固化工藝和WC顆粒含量對金屬材料修補劑性能的影響

摘 要：針對水輪發電機過流部件在長期服役過程中受到泥沙磨損而發生損傷，采用熱噴涂等表面涂層防護技術可減緩過流部件的泥沙磨損速率，但服役過程中涂層仍然會發生局部脫落，引起基體損傷，金屬材料快速修補劑可發揮良好修補和防護作用。為探明固化工藝及WC含量對快速修補劑強度和耐磨性能的影響，制備了常溫固化和高溫固化樣品，并在修補劑中摻入1%、5%、10%的WC顆粒，對修補劑的粘接強度和耐磨性能進行了測試，結果表明，高溫固化后的修補劑與金屬粘接強度可達50 MPa左右，WC顆粒的摻入降低修補劑的內聚強度，當其含量為1%時，其耐磨性能進一步得到改善和提高，且結合強度仍然達到42 MPa。

關鍵詞：修補劑；固化工藝；耐磨性；粘接強度

中圖分類號：TQ433.4 + 37 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0021-04

Effect of curing process and WC particle content on theproperties of metal material repair agents

WANG Wenbin 1 ，LI Yong 2 ，LIU Diancheng 1 ，XIONG Zhi 1 ，GUO Hong’e 1 ，XIE Weiwei 2 ，

JI Zhengtang 1 ，ZANG Yonggang 1 ，LUO Youde 1 ，WANG Ji 1 ，WU Shihu 1

（1. Huaneng Lancang River Hydropower Co.，Ltd.，Kunming 450001，China；2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710049，China）

Abstract：In view of the damage caused by sediment wear in the long-term service process of the overflow parts ofthe hydrogenerator，the use of surface coating protection technologies such as thermal spraying can slow down thesediment wear rate of the overflow parts，but the coating will still fall off locally during the service process，causingdamage to the matrix，and the metal material rapid repair agent can play a good role in repair and protection. In or?der to find out the effects of curing process and WC content on the strength and wear resistance of the fast repairagent，the samples cured at room temperature and at high temperature were prepared，and the adhesion strength andwear resistance of the repair agent were tested by adding 1%，5% and 10% WC particles into the repair agent，andthe results showed that the bonding strength between the repair agent and the metal after high temperature curing could reach about 50 MPa，and the incorporation of WC particles reduced the cohesive strength of the repair agent，and when its content was 1%，its wear resistance was further improved and increased. And the binding strength stillreached 42 MPa.

Key words：repair agent；curing process；wear resistance；bonding strength

水輪機的過流部件，如轉輪、導葉、頂蓋、底環等在長期服役過程中會發生磨蝕損傷 [1-3] 。超音速火焰噴涂金屬陶瓷涂層是水輪機過流部件防護的主要手段 [3-6] ，然而在長期服役過程中，過流部件局部區域涂層發生脫落失效。涂層脫落后，基體在泥沙作用下，發生嚴重磨損，形成如“勺子”形狀的磨損凹坑。此時，如機組停機并采用焊接修復、噴涂防護等工藝 [7-9] 對該區域進行修復及防護，施工工期長并且會造成發電量損失及高昂的檢修成本。金屬修補劑是將添加了特殊功能材料的環氧類樹脂涂覆于有裂紋、腐蝕、磨損、破裂等缺損的金屬零件表面，以修復金屬或賦予金屬表面特殊功能的一種膠粘劑 [10-12] 。金屬修補劑可在低溫條件下對水輪機的磨損凹坑進行臨時修復，該技術已在生物醫藥 [13] 、石油管道 [14] 、建筑 [15] 、汽輪機 [16-17] 、工程機械 [18] 以及電力設施 [19-20] 等部件表面獲得了廣泛的應用。然而即便是臨時修復，金屬修補劑的耐受時間應至少能保護設備至下一次大修。這就對金屬修補劑的強度和耐磨性提出新的要求。

1 材料和試驗方法

1.1 試驗材料

為了便于檢測修補劑與金屬本體材料的粘接性能，將修補劑涂抹于 45#鋼表面。45#鋼按照GB/T 8642—2002《熱噴涂 抗拉結合強度的測定》的標準加工成Φ25 mm×50 mm的圓柱拉伸對偶樣。在涂覆前，先對對偶樣表面進行噴砂，然后涂覆修補劑，修補劑厚度為1mm左右。抗砂粒沖蝕試樣尺寸：25 mm×25 mm×5 mm。耐磨修補劑：耐磨劑（自制）TC208；耐磨劑摻入1%、5%、10%的WC作為耐磨顆粒。

實驗用材料：0Cr13Ni5Mo（對比試樣）；耐磨劑TC208（常溫固化大于等于24 h；烘箱中35 ℃保溫1 h，升溫至50 ℃ 2 h，緩慢降溫至室溫（15 ℃）。固化時間大于等于24h）；耐磨劑TC208，碳化鎢（WC），15～45微米（1%，烘箱中35 ℃保溫1 h，升溫至50 ℃2 h，緩慢降溫至室溫（15 ℃）。固化時間大于等于24 h；5%，烘箱中35 ℃保溫1 h，升溫至50 ℃ 2 h，緩慢降溫至室溫（15 ℃）。固化時間大于等于24 h；10%，烘箱中35 ℃保溫，1 h，升溫至50 ℃，2 h，緩慢降溫至室溫（15 ℃）。固化時間大于等于24 h。

1.2 固化工藝

分別采用常溫固化工藝和高溫固化工藝，測試前2種工藝固化總時間均≥24 h。高溫固化過程中，將樣品置于烘箱中35℃保溫1h，升溫至50℃保溫2h，緩慢降溫至室溫（15 ℃），固化時間≥24 h后再進行性能測試。

1.3 試驗設備

采用150ST電子萬能試驗機測試耐磨修補劑的粘接強度，試驗過程參照GB/T 8642—2002《熱噴涂抗拉結合強度的測定》標準。采用固體顆粒沖蝕試驗機對耐磨修補劑的抗砂粒沖蝕性能進行測試，試驗過程參照ASTMG 76—2013《空氣噴射固體顆粒沖蝕試驗》標準，沖蝕試驗過程中所用砂粒為100目的棕剛玉，每次沖蝕用砂量為15 g，每個樣品累計經過5次共計75 g砂粒的沖蝕。

2 結果及討論

2.1 修補劑組織結構

修補劑組織如圖1所示。

當修補劑中添加了WC顆粒后，修復層中出現了白亮顏色的顆粒，如圖1（c）、圖1（d）所示，這些顆粒直徑約為20～50 μm，介于大小尺寸的SiC顆粒之間。且這些WC顆粒均為球形團聚粉末顆粒，均勻分散在修復層中。修補劑厚度約為 950 μm，修復層中存在一定氣孔，氣孔形狀呈圓形或橢圓形，氣孔尺寸約60 μm，這些氣孔的形成可能與樣品制備過程中攪拌不充分，固化過程中未及時溢出有關。修復層與基體結合良好，修復層/基體界面無分層現象。修復層由基體相和顆粒相組成。對構成修復層的修補劑和固化劑進行核磁共振分析，基體相為環氧樹脂。

采用掃描電鏡對修復層進行放大檢測，可以發現修復層中包含粒徑為10～400 μm的球形顆粒、長條形顆粒、多邊形顆粒等，這些顆粒均勻的分布在修復層中。通過EDS能譜分析，這些顆粒的主要成分為SiC顆粒。

2.2 粘接強度

圖2展示了加熱固化及WC顆粒添加量對結合強度的影響。

經過拉伸試驗后，所有樣品均斷裂于涂層內部，說明噴砂后修復涂層與基體粘接強度高。WC顆粒添加含量為0時，高溫固化修補劑的粘接強度達到了平均51 MPa的水平，斷裂位置均為修補劑內部，說明修補劑與金屬本體具有更高的粘接強度。常溫固化的修補劑粘接強度僅為7.6 MPa，僅僅只有高溫固化后的1/7，修補劑樣品同樣斷裂在涂層中。從粘接強度數據可見，高溫固化對修補劑粘接強度具有明顯的提升效果，根據文獻[21]，高溫固化有利于促進固化過程的交聯反應過程，對修復劑的強度具有明顯影響。

隨著WC添加劑含量的增加，盡管仍然采用熱固化工藝，但涂層的強度明顯降低，WC含量為1%時，強度降低到42 MPa，降低了16%。當進一步增加WC含量至5%時，強度僅有未添加WC時的50%，進一步增加WC至10%，修補劑強度進一步降低并不明顯。

2.3 耐磨性能

圖3展示了不同WC顆粒含量對耐磨修補劑的沖蝕磨損性能的影響。

隨著WC顆粒的加入，耐磨修補劑的耐沖蝕磨損性能呈現先升高，然后降低的特點。WC顆粒添加劑含量為1%時，耐磨性能明顯優于未摻雜的修補劑，這一現象與文獻[17]～文獻[21]報道的一致，少量添加劑就能使復合材料的耐磨性明顯提高。然而隨著WC顆粒添加劑含量的增加，修補劑的耐磨性能降低。這可能是因為大量的WC顆粒破壞了粘接相的連續性。同時由于WC顆粒表面物理性能與粘接劑之間存在較大的差異，大量的WC顆粒在試驗過程中易于發生脫落。

沖蝕磨損試驗后的激光共聚焦輪廓掃描曲線對比，沒有WC顆粒添加的耐磨修補劑呈表面均勻磨損狀態，磨損深度約為0.99 mm，但磨損痕跡較寬，寬度大于6.2 mm。添加1%的WC顆粒后，磨蝕坑深度為0.91 mm，磨蝕寬度為2.5 mm。添加5%的WC顆粒后磨蝕坑深度為1.12 mm，磨蝕寬度為3.0mm；添加10%的WC顆粒后磨蝕坑深度為1.16 mm，磨蝕寬度為3.5 mm。如果將磨蝕坑斷面簡化為為三角形模型，則不同含量WC摻雜的修補劑分別對應磨蝕坑最大截面積如下表1所示。

由表1可知，最大磨蝕坑最大截面積等效于單位長度磨蝕坑的體積。盡管輪廓會發生起伏，但由磨損坑最大估算截面積仍然可以得出相比無添加或更多添加含量的修補劑而言，添加1%WC顆粒的修補劑在沖蝕磨損過程中，體積損失更小，耐磨性能顯著提高。

3 結語

（1）在應用金屬修補劑時應采用適當高溫進行固化，可顯著提升修補劑強度，熱固化后修補劑平均強度可達50 MPa。無WC添加劑時，在沖蝕磨損情況下，表面發生寬范圍磨損；

（2）WC含量對快速修補劑強度和耐磨性能具有顯著影響，WC顆粒的摻入降低修補劑的內聚強度，當其含量為1%時，其耐磨性能進一步得到改善和提高，此時經過熱固化后強度仍然可達42 MPa；隨著添加劑含量的增加，耐磨性能降低

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（責任編輯：蘇 幔）