水輪機(jī)抗汽蝕合金涂層性能評(píng)價(jià)

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(1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院，昆明 650217； 2. 云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司，昆明 650217)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，電力需求不斷提升，與此同時(shí)電力工業(yè)建設(shè)也突飛猛進(jìn)，促成一批大型骨干水電廠建成投產(chǎn)，水輪發(fā)電機(jī)組已經(jīng)向大型化、高水頭方向發(fā)展[1]。水輪機(jī)過流部件在長期運(yùn)行后普遍存在汽蝕問題，嚴(yán)重影響了水輪機(jī)的性能與服役壽命。提高金屬材料的抗汽蝕性能可從兩方面入手：一是開發(fā)抗汽蝕性能更優(yōu)異的新型金屬材料；二是從材料構(gòu)件表面著手，利用先進(jìn)的表面工程技術(shù)對(duì)過流部件提供表面防護(hù)[2-4]。近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)金屬材料表面抗汽蝕涂層進(jìn)行深入研究，研究內(nèi)容主要集中在利用現(xiàn)代表面改性技術(shù)，如激光表面改性技術(shù)、等離子表面改性技術(shù)、熱噴涂技術(shù)、滲氮和堆焊等方法[5-8]。熱噴涂技術(shù)制成的涂層，具有結(jié)合強(qiáng)度高、適用材料廣等特點(diǎn)，在有耐磨和耐腐蝕要求的環(huán)境中廣泛應(yīng)用[9-10]。采用超音速火焰噴涂技術(shù)可以在合金表面形成硬質(zhì)合金，該硬度合金兼有耐磨損耐高溫或耐磨損耐腐蝕的特點(diǎn)[11-12]。目前已有學(xué)者使用超音速火焰噴涂技術(shù)制備了CuNi涂層、Ni46涂層、鈷基合金、Ni基/WC和Fe基涂層，性能分析結(jié)果表明采用該技術(shù)制備的涂層結(jié)構(gòu)致密、孔隙率低，表現(xiàn)出良好的抗汽蝕性能[13-16]。

Stellite6、Stellite21為司太立合金，Sus316L為日本Sus系列不銹鋼，Deloro60和JK135為鎳基合金，這5種合金均具有耐大氣腐蝕和耐磨損的特點(diǎn)。本工作根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪汽蝕特點(diǎn)，選取Deloro60、Stellite6、Stellite21、Sus316L、JK135五種耐蝕合金為噴涂材料，使用超音速火焰噴涂技術(shù)在水輪機(jī)葉片表面進(jìn)行噴涂，研究了涂層的涂覆質(zhì)量、組織成分，并通過模擬汽蝕試驗(yàn)和實(shí)際工況運(yùn)行評(píng)定合金涂層的抗汽蝕性能。

1 試驗(yàn)

基體材料為水輪機(jī)葉片通用材料Q235-C鋼，其顯微組織如圖1所示，組織由條狀鐵素體和珠光體組成。將基體材料加工成150 mm×100 mm×8 mm的試樣。噴涂前對(duì)基體試樣表面進(jìn)行砂紙打磨，再用酒精清洗表面,干燥后待用。采用美國DELORO.STELLITE(集團(tuán))公司生產(chǎn)的JET-KUTE超音速噴涂系統(tǒng)及JK3000型噴槍，分別將5種噴涂材料噴涂在基體試樣表面，形成厚度為50 μm的合金涂層。噴涂材料為Deloro60、Stellite6、Stellite21、Sus316L和JK135，其化學(xué)成分如表1所示。

圖1 Q235-C顯微組織Fig. 1 Microstructures of Q235-C

使用MiniTest600BFN涂層測(cè)厚儀對(duì)5種合金涂層進(jìn)行測(cè)厚，測(cè)量時(shí)在試樣表面按縱橫20 mm間隔劃方格線，以每個(gè)20 mm×20 mm方格的中間點(diǎn)為測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。用維氏硬度計(jì)測(cè)量合金涂層的表面硬度，載荷為294 N。采用光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)涂層組織和結(jié)合面進(jìn)行觀察，并用能譜儀(EDS)對(duì)涂層表面進(jìn)行成分分析。

采用XL2020超聲振蕩汽蝕試驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層進(jìn)行汽蝕試驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)行失重分析，汽蝕設(shè)備如圖2所示。試驗(yàn)振動(dòng)頻率為20 kHz，振幅為60 μm，試驗(yàn)介質(zhì)為蒸餾水，試驗(yàn)溫度為室溫。試驗(yàn)前將噴涂試樣用無水乙醇超聲清洗，并用電子天平稱量，將母材試樣研磨、拋光，再超聲清洗稱量。每隔1 h，將試樣取出超聲清洗并稱量。

將噴涂有5種合金涂層的試樣裝在某電廠機(jī)組尾水管汽蝕最嚴(yán)重部位，運(yùn)行3 850 h后對(duì)試樣進(jìn)行稱量得出質(zhì)量損失率，并測(cè)量涂層脫落面積得出面積脫落率，以評(píng)價(jià)其在實(shí)際工況下的抗汽蝕能力。

圖2 汽蝕機(jī)簡圖Fig. 2 Sketch of cavitation testing equipment

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層涂覆質(zhì)量與組織成分

由圖3可以看到:除Deloro60合金涂層厚度超過60 μm外，其余四種合金涂層的厚度均在40 μm左右，厚度偏差在10 μm左右，噴涂表面較為均勻，具有良好的噴涂質(zhì)量。

圖3 5種合金涂層的厚度Fig. 3 Thickness of 5 kinds of alloy coatings

將試樣截面在掃描電鏡下觀察，如圖4所示。由圖4可以看到：涂層與基體之間結(jié)合緊密，沒有出現(xiàn)涂層與母材脫開等現(xiàn)象。對(duì)試樣截面進(jìn)行顯微組織觀察，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看到：涂層與基體之間結(jié)合良好，基體組織為鐵素體+珠光體，涂層中可以觀察到黑色碳化物，合金中的碳化物具有較高的硬度，對(duì)其有良好的強(qiáng)化作用。在選用的五種合金材料中，鎳基合金Deloro60、JK135和鉻基司太立合金Stellite6、Stellite21基體分別為Ni、Co，這兩種金屬具有較低的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是一個(gè)緩慢的過程，其面心立方的奧氏體結(jié)構(gòu)可以保持到室溫。而Sus316L不銹鋼中由于加入了Ni元素，奧氏體相區(qū)擴(kuò)大，同樣在晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變過程中可以使面心立方的奧氏體結(jié)構(gòu)保留至室溫。奧氏體轉(zhuǎn)變溫度降低后,保留至室溫的面心立方奧氏體相具有較少的滑移系，使合金涂層在一定程度上得到強(qiáng)化。另一方面，在合金涂層冷卻的過程中會(huì)有碳化物析出，強(qiáng)硬的碳化物存在于奧氏體相之間，進(jìn)一步使涂層得到強(qiáng)化。

由于熱噴涂表面沉積層是熱噴涂沉積點(diǎn)融合和重疊的結(jié)果，所以表面形貌由無數(shù)密集的沉積點(diǎn)和凹坑構(gòu)成，所以熱噴涂合金涂層的表面呈銀灰色的 桔皮狀，如圖6所示。這種表面形貌有利于儲(chǔ)存潤滑介質(zhì)及改善工件表面的減磨性。分別對(duì)合金涂層表面進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明：各合金涂層的成分與原材料成分接近。

圖4 典型噴涂試樣截面形貌Fig. 4 Typical morphology of cross section of sample with coating

圖5 典型噴涂試樣截面顯微組織Fig. 5 Typical microstructure of cross section of sample with coating

(a) Deloro60 (b) Stellite6 (c) Stellite21

(d) Sus316L (e) JK135圖6 合金涂層的表面形貌Fig. 6 Surface morphology of alloy coatings

2.2 涂層性能分析

對(duì)耐蝕合金涂層進(jìn)行表面硬度測(cè)量，結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看到:Deloro60合金涂層表面硬度最高，達(dá)到621 HV。相較與其余四種耐蝕合金不同，Deloro60合金中加入了B元素，在高溫噴涂過程中，B會(huì)在合金層中生成硼碳化合物，其硬度比碳化物硬度高，因此Deloro60合金涂層具有更高的表面硬度。材料的硬度可以直接反映其耐磨性能，硬度越高耐磨性能越強(qiáng)。同時(shí)材料的硬度也可以間接反映其強(qiáng)度，一般硬度越高的材料具有越高的強(qiáng)度。由此可推知Deloro60合金具有較好的耐磨性能和較高的強(qiáng)度。

在使用汽蝕試驗(yàn)機(jī)對(duì)噴涂試樣進(jìn)行5 h的模擬汽蝕試驗(yàn)后，對(duì)合金涂層表面進(jìn)行掃描電鏡觀察，結(jié) 果如圖8所示。由圖8可以看到:經(jīng)過模擬汽蝕試驗(yàn)后，合金涂層表面都發(fā)生了破損，表面為碎塊附著的形貌。汽蝕試驗(yàn)后各試樣都有一定程度的質(zhì)量損失。由圖9可以看到:各試樣的質(zhì)量損失隨時(shí)間延長而增加;其中，Sus316L合金涂層的質(zhì)量損失最多，試驗(yàn)5 h后達(dá)到65.5 mg；Deloro60合金涂層的質(zhì)量損失最少，為8.9 mg。以上結(jié)果說明Deloro60合金涂層的抗汽蝕性能強(qiáng)于其余四種合金涂層的，與硬度試驗(yàn)結(jié)果相符。

圖7 各合金涂層的硬度Fig. 7 Hardness of alloy coatings

在實(shí)際工況條件下，各合金涂層的質(zhì)量損失率如圖10所示，面積脫落率如圖11所示。由圖10可以看到:在實(shí)際工況下，無噴涂基體材料的質(zhì)量損失率為5.0%，合金涂層的質(zhì)量損失率低于基體材料的，合金涂層有效提高了水輪機(jī)葉片的抗汽蝕能力，其中Deloro60合金涂層的質(zhì)量損失率最低，僅為 1.6%，抗汽蝕能力最強(qiáng)。由圖11可以看到:5種合金涂層經(jīng)過汽蝕之后，邊緣涂層均發(fā)生局部脫落，Deloro60合金涂層的面積脫落率最低，為0.26%，表現(xiàn)出優(yōu)良的抗汽蝕能力。

(a) Deloro60 (b) Stellite6 (c) Stellite21

(d) Sus316L (e) JK135圖8 模擬汽蝕試驗(yàn)5 h后合金涂層的表面形貌Fig. 8 Surface morphology of alloy coatings after simulated cavitation test for 5 h

圖9 模擬汽蝕試驗(yàn)中各合金涂層的失重曲線Fig. 9 Weight loss curves of alloy coatings in simulated cavitation test

圖10 實(shí)際工況條件下各合金涂層的質(zhì)量損失率Fig. 10 Weight loss ratios of alloy coatings under real work condition

圖11 實(shí)際工況條件下各合金涂層的面積脫落率Fig. 11 Area loss ratios of alloy coatings under real work condition

3 結(jié)論

(1) 利用超音速噴涂技術(shù)制備的Deloro60、Stellite6、Stellite21、Sus316L、JK135耐氣蝕合金涂層，可減緩水輪機(jī)固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、密封環(huán)、轉(zhuǎn)輪、尾水管等過流部件的汽蝕速率。

(2) Deloro60、Stellite6、Stellite21、Sus316L、JK135涂層的組織中具有碳化物，碳化物的存在對(duì)合金涂層有強(qiáng)化作用，提高其耐磨性。

(3) 與其余四種合金涂層相比,Deloro60合金涂層表面硬度最高，達(dá)到621 HV；同時(shí)在5 h模擬汽蝕試驗(yàn)中質(zhì)量損失最少，僅為8.9 mg；在3 850 h實(shí)際工況條件下試驗(yàn)后質(zhì)量損失率和面積脫落率均為最低，分別為1.6%和0.26%，在梯級(jí)電站水輪機(jī)過流部件純汽蝕環(huán)境中有較好的綜合性能。