水輪機納米WC抗磨蝕陶瓷涂層性能研究及應用

曹 力，趙 堅，陳小明，伏 利，毛鵬展，馬紅海

(1.新疆卡拉貝利水利樞紐工程建設管理局，新疆喀什844000；2.水利部杭州機械設計研究所，浙江杭州310012；3.水利部產品質量標準研究所，浙江杭州310012；4.浙江省水利水電裝備表面工程技術研究重點實驗室，浙江杭州310012)

水輪機納米WC抗磨蝕陶瓷涂層性能研究及應用

曹 力1，趙 堅2，3，陳小明2，3，伏 利3，4，毛鵬展2，3，馬紅海2，4

(1.新疆卡拉貝利水利樞紐工程建設管理局，新疆喀什844000；2.水利部杭州機械設計研究所，浙江杭州310012；3.水利部產品質量標準研究所，浙江杭州310012；4.浙江省水利水電裝備表面工程技術研究重點實驗室，浙江杭州310012)

解決水輪機過流部件的磨蝕問題是高泥沙含量河流建設水電站的重要課題。采用超音速火焰熱噴涂技術與納米改性技術相結合，在水輪機過流部件基材上制備納米WC抗磨蝕陶瓷涂層，通過對磨、電化學、沖蝕等試驗，檢驗該涂層性能。結果表明：該納米WC陶瓷涂層具有遠高于基材的顯微硬度、耐磨性能以及耐沖蝕性能，與基材之間形成高強度的結合。通過機器人模擬耦合技術實現良好的曲面編程，確保涂層性能的穩定。將其應用到新疆卡拉貝利水電站等高泥沙河流電站的機組過流部件表面，具有顯著的抗泥沙磨蝕效果。

超音速熱噴涂；納米WC陶瓷涂層；泥沙磨蝕；卡拉貝利水電站

0 引 言

我國大部分的河流都有較高的泥沙含量，會對水電站水輪機造成嚴重的磨損，如小浪底水電站、三門峽水電站、萬家寨水電站等，以及目前正在建設的卡拉貝利水電站也將面臨這一問題。卡拉貝利水電站修建在新疆克孜河上，該河流的多年平均含沙量為6.94 kg/m3，且砂粒硬度高、顆粒大，會對水輪機過流部件造成嚴重的泥沙磨蝕破壞，如轉輪、頂蓋、底環、導葉等，對水輪機的性能及正常運行也會產生十分不利的影響，因此亟需采取有效措施解決水輪機過流部件的磨蝕問題[1-3]。

對于水輪機泥沙磨蝕問題，近幾十年來各國工程師及學者開展了多種方法的研究，如表面堆焊、涂覆環氧金剛砂涂層、刷涂聚氨酯等，雖然獲得了一定的進展，但仍未能達到滿意的效果[4- 6]。近年來，由于WC陶瓷涂層具有結合強度高、耐磨性能好等特點，使得熱噴涂WC涂層技術成為了一種解決水輪機過流部件抗磨蝕的新技術，并且在國內的一些電站獲得了研究與應用，如王華仁[7]等在沙坡頭電廠水輪機葉片上進行了超音速耐泥沙磨蝕技術的應用，采用Sulzer Metco公司的DJ2700噴涂系統以及Amdry5843微米粉末制備涂層，起到了一定的效果；程廣福[8]等對高速火焰噴涂技術在水輪機抗磨蝕方面也進行了一定的應用研究。目前的研究及應用大多采用氧-丙烷的噴涂系統及常規的微米WC粉末，雖然可以起到一定的抗磨蝕效果，但由于噴涂焰流速度較低等原因使得涂層的孔隙率、硬度、結合強度等性能仍存在不足，并且Amdry5843粉末為進口粉，價格十分昂貴，無法全面推廣應用[9-11]。本文采用超音速熱噴涂技術與納米改性技術相結合的方式，能夠發揮納米改性技術的特性，大幅提高涂層的性能。針對卡拉貝利水電站的過流部件，進行了涂層的工藝設計及制備，并對涂層性能及抗磨蝕效果進行了系統的測試分析。同時該粉末為自主研發的粉末，成本大幅降低。同時還研發了機器人模擬耦合技術，在大面積曲面噴涂時仍能保證涂層厚度、性能等的穩定性。

1 抗磨蝕涂層制備及性能測試方法

1.1 抗磨蝕涂層制備方法

采用與水利部杭州機械設計研究所合作研發的技術工藝，以及研究所研制的S4020納米改性WC粉末，利用HV-50超音速火焰噴涂設備在水輪機過流部件基材0Cr13Ni5Mo表面制備WC金屬陶瓷抗磨蝕涂層，涂層厚度為200～250 μm。

1.2 涂層性能測試分析方法

涂層制備完成后對試樣進行去離子水漂洗、超聲波清洗、干燥，并進行一系列的測試分析實驗，實驗內容包括：采用卡爾蔡司公司的ULTRA55場發射掃描電子顯微鏡(SEM)測定試樣的表面形貌分析；采用KMM-500金相分析儀測試涂層的孔隙率；采用WDW-50微機控制電子萬能試驗機以及按照國標GB/T18179—2002進行結合強度測試；采用HXD-1000TMC顯微硬度計測試試樣的顯微硬度，峰值載荷為200 g，加載時間10 s；采用中科院蘭州物理所研制的HT-1000型球-盤摩擦磨損試驗機考察試樣在干摩擦下的磨損性能，采用Φ4 mm 氮化硅陶瓷球進行對磨，實驗時間為60 min，載荷為500 g，摩擦圓半徑為6 mm，轉速1 120 r/min，并采用賽多利斯LE225D 1/105電子天平進行失重稱量；采用RST5200電化學工作站測試涂層的耐蝕性能。采用SQC-200沖蝕試驗機模擬砂石磨損以及水環境腐蝕，砂子濃度為40%，攪動砂子的葉片轉速為500 r/min，分析測試涂層在水砂環境中的抗沖蝕能力。

2 試驗結果與分析

2.1 納米WC金屬陶瓷涂層SEM形貌、孔隙率及結合強度分析

采用HV-50超音速熱噴涂技術制備的WC陶瓷涂層具有致密的表面形貌，較低的孔隙率僅為0.45%，涂層截面呈致密的層狀結構，涂層與基體之間呈鋸齒形緊密結合(如圖1所示)。這是由于HV-50超音速火焰噴涂設備具有較高的焰流速度，達到11個Ma，粉末粒子速度達到1 500 m/s以上，使得半熔融的粉末粒子以更高的速度沖擊到基材表面形成致密的涂層，并且高的沖擊力使涂層在基材表面的應力為壓應力，有利于涂層與基體之間的高強度結合[12-14]。涂層與基材的結合強度測試結果高于75 MPa，能夠滿足實際的工程應用，有利于提高涂層的使用壽命。

圖1 納米WC金屬陶瓷涂層橫截面的SEM形貌

2.2 納米WC金屬陶瓷涂層的硬度及耐干磨損性能測試

基材為0Cr13Ni5Mo的高硬度不銹鋼，其硬度較普通碳鋼已有了較大幅度的提高，但仍無法抵御高速泥沙的磨損，而納米WC金屬陶瓷涂層的硬度值高于1380HV0.2，是基材的3.4倍以上，因此會獲得遠高于基材的抗泥沙磨損能力。圖2所示為基體及WC陶瓷涂層與氮化硅球對磨的摩擦系數曲線。可以看出，基體的摩擦系數持續較大的波動并處于較高的值，說明隨著摩擦磨損試驗的進行，基材無法抵御對磨球的磨損破壞，被不斷的磨削下來的金屬粉末與對磨球發生反復摩擦；而涂層的摩擦系數在最初的時間內較高，之后持續下降并趨于較低的值，說明涂層在剛接觸對磨球的短時間內界面較為粗糙并發生磨損，之后摩擦界面被持續的重復摩擦，摩擦界面越來越光滑，耐磨損性能被強化。基材和納米WC陶瓷涂層在相同的實驗條件下，經過180 min摩擦磨損實驗后，基材被磨出一個明顯的凹坑，而涂層表面僅出現一道不明顯的磨痕(如圖3所示)。并且經過稱量得到涂層的磨損失質量為0.47 mg，僅為基材的1/145。說明，使用該涂層后，基材表面的抗磨性能和使用壽命將會有大幅度的提高。

圖2 基材與涂層的干摩擦系數

圖3 基材與涂層的耐干磨損性能對比照片

2.3 納米WC陶瓷涂層與基材的電化學性能測試分析

納米WC陶瓷涂層與基材的電化學腐蝕電位如圖4所示。從圖中可以看出，陶瓷涂層的腐蝕電位略高于基材的腐蝕電位，并且涂層的腐蝕電流密度(icorr=3.054×10-7A/cm2)略低于基材的腐蝕電流密度(icorr=4.054×10-7A/cm2)，說明納米WC陶瓷涂層的耐蝕性能要略優于基材。這是由于涂層中Cr等耐腐蝕金屬相會在表面形成抗磨蝕的鈍化膜，同時涂層致密的結構對于腐蝕介質的擴散起到一定的阻礙作用，使得涂層具備優良的耐腐蝕性能。

圖4 基材與涂層的腐蝕電位

2.4 納米WC陶瓷涂層與基材的抗沖蝕性能測試分析

采用40%石英砂的水環境對基材與涂層的抗沖蝕性能進行模擬實驗。基材及涂層同時在水中經過12 h的石英砂沖蝕實驗后，表面形貌照片如圖5所示。從圖中可以看出，基材在砂子與水的綜合沖蝕作用下已發生了嚴重的損壞，兩個尖角及表面發生明顯的磨損，而納米陶瓷涂層表面狀態保持良好，未發生明顯磨損及剝落等情況。經過稱重測試，納米涂層的質量損失僅為基材的1/25，說明涂層具有遠高于基材的抗泥沙沖蝕能力。

圖5 基材與涂層的耐沖蝕性能對比照片

3 實施及應用

3.1 機器人模擬耦合技術的應用

由于水輪機過流部件為大型的復雜曲面結構，較難實現機器人自動化噴涂。而恒定的線速度、噴涂角度以及噴涂距離對抗磨蝕涂層的性能有著極大的影響，人工噴涂無法實現這一點。采用針對水輪機過流部件開發的機器人模擬耦合技術可以自動生成機器人運行軌跡，并在實際的噴涂過程中進行簡單校核就可以實現大型曲面工件的自動化噴涂。保持勻速、等距離以及基材表面法線方向的噴涂，可以很好的實現在大面積曲面工件噴涂時獲得厚度、致密性均勻的涂層，保證了涂層的穩定可靠及高性能。

3.2 噴涂前處理工藝

噴涂前處理工藝直接影響到涂層與基材的結合強度，必須嚴格實施：①表面除油，可以采用乙醇、丙酮的清洗劑對工件表面進行徹底的清洗，不能殘留任何的油脂，并且除油后要保持工件的干燥；②表面除銹及粗化，采用干燥無油的壓縮空氣以及剛玉砂對工件表面進行除銹及粗化處理，剛玉砂的規格為450～1 000 μm，工件表面粗糙度達到6.3～12.5 μm，表面潔凈度達到Sa3級，表面不得存在陰影、疵點、銹蝕等。

3.3 噴涂時涂層厚度及溫度的控制

噴涂過程中基體溫度是重點的工藝控制目標之一，過高的溫度會引起涂層開裂、基體變形等不利影響；過低的基體溫度又會使涂層和基體之間產生較大的熱應力，不利于涂層與基體的結合，因此一般控制在100 ℃左右。同時熱噴涂涂層是由一層一層多次疊加而成的。單層厚度對涂層的整體性能有著較大的影響，過厚會降低涂層的致密性及結合強度；過薄既會影響噴涂的效率又會導致噴涂遍數過多而造成基體溫度過高，因此單層厚度一般控制在10～15 μm。并且涂層的總體厚度也不宜過厚，一般控制在250～350 μm。

3.4 納米WC抗磨蝕陶瓷涂層技術的應用

目前該套技術已在黃河小浪底水電站機組上進行了應用，并且也將在新疆卡拉貝利水電站水輪機組上進行應用，這將有效提高這些高泥沙河流水輪機組的抗泥沙磨蝕能力，大幅延長過流部件的使用壽命。

4 結 語

(1)采用HV-50超音速熱噴涂技術以及納米改性WC粉末可以在水輪機過流部件基材表面制備出高性能的金屬陶瓷涂層，該涂層具有致密的表面形貌，極低的孔隙率，能夠與基體之間形成高強度的結合。

(2)該納米改性WC陶瓷涂層的顯微硬度值遠高于基材，是基材的3.4倍以上，耐干摩擦磨損性能高達基材的145倍，耐石英砂與水的綜合沖蝕性能是基材的25倍以上，具有顯著的抗磨損、耐沖蝕效果。

(3)該涂層技術的應用可以大幅提高水輪機過流部件的抗泥沙磨蝕能力，可以大幅提高機組的使用壽命，有效解決新疆地區等高泥沙河流的水輪機磨蝕問題。

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(責任編輯 高 瑜)

Performance Study and Application of Nano WC Ceramic Abrasion Resistant Coatings on Hydro Turbine

CAO Li1, ZHAO Jian2,3, CHEN Xiaoming2,3, FU Li3,4, MAO Pengzhan2,3, MA Honghai2,4
(1. Xinjiang Kalabeili Hydro-Junction Project Administration Bureau, Kashi 844000, Xinjiang, China; 2. Hangzhou Mechanical Research Institute of MWR, Hangzhou 310012, Zhejiang, China; 3. Standard & Quality Control Research Institute of MWR, Hangzhou 310012, Zhejiang, China; 4. Key Laboratory of Surface Engineering of Equipments for Hydraulic Engineering of Zhejiang Province, Hangzhou 310012, Zhejiang, China)

The problem of flow passage component abrasion of hydro turbine is an important issue to be solved in the construction of hydropower stations in river with high sediment content. The supersonic flame spraying technology and nanometer modification technology are combined to make the nano WC ceramic abrasion resistant coatings on the surface of flow passage components of hydro turbine, and the anti-abrasion performance of coating is tested by grinding, electrochemical and erosion tests. The results show that the micro-hardness, wear resistance and sand erosion resistance of the nano WC ceramic coatings are much better than the substrate, and there is high bond strength between ceramic coating and substrate. The robot simulation coupling technology for achieving good curved surface programming is used in coating spraying for ensuring stable coating performance. The application of this coating in Xinjiang Kalabeili Hydropower Station plays a significant sediment abrasion resistance effect．

HVOF; nano WC ceramic coating; sediment abrasion; Kalabeili Hydropower Station

2017- 01- 02

浙江省科技計劃項目(2014C31156)；浙江省科技計劃項目(2016C3791)；水利部綜合事業局拔尖人才專項(2015132- 4)

曹力(1977—),男，湖北咸寧人，高級工程師，主要從事水輪機運行與管理工作．

TB36

A

0559- 9342(2017)08- 0080- 04