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一种金属 水轮机转轮表面等离子熔覆方法

阅读：74发布：2020-05-15

专利汇可以提供一种金属水轮机转轮表面等离子熔覆方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及金属水轮机转轮表面等离子熔覆方法，可有效解决水轮机转轮叶片的表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐冲击性，延长使用寿命的问题，方法是，开启等离子熔覆耐磨设备的工作台运行，使等离子炬移到水轮机转轮叶片熔覆部位上方，开启等离子炬保护气体氩气和电源起弧，进入等离子束熔覆过程，在直流等离子束流的高温10000-16000℃下，将铁镍合金粉末同步送入等离子炬的等离子束流中，粉末经快速加热，呈熔化或半熔化状态与熔池金属发生混合扩散反应，随着等离子束流的移动，合金熔池迅速凝固，形成1-10mm厚的硬质合金涂层，熔覆后，对叶片表面的硬质合金涂层经磨削或抛光，本发明方法简单，叶片硬度高，高致密性，耐磨，使用寿命长。，下面是一种金属水轮机转轮表面等离子熔覆方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种金属水轮机转轮表面等离子熔覆方法，其特征在于，由以下步骤实现：（1）、配制铁镍合金粉末，方法是，按重量百分比将Ni 28%、Cr 20%、C 1.5%、Mo 2.5%、B
3%、Si 4%、W 3%、余量为Fe 的粉末，混合在一起制成；
（2）、开启等离子熔覆耐磨设备的工作台运行，使等离子熔覆耐磨设备的等离子炬移到水轮机转轮叶片熔覆部位上方，开启等离子熔覆耐磨设备的等离子炬保护气体氩气和电源，电源电压：380V，额定输入容量： 30KVA，输出电压：75V ，工作电压： 10～30V ，输出
3
电流： 300～600A，熔覆扫描速度： 150～500mm/min，送粉器气流：0.6～1.2 m/h，离子
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气体流量：0.6～1.0 m/h，保护气体流量：0.6～1.0 m/h；使电极起弧，进入等离子束熔覆过程，按等离子熔覆耐磨设备的常规操作方法，对等离子熔覆耐磨设备进行操作，在直流等离子束流的高温10000-16000℃下，将步骤（1）中配置好的铁镍合金粉末同步送入等离子炬的等离子束流中，水轮机转轮叶片表面快速依次形成与束流直径尺寸相近的熔池，粉末经快速加热，呈熔化或半熔化状态与熔池金属发生混合扩散反应，随着等离子电极的移动，合金熔池迅速凝固，形成与基体呈冶金结合1-10mm厚的硬质合金涂层；
（3）、熔覆完成后，关闭等离子炬电源和气源，熔覆后，对叶片表面的硬质合金涂层经磨削或抛光，或直接作为叶片使用。
2.一种金属水轮机转轮表面等离子熔覆方法，其特征在于，由以下步骤实现：
（1）、配制铁镍合金粉末，该铁镍合金粉末是按重量百分比将Ni 25%、Cr 15%、C 1%、Mo
2%、B 2%、Si 3%、W 2%、余量为Fe 的粉末，混合在一起制成；
（2）、开启等离子熔覆耐磨设备的工作台运行，使等离子熔覆耐磨设备的等离子炬移到水轮机转轮叶片熔覆部位上方，开启等离子熔覆耐磨设备的等离子炬保护气体氩气和电源，电源电压：380V，额定输入容量： 30KVA，输出电压：75V ，工作电压： 10～30V ，输出
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电流： 300～600A，熔覆扫描速度： 150～500mm/min，送粉器气流：0.6～1.2 m/h，离子
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气体流量：0.6～1.0 m/h，保护气体流量：0.6～1.0 m/h；使电极起弧，进入等离子束熔覆过程，按等离子熔覆耐磨设备的常规操作方法，对等离子熔覆耐磨设备进行操作，在直流等离子束流的高温10000-16000℃下，将步骤（1）中配置好的铁镍合金粉末同步送入等离子炬的等离子束流中，水轮机转轮叶片表面快速依次形成与束流直径尺寸相近的熔池，粉末经快速加热，呈熔化或半熔化状态与熔池金属发生混合扩散反应，随着等离子电极的移动，合金熔池迅速凝固，形成与基体呈冶金结合1-10mm厚的硬质合金涂层；
（3）、熔覆完成后，关闭等离子炬电源和气源，熔覆后，对叶片表面的硬质合金涂层经磨削或抛光，或直接作为叶片使用。
3.一种金属水轮机转轮表面等离子熔覆方法，其特征在于，由以下步骤实现：
（1）、配制铁镍合金粉末，该铁镍合金粉末是按重量百分比将Ni 30%、Cr 25%、C 2%、Mo
3%、B4%、Si 5%、W 4%、余量为Fe 的粉末，混合在一起制成；
（2）、开启等离子熔覆耐磨设备的工作台运行，使等离子熔覆耐磨设备的等离子炬移到水轮机转轮叶片熔覆部位上方，开启等离子熔覆耐磨设备的等离子炬保护气体氩气和电源，电源电压：380V，额定输入容量： 30KVA，输出电压：75V ，工作电压： 10～30V ，输出
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电流： 300～600A，熔覆扫描速度： 150～500mm/min，送粉器气流：0.6～1.2 m/h，离子
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气体流量：0.6～1.0 m/h，保护气体流量：0.6～1.0 m/h；使电极起弧，进入等离子束熔覆过程，按等离子熔覆耐磨设备的常规操作方法，对等离子熔覆耐磨设备进行操作，在直流等离子束流的高温10000-16000℃下，将步骤（1）中配置好的铁镍合金粉末同步送入等离子炬的等离子束流中，水轮机转轮叶片表面快速依次形成与束流直径尺寸相近的熔池，粉末经快速加热，呈熔化或半熔化状态与熔池金属发生混合扩散反应，随着等离子电极的移动，合金熔池迅速凝固，形成与基体呈冶金结合1-10mm厚的硬质合金涂层；
（3）、熔覆完成后，关闭等离子炬电源和气源，熔覆后，对叶片表面的硬质合金涂层经磨削或抛光，或直接作为叶片使用。

说明书全文

一种金属水轮机转轮表面等离子熔覆方法

技术领域

[0001] 本发明涉及机械处理方法，特别是一种金属水轮机转轮表面等离子熔覆方法。即采用等离子熔覆方法在金属水轮机转轮表面形成高强度耐磨涂层,该方法可广泛应用于水利行业金属水轮机转轮。

背景技术

[0002] 我国是世界上水力资源极为丰富的国家，水电已成为我国重点发展的可再生能源之一，水力可开发的电能力3.8亿kw，年发电量1.9万亿kw.h，相当于11亿吨原煤的发电量。但同时我国的河流泥沙含量大，长江及其支流以沙粒硬度高为特点，黄河则以含沙量大为特征，目前已经运行的100多座大中型水电站中，有严重泥沙磨损的约占40%，在黄河干支流上这一数值更是高达66.3%，黄河三门峡河段的年输沙量近16亿t，为世界之最，对水轮机过流部件的磨蚀更为突出，据估计，在已运行的水电站中，约有1/5～1/4的水轮机叶片遭受不同程度的泥沙危害，每年因水轮机过流部件（主要为叶片）磨蚀破坏而停运或检修引起的电能损失约20～30亿kw.h，年消耗检修费及设备更新费达千万元之巨。如黄河上、中游的刘家峡、盐锅峡、青铜峡、天桥、三门峡等水电站的水轮机不同程度地遭受泥沙磨蚀破坏，特别是距小浪底最近的三门峡，破坏最为严重，经过一个汛期的运行，转轮叶片的破坏程度趋于报废，被迫汛期停运，每年造成直接与间接的经济损失更无法估计。因此如何解决水轮机过流部件的磨蚀问题已经成为工程建设中的关键技术之一。

[0003] 目前，制造水轮机转轮的材料代表性的有普通碳钢、低合金钢、普通不锈钢和高强度不锈钢。国内一般的水轮机转轮通常为铸钢、Cr5Cu 合金钢、1Cr18Ni9Ti不锈钢、ZG0Cr13Ni5Mo不锈钢、0Cr13Ni5Mo不锈钢、ZG0Cr16Ni5Mo不锈钢、GX5GrNi13-4V1、ZG0Cr13Ni4Mo不锈钢、00Cr13Ni4Mo等不锈钢等材料制成的。用于水轮机转轮表面硬化的方法有激光表面淬火、表面堆焊耐磨材料、表面热喷涂 (包括氧乙炔喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂和超音速喷涂) 耐磨耐热材料、电火花表面强化等。激光表面淬火硬化层薄且设备投资大、维护费用高；表面堆焊耐磨材料成本高，而且也存在表面加工困难的问题；表面热喷涂前处理一般采用喷砂，有环境污染，涂层加工困难，涂层与基体之间的结合属于机械结合，涂层易疲劳剥落；电火花表面强化由于涂层很薄，一般厚度为几十微米，且工作效率很慢，用于中大型水轮机转轮的强化就不适合。因此，如何更好的对水轮机转轮进行处理是本领域技术人员一直在研究解决的技术问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服上述方法所制造金属水轮机转轮表面强化的不足，提供一种金属水轮机转轮表面等离子熔覆方法，对金属水轮机转轮叶片进行等离子熔覆处理，可有效解决水轮机转轮叶片的表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐冲击性等性能，延长金属水轮机转轮的使用寿命的问题。

[0005] 本发明解决的技术方案是，用非氧化性的等离子束流在把合金粉末熔覆在水轮机转轮叶片表面上，形成硬质合金涂层，步骤是：

[0006] 1、配制铁镍合金粉末，方法是，按重量百分比将Ni 25～30%、Cr 15～25%、C 1～2%、Mo 2～3%、B 2～4%、Si 3～5%、W 2～4%、余量为Fe 的粉末，混合在一起制成；

[0007] 2、采用等离子熔覆耐磨设备（公知常用设备，如北京等离子熔覆耐磨设备技术公司，或河南省煤科院耐磨技术有限公司），设定工艺参数，输入电源电压：380V±10%，额定输入容量： 30KVA，输出电压：75V ，工作电压： 10～30V ，输出电流： 300～600A，扫描速3 3
度： 150～500mm/min，送粉器气流：0.6～1.2 m/h，离子气体流量：0.6～1.0 m/h，保护
3
气体流量：0.6～1.0 m/h；

[0008] 3、开启等离子熔覆耐磨设备的工作台运行，使等离子炬移到水轮机转轮叶片熔覆部位上方，开启等离子炬保护气体氩气和电源起弧，进入等离子束熔覆过程，按步骤2中给出的工艺参数，按等离子熔覆耐磨设备的常规操作方法，对等离子熔覆耐磨设备进行操作，在直流等离子束流的高温10000-16000℃下，将步骤1中配置好的铁镍合金粉末同步送入等离子炬的等离子束流中，水轮机转轮叶片表面快速依次形成与束流直径尺寸相近的熔池，粉末经快速加热，呈熔化或半熔化状态与熔池金属发生混合扩散反应，随着等离子束流的移动，合金熔池迅速凝固，形成与基体呈冶金结合1-10mm厚的硬质合金涂层；

[0009] 4、熔覆完成后，关闭等离子炬电源和气源，熔覆后，对叶片表面的硬质合金涂层经磨削或抛光，或直接作为叶片使用。

[0010] 本发明方法简单，铁镍合金粉末价格低廉，叶片硬度高，高致密性，耐磨，使用寿命长，在水轮机叶片上用等离子耐磨熔覆设备进行表面冶金涂敷的市场潜力很大。附图说明

[0011] 图1为本发明的叶轮结构示意图。

[0012] 图2为本发明方法熔覆状态图（省去等离子熔覆耐磨设备的其它部分）。

具体实施方式

[0013] 以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

[0014] 由图1、2给出，本发明所称的金属水轮机转轮由图1给出，包括叶片、上冠和下环，叶片呈螺旋状垂直均置在上冠1和下环4之间的周边内，构成一体结构，叶片是由叶片基体3和叶片基体表面上熔覆的硬化合金层2构成（现有技术），本发明在于对叶片进行处理，即在叶片基体3表面上由等离子熔覆耐磨设备，用铁镍合金粉末熔覆一层硬化合金层，其熔覆方法由以下实施例给出：

[0015] 实施例1

[0016] 本发明方法在实施中，是由以下步骤给出：

[0017] 1、配制铁镍合金粉末，方法是，按重量百分比将Ni 25%、Cr 15%、C 1%、Mo 2%、B2%、Si 3%、W 2%、余量为Fe 的粉末，混合在一起制成；或按重量百分比将Ni 28%、Cr 20%、C 1.5%、Mo 2.5%、B 3%、Si 4%、W 3%、余量为Fe 的粉末，混合在一起制成；或按重量百分比将Ni 30%、Cr 25%、C 2%、Mo 3%、B4%、Si 5%、W 4%、余量为Fe 的粉末，混合在一起制成；

[0018] 2、开启等离子熔覆耐磨设备的工作台运行，使等离子熔覆耐磨设备的等离子炬5移到等离子熔覆耐磨设备水轮机转轮叶片基体3熔覆部位上方，开启等离子熔覆耐磨设备的等离子炬保护气体氩气7和电源，电源电压：380V，额定输入容量： 30KVA，输出电压：75V ，工作电压： 10～30V ，输出电流： 300～600A，熔覆扫描速度： 150～500mm/min，
3 3 3
送粉器气流：0.6～1.2 m/h，离子气体流量：0.6～1.0 m/h，保护气体流量：0.6～1.0 m/h；使电极6起弧，进入等离子束熔覆过程，按等离子熔覆耐磨设备的常规操作方法，对等离子熔覆耐磨设备进行操作，在直流等离子束流的高温10000-16000℃下，将步骤1中配置好的铁镍合金粉末同步送入等离子炬的等离子束流中，水轮机转轮叶片表面快速依次形成与束流直径尺寸相近的熔池，粉末经快速加热，呈熔化或半熔化状态与熔池金属发生混合扩散反应，随着等离子束流（电极）的移动，合金熔池迅速凝固，形成与基体呈冶金结合1-10mm厚的硬质合金涂层2；

[0019] 4、熔覆完成后，关闭等离子炬电源和气源，熔覆后，对叶片表面的硬质合金涂层经磨削或抛光，或直接作为叶片使用。

[0020] 本发明经实际使用，取得了满意的效果，如本发明在某水电厂直径为3.3米的水轮机发电转轮，其叶片材料为ZG0Cr16Ni5Mo，在水轮机叶片底部等易损件处的表面均匀涂覆厚度4mm的铁镍基合金粉末熔道，熔覆工艺参数为：输入电压：380V，输入功率：30KVA，扫描速度300mm/min,输出电压75V, 工作电压15 V, 输出电流:450A，送粉器气流：0.83 3 3
m/h，离子气体流量：0.6 m/h，保护气体流量：0.8 m/h，熔覆层硬度：HRC65，在易磨损部位获得大面积和较高表面平整度的高结合力、高硬度、高致密性、内在质量均匀一致的熔覆硬化层，经过后续少余量加工，节约了加工工时和合金材料；与激光熔覆相比投资小，功率大，效率高，操作简单。

[0021] 又如，在某厂对金属水轮机转轮为熔覆对象，选用铁镍基合金粉末在氩气保护气氛下进行沉积处理。其工艺参数为：输入电压：380V，输入功率：30KVA，扫描速度300mm/3
min,输出电压75V, 工作电压15 V, 输出电流:450A，送粉器气流：0.8 m/h，离子气体流
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量：0.6 m/h，保护气体流量：0.8 m/h。与热喷涂和真空烧结等工艺相比，本发明所需设备工作平稳可靠，引弧成功率高，不需要前期除锈和除油污处理，减化工序，降低劳动强度和生产成本，也无需退火处理，不对金属水轮机转轮产生热损伤。经过处理后的等离子熔覆层的显微硬度、耐磨性和耐冲击性大大提高，延长了水轮机转轮的寿命3.5倍。

[0022] 上述经反复多次试验，对不同的厂家和不同的地方使用，均取得了相同或相近似的结果。表明该方法稳定可靠，使用效果好，产品质量高，使用寿命长，与现有金属水轮机转轮熔覆方法相比，具有以下突出的有益技术效果：

[0023] 1、本发明采用金属水轮机转轮为熔覆对象，可在零件的易磨损部位获得大面积和较高表面平整度的高结合力、高硬度、高致密性、内在质量均匀一致的熔覆硬化层，在氩气保护状态下获得熔覆耐磨层的厚度为1～10mm，熔覆层的硬度为HRC60～70，耐磨性提高3～4倍。这样就提高了金属水轮机转轮叶片材料表面的耐磨耐蚀耐冲击性能，进而提高了水轮机转轮叶片的使用寿命3倍以上。

[0024] 2、本发明是在金属水轮机转轮上用高能量束的方法使具有高强度、高耐磨性的合金粉末熔覆在金属水轮机转轮材料的表面，形成了一层与基体冶金结合的合金层，耐磨损，耐腐蚀。

[0025] 4、本发明所采用的等离子熔覆处理工艺，熔覆处理过程中单个冶金熔池处于无限大的冷态的水轮机转轮母材上，所以熔池的冷却速度非常大，就整个水轮机转轮来说，仍处于常温状态或温升较低，水轮机转轮不会退火或热变形。

[0026] 5、在金属水轮机转轮上熔覆合金粉末后熔覆层的厚度、熔覆层的质量和熔覆效率与熔覆工艺参数电压、电流、熔覆速度和送气耗量等有关，因此可通过对熔覆工艺参数的调节控制来获得不同的工艺效果。

[0027] 6、本发明用途广，有效用于普通铸铁水轮机转轮、铸钢水轮机转轮、低合金钢水轮机转轮、普通不锈钢水轮机转轮和高强度不锈钢水轮机转轮，是转轮生产上的一大创新。

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