一種用電火花沉積結合雷射熔覆增強金屬水輪機轉輪葉片表面的方法
2023-04-24 20:21:46
一種用電火花沉積結合雷射熔覆增強金屬水輪機轉輪葉片表面的方法
【專利摘要】本發明涉及用電火花沉積結合雷射熔覆增強金屬水輪機轉輪葉片表面的方法，對金屬水輪機轉輪葉片進行電火花沉積結合雷射熔覆處理，可有效解決水輪機轉輪葉片的表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和耐衝擊性等性能，延長金屬水輪機轉輪的使用壽命的問題，方法，用雷射束把鐵鎳基合金粉末熔覆在水輪機轉輪葉片表面上，形成硬質合金塗層，然後在雷射熔覆塗層的基礎上再用電火花沉積WC陶瓷硬質合金，來形成電火花沉積結合雷射熔覆的複合塗層，本發明方法簡單，生產效率高，產品質量好，有效解決了水輪機葉面表面的處理，使水輪機轉輪葉片的表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和耐衝擊性等性能，延長金屬水輪機轉輪的使用壽命，有巨大的經濟和社會效益。
【專利說明】一種用電火花沉積結合雷射熔覆增強金屬水輪機轉輪葉片表面的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及水力發電機械，特別是一種用電火花沉積結合雷射熔覆增強金屬水輪機轉輪葉片表面的方法。
【背景技術】
[0002]水輪機是水力發電常用的重要設備，水力發電是電能的重要來源之一，特別是我國是世界上水力資源極為豐富的國家，水電已成為我國重點發展的可再生能源之一，水力可開發的電能力3.8億kw，年發電量1.9萬億kw.h，相當於11億噸原煤的發電量。我國河流特點之一是含沙量較大，年平均輸沙量1000萬t以上的河流有115條，直接入海泥沙總量達19.4億t。長江及其支流以沙粒硬度高為特點，黃河則以含沙量大為特徵，目前已經運行的100多座大中型水電站中，有嚴重泥沙磨損的約佔40%，在黃河幹支流上這一數值更是高達66.3%，黃河三門峽河段的年輸沙量近16億t，為世界之最，平均含沙量37.5kg/m3，均居各河流之首。據估計，我國有3000萬~4000萬kW裝機容量的各類水輪機存在比較嚴重的泥沙磨蝕問題。它是影響水電廠(站)安全運行的重大問題之一，也會使檢修周期延長，檢修工作量增加，機組運行效率降低，檢修成本提高，影響正常發電量。多泥沙河流上的水輪機運行時，往往泥沙磨損和空蝕同時存在(也有單獨存在之處)，而且互相促進，破壞疊加，大大加速了水輪機過流部件金屬表面的破壞進程，這種磨損和空蝕的聯合作用，通常稱為磨蝕破壞。雖然經過幾代科技工作者和水電廠運行與檢修人員的共同研究與實踐，已經取得了減緩水輪機磨蝕破壞的不少綜合治理成果，但綜觀全局，我國水輪機磨蝕問題還很嚴重，尚未取得突破性進展，許多問題還有待深入研究。
[0003]目前，製造水輪機轉輪的常用的代表性的材料是的普通不鏽鋼和高強度不鏽鋼。國內一般的不鏽鋼水輪機轉輪通常為lCrl8Ni9Ti不鏽鋼、ZG0Crl3Ni5Mo不鏽鋼、0Crl3Ni5Mo 不鏽鋼、ZG0Crl6Ni5Mo 不鏽鋼、ZG0Crl3Ni4Mo 不鏽鋼、00Crl3Ni4Mo 等不鏽鋼等材料製成的。用於水輪機轉輪表面硬化的方法有表面堆焊耐磨材料、表面熱噴塗(包括氧乙炔噴塗、等離子噴塗、電弧噴塗和超音速噴塗)耐磨耐熱材料、電火花沉積、環氧金剛砂塗層、聚氨脂彈性塗層等。雷射表面淬火硬化層薄且設備投資大、維護費用高；表面堆焊耐磨材料成本高、工作效率慢，而且也存在表面加工困難的問題；表面熱噴塗前處理一般採用噴砂，有環境汙染，塗層加工困 難，塗層與基體之間的結合屬於機械結合，塗層與基體結合強度不夠，受到衝擊的時候塗層易疲勞剝落；電火花沉積塗層與基體結合非常牢固，塗層強度和硬度也非常高，但是電火花沉積塗層非常薄，不容易彌補水輪機磨損嚴重的區域；環氧金剛砂塗層與基體結合也屬於機械結合，在強氣蝕區域容易脫落；聚氨脂彈性塗層與基體的結合也屬於機械結合，聚氨脂彈性塗層的抗磨性能雖然較好，但機械強度較差，易於被劃傷，一旦局部被劃傷，相鄰區域就會被撕裂。因此，如何更好的對水輪機轉輪進行處理是本領域技術人員一直在研究解決的技術問題。
【發明內容】
[0004]針對上述情況，為克服現有技術之缺陷，本發明之目的就是提供一種用電火花沉積結合雷射熔覆增強金屬水輪機轉輪葉片表面的方法，對金屬水輪機轉輪葉片進行電火花沉積結合雷射熔覆處理，可有效解決水輪機轉輪葉片的表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和耐衝擊性等性能，延長金屬水輪機轉輪的使用壽命的問題。
[0005]本發明解決的技術方案是，用雷射束把鐵鎳基合金粉末熔覆在水輪機轉輪葉片表面上，形成硬質合金塗層，然後在雷射熔覆塗層的基礎上再用電火花沉積WC陶瓷硬質合金，來形成電火花沉積結合雷射熔覆的複合塗層，步驟是:
1、配製雷射熔覆的鐵鎳合金粉末，該合金粉末是由質量分數百分(％)計的:Fe48-49%、Ni 14.8-15.2%、Cr 14.8-15.2%、W 3.5-4.5%、Mo 5.2-5.8%、B 2.0-3.0%、Si 5.0-6.0%、Co 0.5-1.5%和Al 2.0-3.0%組成；電火花沉積所用的電極材料為亞微米WC-8Co陶瓷硬質合金；
2、採用C02雷射器在氬氣保護狀態下，對葉片基體進行雷射熔覆處理，光束直徑為Φ2-4 mm，雷射功率為3~4 KW，掃描速度為2~5 mm/s，並與雷射束同軸吹入壓強為
0.40-5.0MPa左右氬氣保護，以防止熔體氧化，然後用砂紙把雷射熔覆的後的表面打磨平整，在其上面再用電火花沉積設備(公知常用設備，如北京精誠信電力技術開發公司或中國科學研究院農業技術研究所)把亞微米WC-SCo陶瓷硬質合金電極棒，作為工作陽電極，氬氣中使之與被沉積的水輪機轉輪作陰極之間產生火花放電，直接利用火花放電的能量，在10_5~10_6 s內電極與葉片接觸的部位達到10000~24500 °C，將電極材料轉移至已經被雷射熔覆處理過的水輪機葉片的工作表面，形成了與雷射熔覆塗層冶金結合的電火花沉積層，電火花沉積功率2700~ 3800 W，沉積電壓為140~200V，沉積頻率為1400~2000HZ，沉積速率為0.5~3min/cm2，保護氣體氬氣流量9~12L/min，電極的伸長長度為2~3mm ;
水輪機轉輪葉片經電火花沉積結合雷射熔覆後塗層厚度為I~4mm，塗層與基體形成一個整體,牢固不可脫落；
3、等離子熔覆和電火花沉積完成後，關閉電源和氣源，對葉片表面的硬質合金塗層經磨削或拋光或直接作為葉片使用。
[0006]本發明方法簡單，生產效率高，產品質量好，有效解決了水輪機葉面表面的處理，使水輪機轉輪葉片的表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和耐衝擊性等性能，延長金屬水輪機轉輪的使用壽命，有巨大的經濟和社會效益。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1為本發明的水輪機葉輪結構示意圖。
[0008]圖2為圖1中剖開部位的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0009]以下結合實施例對本發明的【具體實施方式】作詳細說明。
[0010]實施例1
本發明在具體實施中，是由以下方法實現的:
1、配製雷射熔覆的鐵鎳合金粉末，該合金粉末是由質量分數百分(％)計的:Fe 48%、Ni 15%、Cr 15%、W4.4%、Mo 5.6%、B 2.6%、Si 5.6%、Co 1% 和 Al 2.8% 組成；電火花沉積所用的電極材料為亞微米WC-8Co陶瓷硬質合金；
2、採用C02雷射器在氬氣保護狀態下，在水輪機轉輪葉片基體4-1外表面上進行雷射熔覆處理(水輪機轉輪由圖1給出，是由上冠3、下環I和上冠、下環之間的葉片2連接在一起構成，圖中4為葉片剖開部位)，內外表面上分別熔覆出鐵鎳合金粉末層4-2，雷射束直徑為Φ2-4 mm，雷射功率為3~4 KW，掃描速度為2~5 mm/s，並與雷射束同軸吹入壓強為
0.40-5.0MPa左右氬氣保護，以防止熔體氧化，熔覆出鐵鎳合金粉末層4_2後用砂紙把雷射熔覆後的表面打磨平整，再在鐵鎳合金粉末層上面用電火花沉積設備把亞微米WC-SCo陶瓷硬質合金電極棒，作為工作陽電極，氬氣中使之與被沉積的水輪機轉輪葉片作陰極之間產生火花放電，直接利用火花放電的能量，在10_5~10_6 s內電極與葉片接觸的部位達到10000~24500 °C，將電極材料轉移至已經被雷射熔覆處理過的水輪機葉片上的鐵鎳合金粉末層表面，形成與雷射熔覆塗層冶金結合的電火花沉積層4-3，電火花沉積功率2700~3800 W，沉積電壓為140~200V，沉積頻率為1400~2000HZ，沉積速率為0.5~3min/cm2，保護氣體氬氣流量9~12L/min，電極的伸長長度為2~3mm ;
水輪機轉輪葉片經電火花沉積結合雷射熔覆後塗層厚度為I~4mm，塗層與基體形成一個整體,牢固不可脫落；
3、等離子熔覆和電火花沉積後，關閉電源和氣源，對葉片表面的硬質合金塗層經磨削或拋光或直接作為葉片使用。
[0011]實施例2
所述的鐵鎳合金粉末還可以是由質量百分數計的=Fe 48.2%、Ni 15.2%、Cr 14.9%、W4.2%、Mo 5.7%, B 2.9%, Si 5.7%, Co L 1% 和 Al 2.1% 組成，其製備方法同實施例1。
[0012]實施例3
所述的鐵鎳合金粉末還可以是由質量百分數計的=Fe 48.8%,Ni 14.8%,Cr 15.1%、W3.8%、Mo 5.8%、B 2.5%、Si 5.9%、Co 0.9% 和 Al 2.4% 組成，其製備方法同實施例1。
[0013]由上述可以看出，本發明等離子熔覆16000°C和電火花沉積中24500°C的高溫使複合塗層與基體產生冶金結合，經測試，塗層的表面硬度達884.8HV~1293.9HV，基體的硬度為307.1 HV，硬度可提高3~4倍；複合塗層的耐磨性比基體的耐磨性可提高1-3倍，也就是說，本發明所形成的電火花沉積結合雷射熔覆複合塗層與基體結合牢固，塗層之間也呈現溶滲冶金結合，塗層厚度大，使葉片硬度高、緻密性好、耐磨性能好，使用壽命長；複合塗層即發揮了鐵鎳合金粉末價格低廉、塗層厚度大、抗磨抗蝕性能好，又發揮了電火花沉積陶瓷硬質合金的硬度強度高、耐磨性優異的綜合特點。在水輪機葉片上用電火花沉積結合雷射熔覆方法進行表面冶金處理的市場潛力很大。
[0014]與現有技術相比，具有以下突出的技術效果:
1、本發明採用金屬水輪機轉輪為處理熔覆對象，可在零件的易磨損部位獲得大面積和較高表面平整度的高結合力、高硬度、高緻密性、厚度能自由控制的的熔覆合金硬化層，在氬氣保護狀態下獲得熔覆耐磨層的厚度為I~4mm，熔覆層的硬度為HRC56~70，耐磨性提高I~3倍。這樣就提高了金屬水輪機轉輪葉片材料表面的耐磨耐蝕耐衝擊性能，進而提高了水輪機轉輪葉片的使用壽命。
[0015]2、本發明使在複合塗層的表層電火花區域內形成了含有的高硬度非平衡合金組織，含有大量的納米微晶粒子，其硬化機理為納米晶非晶強化、微晶強化、過飽和固溶強化、高硬度化合物彌散強化等。
[0016]3、本發明是在金屬水輪機轉輪上用高能量束的方法使具有高強度、高耐磨性的合金粉末熔覆在金屬水輪機轉輪材料的表面，形成了一層與基體冶金結合的複合合金層，耐磨損，耐腐蝕。由於熔覆沉積處理過程中單個冶金熔池處於無限大的冷態的水輪機轉輪母材上，所以熔池的冷卻速度非常大，就整個水輪機轉輪來說，仍處於常溫狀態或溫升較低，水輪機轉輪不會退火或熱變形。
[0017]4、在金屬水輪機轉輪上熔覆合金粉末和沉積陶瓷硬質合金後複合塗層的厚度、質量和工作效率與熔覆沉積工藝參數電壓、電流、頻率和速度等有關，因此可通過對工藝參數的調節控制來獲得不同的工藝效果。方法簡單，易操作，產品質量好，具有很強的實際應用價值，可廣泛應用於鋼鐵冶 金行業，經濟和社會效益巨大。
【權利要求】
1.一種用電火花沉積結合雷射熔覆增強金屬水輪機轉輪葉片表面的方法，步驟是: (1)、配製雷射熔覆的鐵鎳合金粉末，該合金粉末是由質量分數百分計的:Fe48-49%、Ni 14.8-15.2%, Cr 14.8-15.2%, W 3.5-4.5%, Mo 5.2-5.8%、B 2.0-3.0%, Si.5.0-6.0%、Co 0.5-1.5%和Al 2.0-3.0%組成；電火花沉積所用的電極材料為亞微米WC-8Co陶瓷硬質合金； (2)、採用C02雷射器在氬氣保護狀態下，對葉片基體進行雷射熔覆處理，光束直徑為Φ2-4 mm，雷射功率為3~4 KW，掃描速度為2~5 mm/s，並與雷射束同軸吹入壓強為0.40-5.0MPa氬氣保護，以防止熔體氧化，然後用砂紙把雷射熔覆的後的表面打磨平整，在其上面再用電火花沉積設備把亞微米WC-SCo陶瓷硬質合金電極棒，作為工作陽電極，氬氣中使之與被沉積的水輪機轉輪作陰極之間產生火花放電，直接利用火花放電的能量，在10_5~10_6 s內電極與葉片接觸的部位達到10000~24500 °C，將電極材料轉移至已經被雷射熔覆處理過的水輪機葉片的工作表面，形成了與雷射熔覆塗層冶金結合的電火花沉積層，電火花沉積功率2700~3800 W，沉積電壓為140~200V，沉積頻率為1400~2000HZ，沉積速率為0.5~3min/cm2，保護氣體氬氣流量9~12L/min，電極的伸長長度為2~3mm ; 水輪機轉輪葉片經電火花沉積結合雷射熔覆後塗層厚度為I~4mm，塗層與基體形成一個整體,牢固不可脫落； (3)、等離子熔覆和電火花沉積完成後，關閉電源和氣源，對葉片表面的硬質合金塗層經磨削或拋光或直接作為葉片使用。
2.根據權利要求1所述的用電火花沉積結合雷射熔覆增強金屬水輪機轉輪葉片表面的方法，步驟是: (1)、配製雷射熔覆的鐵鎳合金粉末，該合金粉末是由質量分數百分計的:Fe48%、Ni15%、Cr 15%、W 4.4%、Mo 5.6%、B 2.6%、Si 5.6%、Co 1% 和 Al 2.8% 組成；電火花沉積所用的電極材料為亞微米WC-SCo陶瓷硬質合金； (2)、採用C02雷射器在氬氣保護狀態下，在水輪機轉輪葉片基體(4-1)外表面上進行雷射熔覆處理，內外表面上分別熔覆出鐵鎳合金粉末層(4-2)，雷射束直徑為Φ2-4 mm，雷射功率為3~4 Kff,掃描速度為2~5 mm/s,並與雷射束同軸吹入壓強為0.40-5.0MPa氬氣保護，以防止熔體氧化，熔覆出鐵鎳合金粉末層(4-2 )後用砂紙把雷射熔覆後的表面打磨平整，再在鐵鎳合金粉末層上面用電火花沉積設備把亞微米WC-SCo陶瓷硬質合金電極棒，作為工作陽電極，氬氣中使之與被沉積的水輪機轉輪葉片作陰極之間產生火花放電，直接利用火花放電的能量，在10_5~10_6 s內電極與葉片接觸的部位達到10000~24500 °C，將電極材料轉移至已經被雷射熔覆處理過的水輪機葉片上的鐵鎳合金粉末層表面，形成與雷射熔覆塗層冶金結合的電火花沉積層(4-3)，電火花沉積功率2700~3800 W，沉積電壓為140~200V，沉積頻率為1400~2000HZ，沉積速率為0.5~3min/cm2，保護氣體氬氣流量9~12L/min,電極的伸長長度為2~3mm ； 水輪機轉輪葉片經電火花沉積結合雷射熔覆後塗層厚度為I~4mm，塗層與基體形成一個整體,牢固不可脫落； (3)、等離子熔覆和電火花沉積後，關閉電源和氣源，對葉片表面的硬質合金塗層經磨削或拋光或直接作為葉片使用。
3.根據權利要求1所述的用電火花沉積結合雷射熔覆增強金屬水輪機轉輪葉片表面的方法，其特徵在於，所述的鐵鎳合金粉末是由質量百分數計的=Fe 48.2%、Ni 15.2%、Cr14.9%、W 4.2%、Mo 5.7%、B 2.9%、Si 5.7%、Co 1.1% 和 Al 2.1% 組成。
4.根據權利要求1所述的用電火花沉積結合雷射熔覆增強金屬水輪機轉輪葉片表面的方法，其特徵在於，所述的鐵鎳合金粉末是由質量百分數計的=Fe 48.8%、Ni 14.8%、Cr15.1%、W 3.8%、Mo 5.8%、B 2.5%、Si 5.9%、Co 0.9% 和 Al 2.4% 組成。
【文檔編號】C23C24/10GK103805992SQ201410078307
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年3月5日 優先權日:2014年3月5日
【發明者】王建升, 李勇, 盧海霞, 唐明奇, 馮在強, 閻鎮威, 張玉新 申請人:華北水利水電大學