超音速火焰噴涂技術在葉輪修復中的應用

孫國琴，李文欣，李農康，張志剛

（甘肅順域新材料科技有限公司，甘肅 蘭州 730000）

通過采用先進的修復技術、嚴格的產品質量控制和精確的成本核算，使廢舊產品得以再利用，并達到良好的技術經濟指標，超音速噴涂技術以優質、高效、節能、節材、環保為目標，符合國家可持續發展戰略。超音速噴涂技術以先進的維修技術為基礎，由于其工藝的靈活性、涂層質量的可控性和成本優勢，在再制造中有廣泛的應用。由熱噴涂技術的原理可知，粒子沉積前的狀態決定涂層的性能，包括粒子的速度、粒子的溫度及粒子的熔化狀態。粒子的速度對涂層的性能具有重要的作用，當粒子撞擊基體表面時，高速可形成大的沖量，粒子的變形能力強，有利于涂層結合力和致密度的提高，超音速噴涂優異的涂層性能得益于極高的粒子速度，近年來研究的熱門，冷噴涂技術，則完全依靠高速粒子的動能來沉積形成涂層。超音速火焰噴涂技術，能制備高性能的金屬、合金、金屬陶瓷涂層，在工業中獲得了廣泛的應用。

1 超音速火焰噴涂技術

超音速火焰噴涂系統的原理是：利用煤油為燃料，液氧為助燃劑，控制系統將煤油和液氧以一定的流量輸送到噴槍，經高性能霧化噴嘴霧化混合成可燃混合氣后噴入噴槍燃燒室，混合氣經火花塞點火燃燒后形成高溫高壓的燃氣，通過拉伐爾噴嘴將其加速到超音速。送粉系統將噴涂粉末從拉伐爾噴嘴的低壓區送入超音速射流，經射流加溫加速后從噴槍噴出，高速噴向工件表面沉積形成涂層。噴涂系統的關鍵是通過調節進入噴槍的煤油、助燃劑的流量比例來調節焰流的速度和溫度，從而控制噴涂粉末的加熱和加速，以滿足噴涂材料的要求，制備高性能的金屬涂層，合金涂層和氧化物陶瓷涂層。圖1為超音速火焰噴涂系統的焰流圖，由圖可知，焰流集中，射流擴散角小，并出現了超音速焰流所特有的馬赫錐，表明焰流的速度達到超音速。對WC-12Co涂層的結合強度進行了測試，測試結果表明，涂層的結合強度大于90MPa，測試時的斷裂面出現在膠層，說明實際值大于測試值。

圖1 超音速噴涂系統焰流

由于石油化工流程泵的葉輪在運行中受到流體物料的沖擊磨損和腐蝕，致使葉輪的葉片形狀嚴重缺損和變形。因此，使得化工流程泵的工作效率降低、輸出流體壓力和流量達不到流程所需的要求。為了保證化工過程的連續及穩定，必須在葉輪使用兩周后更換葉輪。不僅使生產成本增加，而且因更換葉輪影響生產過程的連續進行。那么，如何提高葉輪的耐磨性和耐腐蝕性增加使用壽命，針對已經受損被更換后的葉輪。首先，使用激光熔覆技術對葉輪缺損部位進行精確成型，達到增材制造的目的。然后，選用鈷基合金粉末和碳化鎢粉末用超音速火焰噴涂技術在葉輪葉片表面制備耐蝕及耐磨涂層。選用超音速火焰噴涂技術是因為該技術相比其他熱噴涂技術具有以下特點：

（1）噴槍結構依據火箭發電機原理設計，燃燒室壓力最高達到150PSI，焰流速度達到2000m/s以上，輸出功率大且可無級調節。

（2）噴槍采用徑向送粉，使粉末可較好地溶化并均勻地分布于整個火焰中，提高了覆蓋效率和涂層的質量。

（3）顆粒速度達1100m/s(3300～3900每英尺秒)。

（4）涂層可以達到90MPa的結合強度。

（5）粒子飛行速度高，沖擊能量大，涂層不僅結合強度高，涂層密度高，而且表面應力為壓縮應力。

（6）火焰溫度低，粉末粒子在火焰中停留和加熱的時間短，因此，其材料的相變、氧化和分解收到抑制，適合噴涂在高溫下極易分解和退化的碳化鎢等金屬材料。

（7）涂層厚度范圍寬，從幾十微米到幾毫米的涂層都能制備，且容易控制，噴涂效率高。

（8）可在各種基體上制備各種材質的涂層，包括金屬、金屬陶瓷等。

（9）噴涂操作簡單，施工時間短，效率高，比較經濟。

2 待修復葉輪現狀

石油化工流程泵（型號為DZA0100-80-160）在使用過程中，由于長期與煤渣介質的接觸，致使其葉輪受到長時間的磨損與廢液腐蝕，導致葉輪葉片尺寸變小，表面出現腐蝕孔，無法正常按設定參數進行作業，所以只能更換新的葉輪，且更換后的新葉輪使用壽命也較短。 受損流程泵及葉輪如圖2。

圖2 受損流程泵及葉輪

3 涂層性能實驗與分析

3.1 試樣制備

制備平板試樣2件，規格為35mm×45mm×3.5mm，涂層厚度為200μm，涂層材料為WC-Co12。附著力試樣1組（12個）。規格為Φ32mm×50mm，涂層厚度為 200μm，涂層材料為WC-Co12，每兩個試樣為一組，并用FM10000膠黏結如圖3所示試樣制備，圖中黃色部分為兩噴涂面的黏結層。

圖3 試樣制備

3.2 涂層的微觀結構和力學性能

使用POSITECTOR 6000型涂層厚度儀，VHX-2000C超景深體視顯微鏡，SHT4106微機控制電液伺服萬能試驗機，MVD-1000JMT2維氏硬度計。對涂層的厚度、孔隙率、附著力以及硬度進行檢測。表1為涂層的結合強度，表2為涂層的顯微硬度。

表1 WC-Co12涂層的結合強度

表2 WC-Co12涂層的顯微硬度 HV300

3.3 鹽霧試驗

根據葉輪的腐蝕特性，設計了銅鹽加速醋酸鹽霧試驗（CASS實驗）。鹽霧試驗參數為：檢測設備為AHL-120-NS鹽霧試驗箱，樣品規格為Φ38mm×180mm，樣品狀態為圓柱狀光亮件試樣，無明顯缺陷。試驗結果如表3。

表3 WC-Co12涂層CASS試驗

4 試驗結果及分析

在涂層厚度為220～280μm時：

（1）分析涂層微觀結構，通過金相法測定涂層孔隙率＜1%，涂層中的孔洞、未熔顆粒、碳化物分布等均滿足要求；（2）涂層的平均結合強度可達101MPa；（3）涂層平均顯微硬度可達1280HV；（4）鹽霧試驗涂層保護等級為10級。

上述試驗結果表明，制備的碳化鎢涂層致密，涂層與基體結合強度高，顯微硬度高，涂層的耐腐蝕性高。

5 修復過程及工藝參數

受損葉輪的修復分受損葉輪的形狀成型和表面耐磨、耐蝕涂層的制備兩個過程。

5.1 受損葉輪的形狀成型

根據葉輪葉片受損的不同部位，利用激光熔覆的執行機構—機器人的三維空間任意行走的靈活性，將葉形模型置入機器人控制器，在控制器的控制下，激光頭準確地在葉片缺損部位將填充金屬粉末熔化、成型。

5.2 待噴涂基體表面的預處理

對已精確成型的葉輪進行噴砂處理，以去除葉輪表面的油污和鐵銹，并生成一定粗糙度的表面，以利于涂層結合強度的提高。

噴砂工藝參數：使用16目金剛砂，噴砂距離為200mm，噴砂角度60°～70°，噴砂空氣壓力為0.65MPa。

5.3 噴涂工藝參數

使用HV-8000型超音速火焰噴涂系統制備碳化物涂層，工藝參數如下：

噴涂氣體和燃油工藝參數見表4。

表4 噴涂氣體及燃油參數

噴涂距離：380mm；送粉速度：0～200g/min。

圖4 修復處理后的葉輪

蘭石化公司使用我們用超音速噴涂修復強化的葉輪后發現，葉輪的性能遠超未經過噴涂的葉輪。蘭石化公司之前使用更換后的新葉輪一般壽命為15天左右，在相同工況下，噴涂了碳化鎢的葉輪壽命可達70天左右。不僅使用壽命提高了4.5倍以上，而且在質量上更加穩定可靠。大大節省了經濟成本和更換部件的時間成本。另外，在葉輪維修成本效益方面，采用此方法修復強化的葉輪費用是更換新葉輪的成本為1/3左右，由于特殊功能性材料碳化鎢形成的耐磨耐蝕耐沖刷的保護層，在以舊代新的基礎上，還延長了使用壽命，降低了維護成本，提高了石油化工流程泵的工作效率。在新品上預先進行強化處理，效果最佳，使用壽命也會更長。

7 結語

用激光熔覆技術作為受損葉輪增材成型的方法方便快捷，并且有較好的結合強度，修復后無缺陷。超音速火焰噴涂制備的碳化鎢涂層孔隙率低、結合強度高及顯微硬度高、耐腐蝕好。修復后的葉輪的使用壽命一般可以達到原裝葉輪的4.5倍，可有效延長葉輪的使用壽命，提高流程泵的使用周期。