阅读说明：本技术 一种多级泵用平衡装置及表面增材制造方法 (Balancing device for multi-stage pump and surface additive manufacturing method ) 是由 陈俊琪 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多级泵用平衡装置及表面增材制造方法,该平衡装置,包括平衡盘；平衡盘包括圆筒形的轴筒部和与轴筒部轴向垂直的圆盘部；轴筒部和圆盘部轴向连接；轴筒部的外周面为配合A面；在配合A面外间隙相对设置有环绕配合A面的配合B面；在圆盘部的盘面上设置有圆环形的配合C面；在平衡装置上设置有与配合C面平行相对的配合D面；在配合A面、配合B面、配合C面和配合D面上激光熔覆激光熔覆层。本发明通过材料变化和工艺转变,满足了平衡装置零件表面的工况需求,实现了不锈钢基材表面的各种硬化、腐蚀、耐磨需求,实现了低成本高科技的产品制造。(The invention discloses a balancing device for a multistage pump and a surface additive manufacturing method, wherein the balancing device comprises a balancing disc; the balance disc comprises a cylindrical shaft cylinder part and a disc part which is vertical to the axial direction of the shaft cylinder part; the shaft cylinder part is axially connected with the disk part; the outer peripheral surface of the shaft cylinder part is a matching surface A; a matching surface B surrounding the matching surface A is oppositely arranged outside the matching surface A in a clearance manner; a circular matched C surface is arranged on the disc surface of the disc part; a matching D surface parallel and opposite to the matching C surface is arranged on the balancing device; and laser cladding layers are laser clad on the matching surface A, the matching surface B, the matching surface C and the matching surface D. The invention meets the working condition requirements of the surface of the balancing device part through material change and process conversion, realizes various requirements of hardening, corrosion and abrasion resistance of the surface of the stainless steel substrate, and realizes the manufacture of low-cost and high-tech products.)

一种多级泵用平衡装置及表面增材制造方法

技术领域

本发明涉及泵领域，特别涉及一种多级泵用平衡装置及表面增材制造方法。

背景技术

多级泵应用非常广泛，多级离心水泵在启动时由于出水端的高水压和进水端的低水压形成压力差，使水泵转子产生向进水端的轴向力，为了平衡此轴向力，保证水泵正常启动，多级离心泵在出水端配置了一套平衡装置。以平衡盘和平衡板组成的平衡装置为例，其平衡原理就是在高压出水端将一部份高压水通过阻尼减压至平衡室，再通过平衡室的平衡盘和平衡板之间的间隙流出，流出的水压力接近大气压。启动时水泵转子上的平衡盘向进水侧移动，紧贴在平衡板上相对高速旋转，形成一个密闭的平衡室产生高水压，平衡室外是常压，这样就形成了一个反向的压力差，使水泵转子产生朝向出水侧的轴向力，当朝向出水侧的轴向力大于朝向进水侧的轴向力时，平衡盘和平衡板分离，转子进入动态平衡中。即通常在平衡装置内存在一个旋转摩擦配合面和一个高压流体间隙配合面，这两组配合面在平衡装置使用过程中磨损大，严重影响平衡装置的使用寿命。有部分厂商为了改善上述问题，对平衡装置的配合面表面进行喷焊处理或高频淬火处理，但是效果并不理想。采用喷焊处理难以把握零件表面堆焊后的硬度差，配合面之间的装配需保持硬度值最小差，否则使用中容易出现金属之间咬合，发生故障，并且喷焊的结合强度不高，对于这样的工况容易出现磨损过快或者硬质合金脱落等问题。而通过高频淬火处理后，虽然能够提高硬度及耐磨性能，但因热处理工艺，易导致母材开裂，硬度不均匀，寿命不理想等生产、使用问题。因此，需求一种对配合面进行改良的新型多级泵用平衡装置。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多级泵用平衡装置及表面增材制造方法，通过在配合面表面设置激光熔覆层，改善表面质量，解决了不锈钢母材表面性能要求及平衡装置使用过程中磨损大，导致使用寿命大大缩短的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种多级泵用平衡装置，包括平衡盘；所述平衡盘包括圆筒形的轴筒部和与所述轴筒部轴向垂直的圆盘部；所述轴筒部和圆盘部轴向连接；所述轴筒部的外周面为配合A面，在所述配合A面表面上设置有第一激光熔覆层；在所述配合A面外间隙相对设置有环绕所述配合A面的配合B面；所述配合B面上设置有第二激光熔覆层；在所述圆盘部的盘面上设置有圆环形的配合C面；在所述配合C面上设置有第三激光熔覆层；在所述平衡装置上设置有与所述配合C面平行相对的配合D面；所述配合D面表面设置有第四激光熔覆层；所述第一激光熔覆层、第二激光熔覆层都大于HRC30，第三激光熔覆层和第四激光熔覆层的硬度都大于HRC45；所述第三激光熔覆层与所述第四激光熔覆层的硬度差不小于HRC5。

作为本发明的一种优选方案，所述第一激光熔覆层、第二激光熔覆层、第三激光熔覆层和第四激光熔覆层分别为铁基激光熔覆层或镍基激光熔覆层。

作为本发明的一种优选方案，所述第一激光熔覆层、第二激光熔覆层、第三激光熔覆层和第四激光熔覆层的厚度都在0.8-5mm之间。

作为本发明的一种优选方案，所述第三激光熔覆层与所述第四激光熔覆层的硬度差不小于HRC10。

作为本发明的一种优选方案，所述平衡装置以不锈钢为基材。

作为本发明的一种优选方案，所述第一激光熔覆层为HRC37-43；所述第二激光熔覆层为HRC57-63；所述第三激光熔覆层为HRC47-53；所述第四激光熔覆层为HRC57-63

作为本发明的一种优选方案，所述第一激光熔覆层的熔覆材料为Ni40熔覆材料或第一铁基熔覆材料；所述第二激光熔覆层的熔覆材料为Ni60熔覆材料或第二铁基熔覆材料；所述第三激光熔覆层的熔覆材料为Ni50熔覆材料或第三铁基熔覆材料；所述第四激光熔覆层的熔覆材料为Ni60熔覆材料或第二铁基熔覆材料；

所述Ni40熔覆材料的化学组成及质量分数为：2.3％B，0.5％C，12.0％Cr，3.5％Fe3.5，3.0％Si，余量Ni；

所述Ni50熔覆材料的化学组成及质量分数为：2.3％B，0.5％C,13.8％Cr,4.0％Fe,3.4％Si,余量Ni；

所述Ni60熔覆材料的化学组成及质量分数为：2.6％B，0.5％C,13.0％Cr,4.0％Fe,3.8％Si,余量Ni；

所述第一铁基熔覆材料的化学组成及质量分数为：0.10％C，16.72％Cr，1.00％Si，0.41％Mn，1.73％Me，0.73％B,余量Fe；

所述第二铁基熔覆材料的化学组成及质量分数为：2.0％C，0.019％P，0.009％S，0.6％Mo,0.5％Mn，5.0％Cr，1.2％Si,0.7％B，6.2％V，余量Fe；

所述第三铁基熔覆材料的化学组成及质量分数为：0.11％C,17.28％Cr，0.98％Si，0.26％Mn，0.34％Mo，0.83％B,余量Fe。

一种多级泵用平衡装置的表面增材制造方法，用于上述任一所述的平衡装置的制造过程，采用激光增材熔覆的方法，制造所述第一激光熔覆层、第二激光熔覆层、第三激光熔覆层和第四激光熔覆层，具体包括以下步骤：

步骤1，在所述平衡装置的配合A面激光熔覆所述第一激光熔覆层，激光熔覆功率为2800W，激光熔覆过程中，圆周旋转转速为4.5rmp/min，熔覆材料为Ni40熔覆材料或第一铁基熔覆材料；

步骤2，在所述平衡装置的配合B面激光熔覆所述第二激光熔覆层，激光熔覆功率为2500W，激光熔覆过程中，圆周旋转转速为5rmp/min，熔覆材料为Ni60熔覆材料或第二铁基熔覆材料；

步骤3，在所述平衡装置的配合C面激光熔覆所述第三激光熔覆层，激光熔覆功率为3000W，激光熔覆过程中，平行旋转转速为2.5rmp/min，熔覆材料为Ni50熔覆材料或第三铁基熔覆材料；

步骤4，在所述平衡装置的配合D面激光熔覆所述第四激光熔覆层，激光熔覆功率为3000W，激光熔覆过程中，平行旋转转速为2.5rmp/min，熔覆材料为Ni60熔覆材料或第二铁基熔覆材料。

作为上述表面增材制造方法的优选方案，所述第一激光熔覆层、第二激光熔覆层、第三激光熔覆层和第四激光熔覆层激光熔覆时，单条宽度控制在3-4mm。

作为上述表面增材制造方法的优选方案，所述第一激光熔覆层、第二激光熔覆层、第三激光熔覆层和第四激光熔覆层激光熔覆时，采用单层熔覆或由多个单层熔覆叠加复合的多层熔覆，单层熔覆的厚度控制在0.5-2mm。

通过上述技术方案，本发明技术方案的有益效果是：本发明方法简单合理，通过材料变化和工艺转变，满足了平衡装置零件表面的工况需求，实现了不锈钢基材表面的各种硬化、腐蚀、耐磨需求，实现了低成本高科技的产品制造。本发明制造的平衡装置，与传统的产品对比，在以下性能上具有突出的提升：1、提高金属增材制造的结合强度；2、降低基材与焊层的稀释率；3、硬度均匀；4、提高耐磨、耐蚀性能。在综合性能上，传统产品的使用寿命通常在半年左右，而本发明的平衡装置使用寿命在两年以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中平衡盘的结构示意图。

图2为本发明实施例中平衡套的截面结构示意图。

图3为本发明实施例中平衡环的截面结构示意图。

图4为本发明实施例中平衡板的截面结构示意图。

图5和图6为本发明实施例中平衡装置使用2年后的照片效果图。

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

1.轴筒部 2.圆盘部 3.配合A面

4.配合C面 5.平衡套 6.配合B面

7.平衡环 8.配合D面 9.平衡板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

结合图1至图4，本发明公开一种多级泵用平衡装置，用于平衡多级离心水泵出水端和进水端的压力差，起到平衡轴向力的作用。虽然不同平衡装置的结构各不相同，但就其功能构件还是大同小异。通常在平衡装置内都设置有平衡盘。本申请以平衡盘为主要构件，就其他构件与配合的相对位置和功能，来阐述本申请的技术方案。

平衡盘包括圆筒形的轴筒部1和与轴筒部1轴向垂直的圆盘部2。轴筒部1和圆盘部2轴向连接。轴筒部1的外周面为配合A面3，在配合A面3表面上设置有第一激光熔覆层。在配合A面3外间隙相对设置有环绕配合A面3的配合B面6。配合B面6上设置有第二激光熔覆层。高压出水端将一部份高压水通过阻尼减压至平衡室，再通过平衡室的配合A面3和配合B面6之间的间隙流出。配合A面3和配合B面6之间会有高压流体通过，并且往往在高压流体中存在微小的固体颗粒杂质，对配合A面3和配合B面6造成很大的磨损。本申请通过第一激光熔覆层和第二激光熔覆层实现表面结构补强。就具体构件而言，可以根据多级离心水泵内部空间和其他设计需求的不同，选择不同的构件。具体的，可以采用平衡盘与平衡鼓配合，平衡鼓套设在平衡盘外，平衡鼓与平衡盘间隙配合，也可以采用平衡盘与平衡套5配合，结合图1和图2，就是配套使用的平衡盘与平衡套5。

在圆盘部2的盘面上设置有圆环形的配合C面4。在配合C面4上设置有第三激光熔覆层。在平衡装置上设置有与配合C面4平行相对的配合D面8。配合D面8表面设置有第四激光熔覆层。在多级离心水泵启动时，水泵转子上的平衡盘向进水侧移动，紧贴在配合D面8上相对高速旋转，形成一个密闭的平衡室产生高水压，平衡室外是常压，这样就形成了一个反向的压力差，使水泵转子产生朝向出水侧的轴向力，当朝向出水侧的轴向力大于朝向进水侧的轴向力时，平衡盘配合C面4和配合D面8分离，转子进入动态平衡中。在多级离心水泵启动时，配合C面4和配合D面8之间发生高压相对转动。就具体构件而言，可以根据多级离心水泵内部空间和其他设计需求的不同，选择不同的构件。具体的，结合图1和图3，可以采用平衡盘与平衡环7配合，如图中所示，平衡盘上设置配合C面4，平衡环7上设置配合D面8。结合图1和图4，也可以采用平衡盘和平衡板9配合，如图中所示，平衡盘上设置配合C面4，在平衡板9上设置配合D面8。

为了避免各个配合面之间出现金属咬合，所述第一激光熔覆层、第二激光熔覆层都大于HRC30，第三激光熔覆层和第四激光熔覆层的硬度都大于HRC45；第三激光熔覆层与第四激光熔覆层的硬度差不小于HRC5。优选的，第三激光熔覆层与第四激光熔覆层的硬度差不小于HRC10。

本申请的平衡装置通常以不锈钢为基材，也可以采用其他金属的基材，但就其综合性能而言，优选采用不锈钢。第一激光熔覆层、第二激光熔覆层、第三激光熔覆层和第四激光熔覆层分别为铁基激光熔覆层或镍基激光熔覆层。最好第一激光熔覆层为HRC37-43；第二激光熔覆层为HRC57-63；第三激光熔覆层为HRC47-53；第四激光熔覆层为HRC57-63。第一激光熔覆层、第二激光熔覆层、第三激光熔覆层和第四激光熔覆层的厚度都在0.8-5mm之间。

本申请通过对熔覆材料进行改良，以求达到最优的性能。第一激光熔覆层的熔覆材料为Ni40熔覆材料或第一铁基熔覆材料；第二激光熔覆层的熔覆材料为Ni60熔覆材料或第二铁基熔覆材料；第三激光熔覆层的熔覆材料为Ni50熔覆材料或第三铁基熔覆材料；第四激光熔覆层的熔覆材料为Ni60熔覆材料或第二铁基熔覆材料。具体的，Ni40熔覆材料的化学组成及质量分数为：2.3％B，0.5％C，12.0％Cr，3.5％Fe3.5，3.0％Si，余量Ni；Ni50熔覆材料的化学组成及质量分数为：2.3％B，0.5％C,13.8％Cr,4.0％Fe,3.4％Si,余量Ni；Ni60熔覆材料的化学组成及质量分数为：2.6％B，0.5％C,13.0％Cr,4.0％Fe,3.8％Si,余量Ni；第一铁基熔覆材料的化学组成及质量分数为：0.10％C，16.72％Cr，1.00％Si，0.41％Mn，1.73％Me，0.73％B,余量Fe；第二铁基熔覆材料的化学组成及质量分数为：2.0％C，0.019％P，0.009％S，0.6％Mo,0.5％Mn，5.0％Cr，1.2％Si,0.7％B，6.2％V，余量Fe；第三铁基熔覆材料的化学组成及质量分数为：0.11％C,17.28％Cr，0.98％Si，0.26％Mn，0.34％Mo，0.83％B,余量Fe。

下面采用多组实施例，对上述的平衡装置进行表面增材制造。

实施例1

一种多级泵用平衡装置的表面增材制造方法，采用激光增材熔覆的方法，制造第一激光熔覆层、第二激光熔覆层、第三激光熔覆层和第四激光熔覆层，采用平衡套5、平衡盘和平衡板9为具体构件，包括以下步骤：

步骤1，在平衡装置的配合A面3激光熔覆第一激光熔覆层，激光熔覆功率为2800W，激光熔覆过程中，圆周旋转转速为4.5rmp/min，熔覆材料为Ni40熔覆材料，第一激光熔覆层的厚度为(1.6±0.1)mm。

步骤2，在平衡装置的配合B面6激光熔覆第二激光熔覆层，激光熔覆功率为2500W，激光熔覆过程中，圆周旋转转速为5rmp/min，熔覆材料为Ni60熔覆材料，第二激光熔覆层的厚度为(1.6±0.1)mm。

步骤3，在平衡装置的配合C面4激光熔覆第三激光熔覆层，激光熔覆功率为3000W，激光熔覆过程中，平行旋转转速为2.5rmp/min，熔覆材料为Ni50熔覆材料，第三激光熔覆层的厚度为(1.8±0.1)mm。

步骤4，在平衡装置的配合D面8激光熔覆第四激光熔覆层，激光熔覆功率为3000W，激光熔覆过程中，平行旋转转速为2.5rmp/min，熔覆材料为Ni60熔覆材料，第四激光熔覆层的厚度为(1.8±0.1)mm。

第一激光熔覆层、第二激光熔覆层、第三激光熔覆层和第四激光熔覆层激光熔覆都采用单层熔覆。

实施例2

一种多级泵用平衡装置的表面增材制造方法，采用激光增材熔覆的方法，制造第一激光熔覆层、第二激光熔覆层、第三激光熔覆层和第四激光熔覆层，采用平衡套5、平衡盘和平衡环7为具体构件，包括以下步骤：

步骤1，在平衡装置的配合A面3激光熔覆第一激光熔覆层，激光熔覆功率为2800W，激光熔覆过程中，圆周旋转转速为4.5rmp/min，熔覆材料为Ni40熔覆材料，第一激光熔覆层的厚度为(2.4±0.1)mm。

步骤2，在平衡装置的配合B面6激光熔覆第二激光熔覆层，激光熔覆功率为2500W，激光熔覆过程中，圆周旋转转速为5rmp/min，熔覆材料为Ni60熔覆材料，第二激光熔覆层的厚度为(2.4±0.1)mm。

步骤3，在平衡装置的配合C面4激光熔覆第三激光熔覆层，激光熔覆功率为3000W，激光熔覆过程中，平行旋转转速为2.5rmp/min，熔覆材料为Ni50熔覆材料，第三激光熔覆层的厚度为(3.6±0.1)mm。

步骤4，在平衡装置的配合D面8激光熔覆第四激光熔覆层，激光熔覆功率为3000W，激光熔覆过程中，平行旋转转速为2.5rmp/min，熔覆材料为Ni60熔覆材料，第四激光熔覆层的厚度为(3.6±0.1)mm。

第一激光熔覆层、第二激光熔覆层、第三激光熔覆层和第四激光熔覆层激光熔覆都采用双层熔覆叠加。第一激光熔覆层、第二激光熔覆层的单层熔覆厚度为1.2mm，通常2次单层熔覆叠加完成。第一激光熔覆层、第二激光熔覆层的单层熔覆厚度为1.8mm，通常2次单层熔覆叠加完成

实施例3

一种多级泵用平衡装置的表面增材制造方法，采用激光增材熔覆的方法，制造第一激光熔覆层、第二激光熔覆层、第三激光熔覆层和第四激光熔覆层，采用平衡鼓、平衡盘和平衡板9为具体构件，包括以下步骤：

步骤1，在平衡装置的配合A面3激光熔覆第一激光熔覆层，激光熔覆功率为2800W，激光熔覆过程中，圆周旋转转速为4.5rmp/min，熔覆材料为Ni40熔覆材料，第一激光熔覆层的厚度为(1.8±0.1)mm。

步骤2，在平衡装置的配合B面6激光熔覆第二激光熔覆层，激光熔覆功率为2500W，激光熔覆过程中，圆周旋转转速为5rmp/min，熔覆材料为Ni60熔覆材料，第二激光熔覆层的厚度为(1.8±0.1)mm。

步骤3，在平衡装置的配合C面4激光熔覆第三激光熔覆层，激光熔覆功率为3000W，激光熔覆过程中，平行旋转转速为2.5rmp/min，熔覆材料为Ni50熔覆材料，第三激光熔覆层的厚度为(1.8±0.1)mm。

步骤4，在平衡装置的配合D面8激光熔覆第四激光熔覆层，激光熔覆功率为3000W，激光熔覆过程中，平行旋转转速为2.5rmp/min，熔覆材料为Ni60熔覆材料，第四激光熔覆层的厚度为(1.8±0.1)mm。

第一激光熔覆层、第二激光熔覆层、第三激光熔覆层和第四激光熔覆层激光熔覆都采用单层熔覆。第一激光熔覆层、第二激光熔覆层、第三激光熔覆层和第四激光熔覆层激光熔覆时，单条宽度控制在3-4mm。

实施例4

一种多级泵用平衡装置的表面增材制造方法，采用激光增材熔覆的方法，制造第一激光熔覆层、第二激光熔覆层、第三激光熔覆层和第四激光熔覆层，采用平衡套5、平衡盘和平衡板9为具体构件，包括以下步骤：

步骤1，在平衡装置的配合A面3激光熔覆第一激光熔覆层，激光熔覆功率为2800W，激光熔覆过程中，圆周旋转转速为4.5rmp/min，熔覆材料为第一铁基熔覆材料，第一激光熔覆层的厚度为(1.6±0.1)mm。

步骤2，在平衡装置的配合B面6激光熔覆第二激光熔覆层，激光熔覆功率为2500W，激光熔覆过程中，圆周旋转转速为5rmp/min，熔覆材料为第二铁基熔覆材料，第二激光熔覆层的厚度为(1.6±0.1)mm。

步骤3，在平衡装置的配合C面4激光熔覆第三激光熔覆层，激光熔覆功率为3000W，激光熔覆过程中，平行旋转转速为2.5rmp/min，熔覆材料为第三铁基熔覆材料，第三激光熔覆层的厚度为(1.8±0.1)mm。

步骤4，在平衡装置的配合D面8激光熔覆第四激光熔覆层，激光熔覆功率为3000W，激光熔覆过程中，平行旋转转速为2.5rmp/min，熔覆材料为第二铁基熔覆材料，第四激光熔覆层的厚度为(1.8±0.1)mm。

第一激光熔覆层、第二激光熔覆层、第三激光熔覆层和第四激光熔覆层激光熔覆都采用单层熔覆。

对实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的第一激光熔覆层、第二激光熔覆层、第三激光熔覆层和第四激光熔覆层进行检测，第一激光熔覆层在HRC37-43范围内；第二激光熔覆层在HRC57-63范围内；第三激光熔覆层为在HRC47-53范围内；第四激光熔覆层在HRC57-63范围内，同时第一激光熔覆层、第二激光熔覆层、第三激光熔覆层和第四激光熔覆层的耐盐雾腐蚀都≥2500h，平均使用寿命都在750天以上。

结合图5和图6，为采用实施例1的方案生产的平衡装置，在2017年3月2号交付客户安装使用，图5和图6为客户在2019年5月29日进行维修保养时，拆卸下来后拍摄的照片效果图，其中图5为平衡盘的照片，图6为平衡板9的表面照片，从图中可见，第一激光熔覆层、第三激光熔覆层和第四激光熔覆层表面光滑，未出现表面裂纹或局部磨损变形影响使用的情况。2019年5月29日拆解维修，发现平衡装置仍可正常使用。

通过上述具体实施例，本发明的有益效果是：本发明方法简单合理，通过材料变化和工艺转变，满足了平衡装置零件表面的工况需求，实现了不锈钢基材表面的各种硬化、腐蚀、耐磨需求，实现了低成本高科技的产品制造。本发明制造的平衡装置，与传统的产品对比，在以下性能上具有突出的提升：1、提高金属增材制造的结合强度；2、降低基材与焊层的稀释率；3、硬度均匀；4、提高耐磨、耐蚀性能。在综合性能上，传统产品的使用寿命通常在半年左右，而本发明的平衡装置使用寿命在两年以上。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。