水輪機部件過流表面的金屬材料磨蝕防護

王者昌

（中國科學院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016）

水輪機部件過流表面的金屬材料磨蝕防護

王者昌

（中國科學院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016）

介紹了GB1焊條堆焊、粉末噴焊和碳化鎢涂層三種工藝各自的優缺點和適用范圍。GB1焊條堆焊層具有優異的抗空蝕、抗磨蝕性能,良好的抗磨性，適用于強空蝕、磨蝕部位的防護。粉末噴焊層具有良好的抗空蝕、抗磨蝕性能,優良的抗磨性,適用于小型水輪機過流部件的防護。碳化鎢涂層具有極好的抗磨性，但是抗空蝕性能差，適用于大中型水輪機過流部件的磨損防護。就抗磨壽命而言,單層的GB1焊條堆焊層、粉末噴焊層略低于碳化鎢涂層。噴焊和堆焊可能引起變形，而涂層則基本不會。GB1焊條堆焊性價比最高。

水輪機；焊條堆焊；粉末噴焊；碳化鎢涂層；金屬材料；磨蝕防護

0 前言

我國水力發電用水水質不好，大約1/3為渾水。水輪機過水部件磨蝕問題相當嚴重，磨蝕防護是一個重要問題。彈性非金屬等有時也用于水輪機磨蝕防護，但目前應用最多的仍是焊條堆焊、粉末噴焊和碳化鎢噴涂。

焊條堆焊目前是水輪機磨蝕防護的主要手段，現在主要采用 A102、A132、0Cr13Ni5MoRe 和 GB1焊條。A102、A132盡管抗磨損、抗磨蝕性能不甚滿意，但因其工藝性和抗空蝕性能好，價格低，是主要的堆焊材料。GB1焊條堆焊層具有優異的抗空蝕、磨蝕性能和良好的抗磨性能。“三門峽汛期發電試驗”國家“八五”攻關課題鑒定會確認，GB1焊條和SPHG1粉末是兩種最佳磨蝕防護材料。應用證明，三門峽水輪機過流表面堆焊GB1焊條，運行三個汛期后磨蝕輕微，甚至可以滿足六個汛期發電的需要。

合金粉末噴焊用于小型水輪機磨蝕防護，并取得良好效果。合金粉末噴焊層具有良好的抗空蝕、磨蝕性能和優良的抗磨性能。關鍵是嚴格控制施工工藝，以保證噴焊層質量。用于中型水輪機磨蝕防護效果不理想，不宜用于大型水輪機磨蝕防護。

十幾年前，我國開始引進超音速火焰噴涂碳化鎢技術，用于水輪機過流部件磨損防護。碳化鎢涂層抗磨性極高，磨損防護效果很好。但因抗空蝕性差，

強空蝕區和空蝕程度中等以上的磨蝕區不宜釆用。該工藝施工時要嚴格控制工藝過程，以保證涂層質量。

1 GB1焊條堆焊

表1 不同堆焊金屬的抗磨、抗空蝕性能性[1]

從表1可知，GB1的耐磨性為KJ5-4的1.39倍，從文獻[1]可知，耐磨1號的耐磨性為KJ5-4的1.13倍，經計算，GB1的耐磨性為耐磨1號的1.23倍，也就是說，GB1的耐磨性超過耐磨性良好的耐磨1號。而GB1的硬度比耐磨1號低約15HRc，因此打磨和機械加工要容易得多，抗裂性也要好得多。耐磨1號因裂紋加工不出樣品，故未參于上述試驗。

從表1可知，GB1具有優異的抗空蝕性能，為A102的21.8倍，Co-Cr-W的3倍。耐磨1號的抗空蝕性能略低于A102，因此GB1的抗空蝕性能遠優于耐磨1號。

黃委水科院何筱奎等的試驗結果表明，GB1堆焊金屬抗磨蝕性能為1Cr18Ni9Ti的6.7倍，0Cr13Ni5Mo的5.6倍[2]。試驗結果還表明，GB1堆焊金屬抗磨性能為SPHG1噴焊層的1/3，抗空蝕性為SPHG1噴焊層的3倍[2]。

稀土對磨蝕性影響的試驗是天津院由彩堂、姚光等在轉盤儀上完成的，加入適量稀土，抗空蝕、抗磨損和抗磨蝕性分別提高57%、55%和83%[1]。最近由姚光等試驗，在加稀土的GB1基礎上加入新的成分，抗磨性提高10%。經計算，新型GB1堆焊層抗磨性為831（00Cr17Ni6Mo）的3.1倍。

根據林師炎等的論文[3]，0Cr13Ni5Mo經1000℃固溶、610℃回火后，抗磨系數為18-8不銹鋼的1.25倍，ZG0Cr15Ni6Mo經1000℃固溶、580℃回火處理后的抗磨系數為18-8不銹鋼的1.76倍，也就是說ZG0Cr15Ni6Mo的抗磨性為0Cr13Ni5Mo的1.41倍。

根據成分分析，0Cr13Ni5Mo、0Cr15Ni6Mo 和00Cr17Ni6Mo三種材料中，抗磨性以0Cr13Ni5Mo最差，00Cr17Ni6Mo最好。00Cr17Ni6Mo的抗磨性至少不會比0Cr15Ni6Mo差。經計算，新型GB1堆焊層抗磨性不應低于0Cr13Ni5Mo的3.1×1.41=4.5倍。說明新型GB1堆焊金屬具有良好的抗磨性。

1995年末對三門峽3號機進行全面磨蝕防護。GB1表現出優異的抗磨蝕性能，經五個期運行后，它比A132高出1.8～2.0mm[4]。三門峽樞紐局張保平、薛敬平等[4]的論文指出，“GB1焊條在應用上比SPHG1材料具有明顯的優點，易于推廣。”

魏建軍等在瑞士5300焊條的基礎上加入稀土，研制成功0Cr13Ni5MoRe焊條，堆焊金屬的抗磨性為0Cr13Ni5Mo的1.6倍[5]。經計算，新型GB1堆焊金屬的抗磨性為0Cr13Ni5MoRe的2.8倍。

最近，在三門峽2號機1號葉片上用0Cr14Ni5MoRe和新型GB1在葉片背面進行對比，運行后可以看出，GB1堆焊層完好，而0Cr14Ni5MoRe堆焊層已露出黃銹，說明堆焊層已局部磨蝕穿透。從而可知，GB1抗磨蝕性明顯優于0Cr14Ni5MoRe。

陜西涇河上的茨萍水電站，轉輪材料為20SiMn，用GB1和A102進行對比試驗。磨蝕嚴重的葉片背面邊緣約120mm范圍內，堆一層A102，然后堆焊GB1，其余部分堆焊A102。運行一年計5000h（其中汛期1000h）后，堆焊GB1處平均高出1.2mm，外觀如圖1所示。從圖1可看出，GB1堆焊金屬抗磨蝕性能優異，比A102磨蝕輕得多。比較可知，在茨萍，GB1焊條相對于A102的優越性更加明顯。在三門峽，經五個汛期運行，GB1高出 1.8～2.0mm[5]，而在茨萍，運行1年則平均高出1.2mm。這主要是焊條中加入稀土等元素使堆焊金屬抗磨蝕性能大幅度提高的結果，在三門峽得到的上述現場試驗和應用結果，使用的GB1焊條是早期研制的，尚未加稀土等元素，在茨萍，則是近期研制的，GB1中加入稀土等元素，較之早期研制的GB1，抗磨蝕性能提高約1倍。

2 粉末噴焊

氧乙炔火焰噴焊前先對工件表面進行預熱。通常碳鋼件預熱至250～300℃，不銹鋼件預熱至350～400℃。然后用噴槍將達到熔融或高塑性狀態的粉末噴到工件表面上，并進行重熔。重熔分一步法和兩步法兩種。一步法是邊噴邊重熔，兩步法是先噴后重熔。

粉末合金的成分對水輪機的抗磨蝕起到關鍵性作用。因此選擇合適的粉末成分至關重要。上世紀80年代初甘肅工業大學沈世瑤、陳學定等針對水輪機抗磨蝕特點，開發研制了Ni31、Ni37等合金粉末，消除了Ni3B（脆化相）的網狀組織，細化了晶粒，提高了噴焊層的韌性，從而提高了噴焊涂層的抗磨蝕能力，圓盤儀試驗結果表明，噴焊層的抗磨損能力為A102焊條堆焊層的10～11倍[6]。試用于水輪機，壽命延長3倍以上。

上世紀80年代后期云南元江成立了專門的水電耐磨技術開發站，對幾十個小水電站100多臺水輪機的轉輪和導水葉等進行了噴焊防護。上世紀90年代，天津勘測設計院對南烏牛泵站泵輪和草坡水電站沖擊式水輪機的噴針進行了噴焊防護，都取得了良好效果[7]。

因噴焊工件需預熱，還需要粉末重熔，溫度高，易出現變形、裂紋等問題，有時還會出現鼓包。1985～1995年，水科院劉家麟、陳曉平等開展了中型水輪機噴焊修復研究[8]，在漁子溪水輪機的抗磨板與三門峽水輪機的中環、葉片上進行試驗，根據水輪機磨蝕的特點，優化了粉末合金成分（該配方稱為SPHG1），調整了材料的性能指標，在保證涂層具有優良抗磨蝕性能的同時，適當降低了涂層的硬度，很大限度的減少裂紋。通過改進施工工藝，控制了三門峽水輪機葉片的變形。經過2200h汛期和非汛期運行，用SPHG1防護的部位（葉片頭部、背面外緣、端面），僅發現少量掉塊，其余93%面積未破壞。

青銅峽葉片噴焊Ni67運行20000h后發現，葉片背面分塊噴焊的搭接區出現溝狀磨蝕坑，分析認為是搭接處涂層致密性低、結合力降低，抗空蝕性能較低所致[9]。

從上述結果看，噴焊在小型水力機械抗磨蝕的防護中取得了較大成效，但是大中尺寸薄工件的變形和厚大工件的噴焊層龜裂、脫落和噴焊工藝等問題有待深入研究。

3 超音速火焰噴涂碳化鎢

上世紀80年代后期，瑞士Sulzer公司開始將超音速火焰噴涂（HVOF）方法用于一系列沖擊式水輪機的噴針、噴嘴、空放閥和混流式水輪機的轉輪、止漏環、抗磨板等的磨損防護，取得良好效果。由于超音速噴涂對工件表面要求預熱的溫度低(約100℃)，噴涂速度快，因此部件變形很小。

國外應用噴涂防護的水輪機大多容量與尺寸較小，泥沙含量也都不太大。從上世紀90年代起，我國從國外引進的許多水輪機，開始試用超音速噴涂碳化鎢對水輪機進行磨損防護。先后有羊卓雍湖、小浪底、萬家寨、三門峽、青銅峽等水輪機，此外，國內有不少單位也引進超音速噴涂設備，并在工程上應用。超音速碳化鎢涂層的粘結強度可達60～80MPa，涂層的孔隙小于1%，表面光潔度可達到Ra3.2～6.4μm，硬度HRc70～75。水科院余江成等用小水洞與轉盤儀，對三種不同配方HVOF的碳化鎢涂層與Cr13Ni4不銹鋼進行抗磨、抗空蝕對比試驗[10]。試驗結果證明，碳化鎢涂層有極好的抗磨損性能。例如當速度為40m/s時，其抗磨能力可達13-4不銹鋼的60倍，但抗空蝕性能很差，其空蝕率為13-4不銹鋼的5～12倍，這與實際使用結果相符[10]。

從一些大中型水輪機的應用效果看，其抗磨性能很好，但在葉片背面空化區及頭部撞擊區等部位涂層易發生局部脫落。小浪底水輪機運行不長時間就出現涂層大面積脫落[11]。從小浪底、萬家寨等水輪機涂層脫落的情況看，都是發生在葉片背面靠下環與靠近出水邊處。

三門峽1號機轉輪由VOITH公司設計制造，葉片、裙邊與轉輪室都采用碳化鎢噴涂保護。自2000年12月至2003年3月止，共運行11259h，其中汛期運行2643h，汛期平均過機含沙濃度37.67kg/m3。葉片正背面噴涂的碳化鎢涂層保持完好。2004年11月打開檢查時，葉片正背面的碳化鎢涂層仍保持完好。三門峽水輪機轉輪未發現像其他電站水輪機轉輪涂層明顯脫落現象，防護效果很好[12]。分析認為與該水輪機空化很輕有關。

根據計算可知，碳化鎢涂層抗磨性為GB1堆焊層13.3倍，為SPHG1噴焊層的4.4倍。碳化鎢涂層最佳厚度為0.3mm，噴焊層的厚度為1.0mm，堆焊一層GB1的厚度為3.0mm。因此，單層的磨損使用壽命，碳化鎢涂層是后兩者的1.33倍。碳化鎢涂層的價格約為GB1堆焊的5倍，噴焊的2.5倍。如果堆焊兩層GB1，磨損使用壽命則大大超過碳化鎢涂層。

在空蝕和磨損共存即磨蝕條件下，由于GB1堆焊層的抗空蝕性比噴焊和噴涂層具有好得多的抗空蝕性，用GB1焊條堆焊具有更大的優越性。

就工件變形而言，三種方法相比，碳化鎢涂層具有較大的優越性。碳化鎢涂層使工件受熱少，升溫少，工件基本不變形。而堆焊和噴焊則可能引起變形，特別是剛度小的軸流式葉片等工件，這些工件施焊時應采取控制變形措施。

4 結論

（1）GB1焊條堆焊層的抗空蝕、抗磨蝕性能優異，抗磨性良好，適用于水輪機嚴重空蝕、磨蝕區的防護。三種工藝中，GB1堆焊性價比最高。

（2）噴焊層抗空蝕、抗磨蝕性能良好，抗磨性優良，適用于小型水輪機磨蝕防護。

（3）碳化鎢涂層抗磨性極好，適用于大中型水輪機嚴重磨損區和輕度空蝕的磨蝕區的防護。由于涂層抗空蝕性能差，在嚴重空蝕區和空蝕中等以上的磨蝕區則不適用。

4）單層磨損使用壽命，碳化鎢涂層略高于GB1堆焊和粉末噴焊，為后兩者的1.33倍。

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1672-5387（2014）02-0003-04

2014-02-23

王者昌（1938-），男，研究員，從事焊接裂紋、變形及抗磨蝕材料的研究工作。