实践证明，当底层与金属表面粘接强度超过25MPA时，涂层在中等空蚀工况大不易脱落，而底层(环氧涂层)与中间层(抗磨蚀结构涂层)的粘接强度已超30MPA，而底层(与基层)的粘接强度在40MPA以上，而且耐水性优异。表1为底层与中间层(抗磨蚀结构涂层)间粘接强度测定与国内外涂层比较表。
表1
Figure BDA0002330166250000071
聚氨酯改性的环氧基体做成的碳化硅环氧/氨酯复合涂层(Ep/pu)与传统的碳化硅环氧复合涂层(Ep)在转盘的抗磨、抗空蚀试验中进行比较，其磨损与磨蚀性能是不锈钢的3.6倍和2.1倍，耐磨蚀性超过环氧碳化硅涂层，结果如表2。表2为环氧碳化硅Ep和聚氨酯改性环氧碳化硅Ep-pu的磨损和磨蚀性能相对比较表。
表2
Figure BDA0002330166250000072
本发明的底层、中间层形成柔覆高分子复合涂层，其性能见表3。
表3
柔覆高分子复合涂层主要性能： 拉伸剪切强度：30MPa
抗拉强度：50MPa 耐磨性能：碳钢10倍，高铬铸铁2倍以上
耐温：≤120℃ 撕破强度：55N/mm
拉伸模量：7N/mm2 致断伸长率：380％
涂层弹性：45％ 耐盐雾腐蚀：4000小时，3.5NaCl
本发明通过采用抗磨蚀的表面处理方法(防腐新工艺)，提高了水轮机底环的使用寿命和机组运行的稳定性、安全性，如水轮机转轮、导叶等过流部件工作更加稳定、安全，改善了因受到泥沙的空蚀、磨蚀而导致过流部件表面的金属流失，解决了设备在运行中产生振动和噪音造成设备运行效率低下、大修频繁的现状，水轮机底环的抗气蚀、抗磨蚀能力明显提高，与已有相关的技术相比，本发明使水轮机底环的使用寿命延长了50％以上。
附图说明
图1为本发明对水轮机的底环表面加工抗磨蚀的复合涂层的结构示意图。
图2为对比图，图2中(a)为已有技术中喷涂钴碳化钨涂层锤击后涂层掉块的示意图，图2中(b)为采用本发明喷涂非晶陶瓷涂层材料、锤击后涂层凹陷但不掉块的示意图(涂层硬度HRC70-80)。
图3、图4为水轮机的底环表面在修复前的示意图(修复前的照片)。
图5、图6为水轮机的底环表面修复后的效果图(修复后的照片)。
图7为水轮机的底环表面在修复、运行后效果监测图。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。实施例为本发明所述的钻井液用高温抗盐降滤失剂改性树胶树脂及其制备方法。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：如图1所示，本发明所述的水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法，是对水轮机的底环表面加工抗磨蚀的复合涂层。所述的复合涂层从下到上依次具有基层1、底层2、中间层3、面层4，附图标记X为水轮机的底环。下述份数皆为质量份数。所述的基层1为厚度是0.3～0.4mm(选用厚度是0.3mm)的非晶陶瓷涂层(非晶-陶瓷涂层)，非晶陶瓷涂层材料由1份氧化铝、2.2份氧化锆、1.5份碳化铬、1份碳化钼混合制成(得到非晶陶瓷粉末，粉体)，非晶陶瓷涂层材料呈粉末状粉体，粉末状粉体的平均粒径为1微米(即非晶陶瓷涂层材料为粉体，粉体的平均粒径为1微米)。上述的非晶陶瓷涂层的表面粗糙度为Ra3.2～6.4微米。所述的底层2为环氧涂层，该环氧涂层由使用时均匀拌合(均匀混合)在一起的A组份与B组份制成，A组份由100份环氧树脂E-51、20份活性稀释剂乙二醇二缩水甘油醚、10份活性填料硅微粉混合制成。B组份为由不同特性和比例的固化剂所组成的固化体系，B组份由3份MA潮湿水下固化剂、1份YH-82环氧低温固化剂、6份聚酰胺树脂(低分子量，200型)、1份DMP-30环氧促进剂混合制成。A组份与B组份的用量配比即质量之比为100∶33。固化体系考量了涂层在水下长期工作的耐水性需要(而选用MA潮湿水下固化剂)及施工场地冬天气温场合(而选用YH-82环氧低温固化剂)和低分子聚酰胺的固化后韧性好低温下不脆裂的优点(而选用聚酰胺树脂，低分子量，200型)。所述的中间层3为抗磨蚀结构涂层，该抗磨蚀结构涂层由使用时均匀拌合在一起的C组份、D组份与E组份制成，C组份由端异氰酸酯基聚氨酯预聚体改性环氧树脂E-51而得，环氧树脂E-51与端异氰酸酯基聚氨酯预聚体的质量之比为100∶20。D组份由使用时均匀拌合在一起的A1组份与B1组份制成，A1组份由100份环氧树脂E-51、20份活性稀释剂乙二醇二缩水甘油醚、10份活性填料硅微粉混合制成；B1组份为由不同特性和比例的固化剂所组成的固化体系，B1组份由3份MA潮湿水下固化剂、1份YH-82环氧低温固化剂、6份聚酰胺树脂(低分子量，200型)、1份DMP-30环氧促进剂混合制成；A1组份与B1组份的用量配比即质量之比为100∶27.7。E组份由四种相同质量不同粒度的80目、100目、120目、180目碳化硅即金刚砂混合而成(均匀配比或按流体颗粒状况适当配置)；C组份与D组份的用量配比即质量之比为100∶30，E组份的用量为D组份用量的20％。小粒径碳化硅的作用是实际使用时使不同粒度的碳化硅混合物(填料层)空间结合紧密。所述的面层4为涂覆在中间层3上的浆液聚合物，该浆液聚合物是(使用时)将A1组份与B1组份按上述质量之比即100∶27.7混合，得到混合物F，在混合物F中用稀释剂664聚醚环氧树脂(或丙酮或二甲苯)将其稀释，稀释剂的用量为混合物F总质量的12％，再加人石墨粉(或二琉化钼)粉剂，石墨粉(或二琉化钼)粉剂的用量为混合物F总质量的7％，混合均匀得到浆液聚合物。
所述的水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法包括如下工艺步骤：①加工基层1，将工件金属表面即水轮机的底环表面去油去湿，对缺陷部位进行清理，将需补焊处边缘两侧表面不小于15mm范围内的油、垢、锈等污物清理干净，表面不得有裂纹，夹层等缺陷。如有裂纹、重皮应及时剔除，待消除缺陷后，方可开始焊接。采用手工氩弧焊方法焊接，采取断序焊，要求焊接时每段焊缝长度不超过100mm、焊道厚度不大于3mm、焊道宽度不大于6mm。施焊时应严格控制焊接参数，尽量使用小的线能量进行施焊。每段焊道施焊完应马上采用锤击方法消除焊接应力，锤击时要求焊道温度达到120℃以下方可停止锤击。焊口焊完后，焊工应进行认真清理，并进行自检，严禁有咬边、气孔、裂纹缺陷。每个面处理时采用分片处理方法，尽可能保存基准面，每片面积不大于200平方厘米。待焊接及打磨合格后方可进行下一步处理。对焊接修复打磨后的部件进行整体探伤，验收合格后进行下一步。对焊接修复打磨后的底环表面(采用金刚砂)进行喷砂处理，用含硅烷偶联剂的无水乙醇溶液刷涂底环喷砂过的表面，硅烷偶联剂与无水乙醇的质量之比为4∶100，硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH560，对已经经过喷砂处理的区域反复清洗，清除一切杂物和油污，至表面无任何杂质和油脂，然后(采用金刚砂)对表面进行喷砂处理，喷砂达到Sa3级，金属表面的疵点、锈蚀不得存在，显出金属原本色，金属基体表面粗糙度(约38～40μm)。并将金属表面即底环表面加热至50～70℃(选用50～55℃)，用熔射枪(高频熔射枪)将非晶陶瓷粉末熔射在经过喷砂的底环表面而形成基层1，熔射过程中控制底环表面的温度在80～120℃之间(选用100～105℃)。②加工底层2，将上述的A组份与B组份按所述质量配比均匀拌合在一起得到混合料，将该混合料以使底层2厚度在1mm(大约200克/㎡)的用量涂覆在基层1的表面而得到环氧涂层(即第一次涂层)，涂覆过程中底环表面的温度为20～25℃，本步骤中涂覆采用涂覆设备(涂覆机)。③加工中间层3，按中间层3的厚度在2mm实施涂抹，按所述质量配比称量C组份(可以是1000克)、D组份与E组份，先均匀拌和C组份、D组份后再加入由不同粒度的碳化硅混合而成的E组份，将其均匀拌和得到混合料，将该混合料加热至50～55℃，用金属刮铲或塑料刮板工具涂抹在底层(2)上，并用塑料刮板热压(刮压)而得到抗磨蚀结构涂层(配置聚氨酯预聚体改性环氧树脂、碳化硅的抗磨蚀结构层，即第二次涂层)，热压过程中控制热压部位局部温度为50～60℃(选用50～55℃)，热压时间为20分钟，压力为1.5Kg/cm2。此时底层还处于固化过程中，抗磨蚀结构涂层的涂覆使本体中的环氧树脂、固化剂能与底层中的环氧树脂、固化剂相互穿插和绕缠，层面间分子微观的互动反应提高了层间的粘结强度。④加工面层4，面层4的厚度为0.5mm。制备上述的浆液聚合物，(完成了抗磨蚀结构涂层施工后)待抗磨蚀结构涂层初凝硬化后，将所述的浆液聚合物涂覆到中间层3上面而得到面层4(即第三次涂层)，本步骤中涂覆采用涂覆设备(涂覆机)。浆液聚合物制备中所述混合物F用稀释剂稀释、再加人石墨粉或二琉化钼粉剂，便于刷涂的浆液聚合物涂覆至抗磨蚀结构涂层上，使涂层表面光滑无细微空隙缝，增强了光洁度，提升了工作效率。完成了面层4的浆液聚合物涂覆后，采用光照辐射的方法对面层4进行光照保温固化，温度控制在50～52℃，光照时间为10小时。在涂层作业期间，不允许对作业表面进行污染。如果发生污染，则再次涂层作业之前，应当使用无残留清洗剂进行清洗。涂层作业之间发生的污染会影响中间涂层的粘接性能。施工过程中，应保证各层均匀致密，避免漏涂。
上述A组份中的硅微粉、A1组份中的硅微粉皆为硅烷偶联剂改性硅微粉(市售商品)，粒度≤400目。上述端异氰酸酯基聚氨酯预聚体的制备方法是按质量份数计，将100份聚乙二醇加入烧瓶中，搅拌并升温至50～52℃，在氮气保护下滴加34.8份甲苯二异氰酸酯，30min内滴完，然后升温至60℃，反应2h～3h，即得端异氰酸酯基聚氨酯预聚体。将端异氰酸酯基聚氨酯预聚体与环氧树脂E-51按质量比20∶100的比例混合，搅拌下升温至70～75℃，在氮气保护下反应，每小时抽样检测-NCO基团，直至其全部消失，停止反应，即得改性环氧树脂E-51。上述E组份中，不同粒度的混合在一起的碳化硅先使用含无水乙醇溶剂的偶联剂处理，偶联剂与无水乙醇的质量之比为5∶100，偶联剂为硅烷偶联剂KH560或者硅烷偶联剂KH570或者硅烷偶联剂KH602或者硅烷偶联剂KH792，偶联剂的用量根据现场需要以将不同粒度的混合在一起的碳化硅湿润即可，然后将所述混合在一起的碳化硅在混合容器(或密闭搅拌斧)中搅拌15分钟后，在烘箱中120℃烘干燥。目的是强化碳化硅与聚合物的亲和力。需要注意的是：在涂层设计方案确定后，这些材料准备工作可在室内预处理，减少现场工作量。上述步骤①中，熔射枪选用液体燃料加氧气作为能源的大功率高频熔射枪，功率为150KW，燃料和氧气在熔射枪内燃烧室高速燃烧产生3000℃焰流，焰流速度达2000米/秒，送粉器将非晶陶瓷粉末从熔射枪的枪管侧翼送入并被焰流加温至半熔化，在焰流的推力作用下，非晶陶瓷粒子以800米/秒飞行速度熔射在底环表面，形成一个厚度是0.3mm的光滑非晶陶瓷涂层，非晶陶瓷涂层与底环基体的结合强度为60MPa，非晶陶瓷涂层的表面粗糙度为Ra3.2～6.4微米。非晶陶瓷涂层抗气蚀能力是0Cr13Ni5Mo不锈钢的3倍以上，非晶陶瓷涂层硬度＞HRC70(显微硬度HV300≥1050)。
实施本发明所用的设备(施工设备)见表4。
表4
设备名称 规格 数量
高频火焰爆震熔射设备 AMTech-gun 1套
六轴机械手 TCO-20V 1台
螺杆式空气压缩机 Smart22 1台
压力式喷砂机 FDG200 2台
涂层测厚仪 Think-1 1台
硬度计 Time-H 1台
游标卡尺 国标 2套
塞规 国标 1套
砂眼补焊机 Norton 2台
钳工工具 - 2套
移动小车 - 1台
漆工工具一套 - 3套
高温胶布 Gengban 50卷
附图中，图2为对比图，图2中(a)为已有技术中喷涂钴碳化钨涂层锤击后涂层掉块的示意图，图2中(b)为采用本发明高频火焰爆震熔射非晶陶瓷涂层材料(粉体)、锤击后涂层凹陷但不掉块的示意图(涂层硬度HRC70-80)。图3、图4为水轮机的底环表面在修复前的示意图(修复前的照片)，修复前水轮机的底环腐蚀情况严重。图5、图6为水轮机的底环表面修复后的效果图(修复后的照片)，修复后水轮机的底环光滑、有美感，完好无损。图7为水轮机的底环表面在修复、运行后效果监测图。如图7所示，经过3个月的运行，通过工业内窥镜检查，水轮机底环表面上的复合涂层(防磨蚀涂层)完好无脱落，达到了预期目的。
综上所述，本发明提供了一种水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法，采用该表面处理方法能提高水轮机底环的抗气蚀、抗磨蚀能力，从而延长水轮机底环的使用寿命，进而延长水轮机的使用寿命。与已有相关的技术相比，本发明的以上实施例使水轮机底环的使用寿命延长了50％以上。

Claims (9)

1.一种水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法，它是对水轮机的底环表面加工抗磨蚀的复合涂层，其特征在于所述的复合涂层从下到上依次具有基层(1)、底层(2)、中间层(3)、面层(4)；下述份数皆为质量份数；
所述的基层(1)为厚度是0.3～0.4mm的非晶陶瓷涂层，非晶陶瓷涂层材料由1～1.2份氧化铝、2.2～2.5份氧化锆、1.5～1.7份碳化铬、1～1.2份碳化钼混合制成，非晶陶瓷涂层材料呈粉末状粉体，粉末状粉体的平均粒径为0.8～1.2微米；
所述的底层(2)为环氧涂层，该环氧涂层由使用时均匀拌合在一起的A组份与B组份制成，A组份由100份环氧树脂E-51、20～22份活性稀释剂乙二醇二缩水甘油醚、10～12份活性填料硅微粉混合制成；B组份为由不同特性和比例的固化剂所组成的固化体系，B组份由3～3.5份MA潮湿水下固化剂、1～1.2份YH-82环氧低温固化剂、6～6.5份聚酰胺树脂(低分子量，200型)、1～1.2份DMP-30环氧促进剂混合制成；A组份与B组份的用量配比即质量之比为100∶33～35；
所述的中间层(3)为抗磨蚀结构涂层，该抗磨蚀结构涂层由使用时均匀拌合在一起的C组份、D组份与E组份制成，C组份由端异氰酸酯基聚氨酯预聚体改性环氧树脂E-51而得，环氧树脂E-51与端异氰酸酯基聚氨酯预聚体的质量之比为100∶20～22；D组份由使用时均匀拌合在一起的A1组份与B1组份制成，A1组份由100份环氧树脂E-51、20～22份活性稀释剂乙二醇二缩水甘油醚、10～12份活性填料硅微粉混合制成；B1组份为由不同特性和比例的固化剂所组成的固化体系，B1组份由3～3.5份MA潮湿水下固化剂、1～1.2份YH-82环氧低温固化剂、6～6.5份聚酰胺树脂(低分子量，200型)、1～1.2份DMP-30环氧促进剂混合制成；A1组份与B1组份的用量配比即质量之比为100∶27～29；E组份由四种相同质量不同粒度的80目、100目、120目、180目碳化硅即金刚砂混合而成；C组份与D组份的用量配比即质量之比为100∶29～31，E组份的用量为D组份用量的20％～22％；
所述的面层(4)为涂覆在中间层(3)上的浆液聚合物，该浆液聚合物是将A1组份与B1组份按上述质量之比即100∶27～29混合，得到混合物F，在混合物F中用稀释剂664聚醚环氧树脂或丙酮或二甲苯将其稀释，稀释剂的用量为混合物F总质量的12％～13％，再加人石墨粉或二琉化钼粉剂，石墨粉或二琉化钼粉剂的用量为混合物F总质量的7％～8％，混合均匀得到浆液聚合物；
所述的水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法包括如下工艺步骤：①加工基层(1)，将工件金属表面即水轮机的底环表面去油去湿，对缺陷部位进行清理，对焊接修复打磨后的底环表面进行喷砂处理，用含硅烷偶联剂的无水乙醇溶液刷涂底环喷砂过的表面，硅烷偶联剂与无水乙醇的质量之比为2～8∶100，对已经经过喷砂处理的区域清洗，至表面无任何杂质和油脂，然后对表面进行喷砂处理，喷砂达到Sa3级，并将金属表面即底环表面加热至50～70℃，用熔射枪将非晶陶瓷粉末熔射在经过喷砂的底环表面而形成基层(1)，熔射过程中控制底环表面的温度在80～120℃之间；②加工底层(2)，将上述的A组份与B组份按所述质量配比均匀拌合在一起得到混合料，将该混合料以使底层(2)厚度在0.5～1mm的用量涂覆在基层(1)的表面而得到环氧涂层，涂覆过程中底环表面的温度为20～25℃；③加工中间层(3)，按中间层(3)的厚度在1.5～2.2mm实施涂抹，按所述质量配比称量C组份、D组份与E组份，先均匀拌和C组份、D组份后再加入由不同粒度的碳化硅混合而成的E组份，将其均匀拌和得到混合料，将该混合料加热至50～55℃，用刮铲或刮板工具涂抹在底层(2)上，并用刮板热压而得到抗磨蚀结构涂层，热压过程中控制热压部位局部温度为50～60℃；④加工面层(4)，制备上述的浆液聚合物，待抗磨蚀结构涂层初凝硬化后，将所述的浆液聚合物涂覆到中间层(3)上面而得到面层(4)，完成了面层(4)的浆液聚合物涂覆后，采用光照辐射的方法对面层(4)进行光照保温固化，温度控制在50～55℃，光照时间为8～10小时。
2.根据权利要求1所述的水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法，其特征在于上述的非晶陶瓷涂层的表面粗糙度为Ra3.2～6.4微米。
3.根据权利要求1所述的水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法，其特征在于上述的底层(2)、中间层(3)两者的厚度之和为2～3mm；面层(4)的厚度为0.4～0.8mm。
4.根据权利要求1所述的水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法，其特征在于上述A组份中的硅微粉、A1组份中的硅微粉皆为硅烷偶联剂改性硅微粉，粒度≤400目。
5.根据权利要求1所述的水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法，其特征在于上述端异氰酸酯基聚氨酯预聚体的制备方法是按质量份数计，将100份聚乙二醇加入烧瓶中，搅拌并升温至50～52℃，在氮气保护下滴加34.8份甲苯二异氰酸酯，30min内滴完，然后升温至60℃，反应2h～3h，即得端异氰酸酯基聚氨酯预聚体；将端异氰酸酯基聚氨酯预聚体与环氧树脂E-51按质量比20～22∶100的比例混合，搅拌下升温至70～75℃，在氮气保护下反应，每小时抽样检测-NCO基团，直至其全部消失，停止反应，即得改性环氧树脂E-51。
6.根据权利要求1所述的水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法，其特征在于上述E组份中，不同粒度的混合在一起的碳化硅先使用含无水乙醇溶剂的偶联剂处理，偶联剂与无水乙醇的质量之比为2～8∶100，偶联剂为硅烷偶联剂KH560或者硅烷偶联剂KH570或者硅烷偶联剂KH602或者硅烷偶联剂KH792，偶联剂的用量以将不同粒度的混合在一起的碳化硅湿润即可，然后将所述混合在一起的碳化硅在混合容器或密闭搅拌斧中搅拌15分钟后，在烘箱中120℃烘干燥。
7.根据权利要求1所述的水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法，其特征在于上述步骤①中，硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH560，喷砂达到Sa3级后，金属基体表面粗糙度为35μm～40μm。
8.根据权利要求1所述的水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法，其特征在于上述步骤①中，熔射枪选用液体燃料加氧气作为能源的大功率高频熔射枪，功率为150KW，燃料和氧气在熔射枪内燃烧室高速燃烧产生3000℃焰流，焰流速度达2000米/秒，送粉器将非晶陶瓷粉末从熔射枪的枪管侧翼送入并被焰流加温至半熔化，在焰流的推力作用下，非晶陶瓷粒子以800米/秒飞行速度熔射在底环表面，形成一个厚度是0.3-0.4mm的光滑非晶陶瓷涂层。
9.根据权利要求1所述的水轮机底环抗磨蚀的表面处理方法，其特征在于上述步骤③中，热压温度为50～60℃，热压时间为20～30分钟，压力为1～2Kg/cm2。
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