水泵抗汽蚀、磨损防护技术的研究进展
水泵的汽蚀、磨蚀及其联合作用的破坏一直是水泵运行、维护及管理工作中的一个重要问题,传统的表面保护材料及工艺已远远不能满足水泵抗汽蚀、磨蚀的要求。为了增强水泵过流部件表面抗汽蚀、磨蚀的能力,除了采用不锈钢或其它硬质合金材料来制造叶片、叶轮室外,还对表面保护技术进行不断的试验研究。本文对其进展叙述如下。
1 表面保护技术研究现状
1 1 表面保护技术简介
1 1 1 非金属涂层的研究我国在20世纪60、70年代就开始将环氧树脂及其复合物应用于水泵进行抗磨蚀保护。在20世纪80年代又相继开发了复合尼龙涂层、聚氨酯类涂层、仿陶瓷涂层以及橡胶涂层等非金属涂层。另外有一些使用速钛胶、橡胶、搪瓷、陶瓷、玻璃等材料形成的非金属涂层,由于加工工艺复杂等原因使用较少。20世纪90年代,在工业领域还引进了美国Ｄｅｖｃｏｎ修复剂、ＡＲＣ复合涂料、人造橡胶涂层等高分子聚合物材料。这些非金属涂层材料在泵站恶劣的使用环境下,往往因涂层与金属基体结合能力差以及材料本身硬度不够,很难达到{TodayHot}预期的抗汽蚀、抗磨蚀效果。
1 1 2 金属涂层的研究[2]在水泵抗磨蚀表面保护技术中还广泛采用金属表面保护层。使用最多的是焊条堆焊和线材喷涂。利用不锈钢焊条的堆焊法可保证焊层与基体有很高的结合强度,但堆焊法冲淡率大,焊层厚而不匀且加工余量大,对工件基体材料的可焊性要求高。经堆焊法处理的水泵叶片表面,一般在堆焊处未发生汽蚀破坏前,在堆焊点周围又迅速发生新的汽蚀破坏,直至堆焊层底部。线材喷涂所形成的不锈钢雾状颗粒涂层以机械结合为主,不太适用于水泵冲击载荷和抗汽蚀的修复。对于一些大型的水泵工件,如大口径(直径3ｍ以上)轴流泵叶轮室,可以在表面镶嵌一层不锈钢板来增加抗磨蚀能力。但这种方法需将工件送至大型水泵厂专门加工、车削、镶嵌、焊接,费用贵、周期长,非一般泵站所能实施。合金粉末喷涂是在线材喷涂基础上发展起来的。与堆焊法相比,成型美观平整,厚度易于控制,冲淡率小,方法简便,热源易得,加工不受气候、场地的限制。但由于喷涂层是由高速喷射到基体表面的半熔融状态的合金粉末微粒一层一层地有规则地叠加形成的,属于层状结构,其物理特性具有方向性,而且在喷涂过程中,每颗粉末微粒均出现凝结、收缩、变形等现象而在涂层中发展成一种内应力,因此合金粉末喷涂一般只用于汽蚀和磨蚀不太严重的中小型水泵的表面保护。
1 2 表面保护材料和工艺的要求
1 2 1 表面保护材料的技术要求抗磨蚀涂层必须具有[1]:(1)很高的强度和硬度以抵抗汽蚀、磨蚀的破坏;(2)具有一定的韧性,以吸收冲击能量;(3)具有很高的粘结强度,以保证涂层在泵内30～35ｍ/ｓ的高速水流冲击下不会剥落;(4)涂层材料必须价格适中,才能保证在大中型泵站及量大面广的农村中小型泵站中推广使用;(5)涂层材料应无毒,非易燃、易爆品,便于保管运输,不污染周围环境。
1 2 2 加工工艺要求为了保证表面保护技术的推广和应用,加工工艺必须做到:(1)工艺简单,能够为不同程度的操作者所掌握;(2)加工中所使用的工具(器具)应是在市场中易于购得或是一般泵站维修工作中所必备,且价格适中,无需特殊和昂贵的设备;(3)工艺应不受季节和周围环境的影响,保证泵站在冬、春季节维修期内能够进行;(4)涂层不需要特殊的保温养护,涂覆后能快速固化或投入使用,以{HotTag}缩短维修周期。
2 合金粉末喷焊技术的进展
喷焊防护技术是随着低熔点粉末材料的研制成功而在喷涂和堆焊基础上发展起来的一种金属表面保护技术。由于喷层经历重熔过程,涂层致密无孔,表面光滑平整,具有节约材料、质量好、效率高的优点,喷焊层表面硬度可高达ＨＲＣ60～70,可以几倍甚至十几倍的延长水泵过流部件的使用寿命。
2 1 喷焊合金粉末材料的优化
2 1 1 优化要点为了保证喷焊层的质量,防止工件变形和涂层裂纹的产生,涂层材料研究优化的技术路线为:(1)通过配比优化,改变硬化相的颗粒尺寸、数量及结晶晶粒度的大小,以获得合理的组织结构形态及分布状态。(2)根据水泵汽蚀、磨蚀的特点,有针对性地调整材料的性能指标,既保证材料优异的抗磨蚀性,又可最大限度地抑制或减少裂纹的产生,提高可焊性。(3)确定合理的技术参数和工艺参数,改善涂层使用条件下的拘束状态。
2 1 2 合金粉末的基本成分和配比根据水泵抗磨蚀的基本要求,我们对喷焊用合金粉末进行了大量筛选并优化。主要优化出Ｆｅ基、Ｎｉ-Ｃｒ基和ＷＣ系列的材料,其主要成分和配比如表1中所示。
2 1 3 合金粉末的优化选择选择使用何种粉末材料,是根据水泵工作状况、喷焊工艺及经济性来决定的。值得注意的是,喷焊层的耐磨蚀性和其宏观硬度(ＨＲＣ或ＨＢ)并不成线性比例,而是和其显微硬度(ＨＶ)成正比例,故而选择焊层时不应过分强调其宏观硬度的高低,这一点已在大量耐磨蚀性能对比试验中获得证实。对水泵抗汽蚀、抗磨损合金粉末选择一般应满足下列原则[4]:(1)对中小型水泵的叶片和叶轮室,处理较轻微的汽蚀损坏或泥沙磨损件可用Ｆｅ30、Ｆｅ280、Ｆｅ250等进行喷涂处理。修复水泵的铸件铸造缺陷或损坏,可选用喷焊性能和韧性及加工性能较好的Ｎｉ25、Ｎｉ20,用这种喷焊法代替焊接工艺,可避免铸铁在热影响区内形成Ｆｅ3Ｃ脆性相,防止焊层开裂。(2)对于中等磨损并要求较好抗汽蚀性能的使用条件,可考虑选用Ｎｉ35喷焊。它对基体金属适应性强,不致引起开裂,喷焊层富有韧性,可车削加工。对于汽蚀侵蚀或泥沙磨损严重的水泵叶片、叶轮室可选用Ｎｉ55或Ｎｉ60,它们具有很高的硬度、韧性和抗冲击能力及良好的抗汽蚀、抗磨损性能。(3)对要求在常温下承受强烈磨损和侵蚀而工作表面要求不高的水泵,可采取廉价的Ｆｅ60、Ｆｅ-ＷＣ25合金粉末,喷焊后无需加工可直接使用。(4)对于高应力磨粒磨损或冲刷磨损以及严重汽蚀侵蚀和要求严格的使用工况,可选用含ＷＣ的Ｆｅ-ＷＣ35,Ｎｉ-ＷＣ25、Ｎｉ-ＷＣ35合金粉末进行喷焊。
2 2 喷焊加工关键技术高硬质抗汽蚀、磨蚀材料在加工过程中,必须重点解决喷焊所引起的工件变形和喷层裂纹问题[5]。变形和裂纹的主要原因有:(1)在加工过程中的高温引起了内应力的产生,这种内应力随着喷层厚度的增加而叠加。(2)涂层金属凝固结晶时,由于低熔点共晶体的大量存在形成金属偏析,给裂纹的生成创造了条件。加之硬质相合金结晶时引起的晶粒粗大及晶界脆化使材料韧性大大降低,裂纹一旦产生极易扩展。(3)涂层和基体热物理性能的差异,特别是所选用的粉末与金属基体膨胀系数相差较大时,会导致冷却过程中基体金属出现较大的相变和层间应力,导致变形和涂层开裂。(4)材料加工过程中环境拘束度的影响,例如周围的空气温度和湿度的大小,操作人员的熟练水平,施喷的速度快慢、喷敷和重熔的温度高低以及预热、加温和冷却的速度等因素都直接影响到喷层的质量和变形裂纹的产生。针对喷焊层裂纹和工件变形问题,制定了严格的工艺流程和技术参数,包括送粉的速度、气源的压力、喷嘴的孔径和距工件的距离、每次喷层的厚度、覆盖的方式、温度的控制、冷却速度、保温时间及措施等。
2 3 试验研究结果在实验室利用汽蚀圆盘机对6种不同配比和不同成分的试块进行试验并与其它防护材料试块进行对比测试,以普通碳素钢为标准材料,见表1。它表明采用Ｎｉ-Ｃｒ基60系列喷焊的涂层抗汽蚀能力为普通碳素钢的19 5倍。Ｎｉ Ｃｒ基合金是在Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ中加入了15%～18%的Ｃｒ,在涂层的显微金相组织可见大量硬质相加入细化晶粒元素使组织细小,分布均匀。在熔合区有共晶体析出,边界可见扩散层。图1为喷焊组织金相照片。
的显微金相组织可见大量硬质相加入细化晶粒元
表1汽蚀试验结果对比材料名称基本成分(%)硬度(ＨＲＣ)连接方式抗蚀系数碳素钢环氧金刚砂电火花强化Ｎｉ222Ｆｅ30ＡＦｅ30ＡＮｉ55Ｎｉ55Ｎｉ60Ｆｅ、Ｃ环氧基液、金刚砂Ｆｅ、Ｃ、ＮｉＣ0 5%、Ｃｒ15%、Ａ14 5%、Ｆｅ8%、Ｓｉ0 8%、Ｎｉ余量Ｃ0 6%、Ｎｉ34 5%、Ｃｒ13%、Ｂ1 5%、Ｓｉ3%、Ｍｏ4 5%、Ｆｅ余量Ｃ0 6%、Ｎｉ34 6%、Ｃｒ13%、Ｂ1 5%、Ｓｉ3%、Ｍｏ4 5%、Ｆｅ余量Ｃ0 6%、Ｃｒ15%、Ｂ4%、Ｓｉ4%、Ｍｏ3%、Ｃｕ2 5%、Ｆｅ<12%、Ｎｉ余量Ｃ0 6%、Ｃｒ15%、Ｂ4%、Ｓｉ4%、Ｍｏ3%、Ｃｕ2 5%、Ｆｅ><12%、Ｎｉ余量Ｃ0 9%、Ｃｒ15%、Ｂ4%、Ｓｉ4%、Ｃｏ1 5%、Ｆｅ><14%、Ｎｉ余量2030ＨＢ2503030555560板材涂抹渗入喷涂喷涂喷焊喷涂喷焊喷焊1 0试验中脱落5 29 99 612 513 618 419 5>
表2 1990～2000年工艺试验研究内容及阶段性成果江苏房山泵站江苏凌城泵站皂河泵站江都三站湖北凡口泵站试验室水泵型号28ＺＬＢ-7040ＺＬＢ-506ＨＬ-70ＺＬ13 5-840ＣＪ-95扬程Ｈ(ｍ)8 5121 589 5流量Ｑ(ｍ3/ｓ)1 12 510013 550叶轮直径(ｍｍ)7001000600020004000试验日期1990年4月1991年11月1992年4月1993年7月1997年12月2000年7月重点试验内容及目的 进行8种喷焊(涂)层方案比较,在相同汽蚀工况下运行 研究喷焊材料和叶片、叶轮室的防护技术,解决喷焊加工工艺的开裂和变形问题 研究大型泵叶片喷焊工艺,解决预处理、预热、控温、变形等工艺问题 研究大型泵ｈａ1ｆ叶轮室喷焊时极限变形量,以便采取控制措施 ①全面检验防护工艺、变形控制措施;②真机应用试验研究;③研究喷焊大型工件的预热方式和热传导的影响 ①研究激光熔覆材料添加方式;②研究激光熔覆加工工艺参数包括:激光功率Ｐ,光斑尺寸ｄ,光腔输出构型和聚焦方式,激光扫描速度ｖ,激光多道搭接系数ａ等;③研究激光加工后材料抗汽蚀能力试验部位 叶片正、反面全部喷焊(涂)加工10台水泵叶片正反两面汽蚀区及叶轮室200ｍｍ宽度汽蚀带 叶片进水侧正面沿叶片宽度方向长条区域宽约250ｍｍ 叶轮室300ｍｍ宽度汽蚀带 叶片正面进水侧750×1500ｍｍ2汽蚀区和叶轮室330ｍｍ宽度汽蚀带 铸铁和铸钢表面试验结果 至1993年5月拆泵检查,每台累计运行时间3288ｈ。未经过处理的叶片汽蚀面积达到2800ｍｍ2,深度5ｍｍ。喷涂叶片在汽蚀区有脱落。喷焊叶片均未发生变化 为验证试验结果,喷焊加工后,将叶片角度从原来-10°增至0～2°。至1996年12月检查,平均每台运行2860ｈ,叶片、叶轮室表面光滑,无汽蚀破坏痕迹 用Ｎｉ基碳化钨二步法喷焊,至今效果良好,无汽蚀破坏痕迹 在不采取任何措施的情况下,ｈａｒｆ叶轮室极限变形量可达0 3%Ｄ,经采取措施,可控制变形量在±0 1%Ｄ以内(Ｄ为叶轮室直径) 叶片变形量控制在±0 1%Ｄ以内,叶轮室变形量控制在±0 05%Ｄ以内。喷焊过程中,经采取措施,热量对水泵油轴承无影响 采用与喷焊同一种Ｎｉ基和ＷＣ涂层材料,经激光熔覆处理后,铸铁和铸钢的平均抗汽蚀能力分别提高15 91倍和21 43倍。与喷焊工艺相比,平均抗汽蚀能力提高了1 3倍和1 5倍
2 3 现场试验及应用1990年开始我校率先在国内开展了水泵过流部件表面喷焊防护材料和关键技术的试验研究。通过不断地改进材料配方,并完成了泵站泵实施的试验工作,基本解决了大型轴流泵、混流泵叶片、叶轮室汽蚀区的严重破坏及大工件实施中的涂层脱壳、工件变形、裂纹等关键技术。1990～2000年工艺试验研究内容及取得的阶段性成果见表2。由于大量的试验研究工作在泵站泵上进行,成果经多年验证,已具备了推广应用的条件。试验研究和实际应用证明喷焊技术是目前解决大中型水泵汽蚀、磨蚀破坏的最好方法之一。
3 激光熔覆表面改性技术研究
3 1 激光表面熔覆工艺的特点激光熔覆技术是指在被熔覆基体表面放置选择的涂层材料后,经过激光辐照使之和基体表面同时熔化,并快速凝固后形成稀释度极低,与基体材料成冶金结合的表面涂层,从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀性能的工艺方法[6]。与喷焊熔覆相比,它具有以下特点:(1)冷凝速度快,产生快速凝固组织特征,可获得致密、均匀、高硬度的涂层;(2)热变形极小,特别适合于对变形量有严格要求的叶轮、叶轮室;(3)光束瞄准,能进行选区熔覆和修复其它方法难以接近的加工区域;(4)工艺过程易于实现自动化,便于质量控制。
3 2 试验研究结果[7]利用2ｋＷ ＣＯ2连续横流激光器,采用Ｎｉ基和Ｎｉ基ＷＣ合金粉末,对铸铁和铸钢试样进行了激光表面改性技术的研究。用Ｊ93025型磁致伸缩仪对试样的抗汽蚀性能进行了测试。试验结果表明,经激光熔覆表面改性后的试样抗汽蚀性能有较大幅度的提高。(1)激光熔覆层比喷焊层更为细密、均匀,热影响区更窄。由于激光功率高,扫描作用时间短,涂层和基体表层加热后熔化速度快,急速冷却时过冷度大,熔池中的合金元素能迅速形成多种化合物而增加非自发晶核的数量,使形核率大为提高,形成细小均匀的显微组织。组织细密可以提高晶界结合力,增强材料强度和韧性,不但减少了单位晶界上的杂质含量,而且在快速冷却过程中成分偏析程度减少,从而在整体上保证了加工质量。(2)激光熔覆表面改性是利用激光束对熔池进行搅拌,使得熔池中气体夹杂物能上浮析出,形成较为致密的涂层,保证了熔层的质量。而喷焊过程是利用氧乙炔火焰使喷射到基材表面的粉末熔化,在加工过程中伴随有空气混入焊层,在喷层及界面部位往往存在较多的气孔与夹杂物分布在粗大的枝晶之间。化学成分和金属组织的不均匀性都降低了喷焊层的抗蚀能力。(3)铸钢和铸铁表面在采用与喷焊同一种涂层材料经激光熔覆处理后,抗汽蚀能力分别提高了15 91倍和21 43倍。与喷焊相比,抗汽蚀能力分别提高了1 3和1 5倍。(4)激光熔覆本身的热变形小、与涂层能产生良好的冶金结合、加上速度快、光束瞄准加工灵活、自动化程度高等特点使得激光熔覆具有其它工艺方法所无法比拟的优势。随着激光技术的成熟、价格的降低、材料研究的深入以及宽带扫描激光设备的研制,激光熔覆技术将能为水泵抗汽蚀、磨损预防护和维修提供更好的解决方案。
4 结语表面保护技术可以节约优质材料,最大限度地改善和大幅度地提高普通母材的表面性能,显著地提高水泵叶片、叶轮室的抗汽蚀、磨蚀性能,延长其使用寿命。
参考文献
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6谢沛霖,吴新跃 汽轮机叶片表面激光熔覆抗汽蚀研究 海军工程学院学报,1999
7马援东 水泵抗汽蚀激光熔覆预防护研究 扬州大学水利建筑工程学院硕士学位论文,2000
