适用于水泵水轮机转轮叶片间狭窄流道的涂层制备方法
阅读说明：本技术 适用于水泵水轮机转轮叶片间狭窄流道的涂层制备方法 (Preparation method of coating suitable for narrow flow channel between runner blades of water pump turbine ) 是由 陈小明 伏利 刘德有 方勇 赵坚 毛鹏展 刘伟 张凯 张磊 霍嘉翔 苏建灏 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适用于水泵水轮机转轮叶片间狭窄流道的涂层制备方法,是先在需焊接为一体的各部件上先喷涂特制涂层,将各部件进行焊接后再进行常规退火去应力处理；所述的特制涂层包括WC基内层和NiCrAl基面层。该涂层极适用于水泵水轮机转轮叶片间这类狭窄流道先喷涂后焊接的工艺,利用面层可以很好的阻挡800℃～1000℃高温处理对内层的破坏,使内层稳定发挥抗磨抗汽蚀的性能。本发明的方案解决了水泵、水轮机转轮叶片间狭窄流道先喷后焊及高温退火时涂层失效问题。(The invention discloses a preparation method of a coating suitable for a narrow flow passage between runner blades of a water pump turbine, which comprises the steps of firstly spraying a special coating on each part needing to be welded into a whole, welding each part and then carrying out conventional annealing stress removal treatment; the special coating comprises a WC base inner layer and a NiCrAl base surface layer. The coating is extremely suitable for the process of spraying and welding narrow flow passages among runner blades of a water pump turbine, and the damage to the inner layer caused by high-temperature treatment at 800-1000 ℃ can be well prevented by utilizing the surface layer, so that the inner layer can stably exert the performances of wear resistance and cavitation resistance. The scheme of the invention solves the problem that the coating fails when a narrow flow passage between the blades of the water pump and the water turbine is sprayed firstly and then welded and annealed at high temperature.)
技术领域
本发明属于水力机械涂层技术领域，涉及一种适用于水泵水轮机转轮叶片间狭窄流道的涂层制备方法。
背景技术
水泵、水轮机是水力机械的关键装备。全国水电站有46758座、泵站424451座，其中规模以上水电站数有22190座、泵站89063座。
其中30％～40％的水轮机、水泵等水力装备在使用过程中受到泥沙磨蚀、汽蚀的侵害，问题十分严重。在高泥沙磨蚀、汽蚀破坏下，其寿命往往难以超过1年，扬程高的水泵仅运行1000余小时便报废，每年造成数千亿元人民币的经济损失，甚至会造成灾难性事故，同时还带来环境污染和大量的资源、能源浪费，亟需攻关解决。目前国内外常用热喷涂技术在水泵、水轮机转轮叶片表面喷涂制备涂层来提高水力装备的抗磨蚀、抗汽蚀性能。
目前在实际工程应用中，水泵、水轮机转轮都是先焊接好后再喷涂制备抗磨蚀、抗汽蚀涂层，这就导致了焊接后的水泵、水轮机转轮叶片之间空间狭小，没有足够的喷涂距离而无法制备抗磨蚀、抗汽蚀涂层。解决这一难题的方法可以采用先喷涂后焊接的方式，然而对于先喷涂后焊接的方式往往也存在问题：先喷涂后再焊接，焊接热影响区的温度通常要高达800～1000℃，而且焊接后的转轮还需要在860℃的高温下退火去应力，然而目前常用的WC抗磨蚀涂层在480℃以上高温下，涂层性能就会失效无法再起到抗磨蚀、抗汽蚀保护作用。因此，本发明主要解决水泵、水轮机转轮叶片间狭窄流道中涂层制备问题，通过对涂层组分和结构进行设计，可以保证在先喷涂涂层之后再焊接的方式下涂层不会失效，实现涂层的环保性、高效性和实用性的结合。
发明内容
本发明的目的在于针对现在水泵、水轮机转轮叶片间狭窄流道先喷涂后焊接时产生高温及高温退火易造成涂层失效的问题，提供一种适用于水泵水轮机转轮叶片间狭窄流道的涂层制备方法，采用该方法喷涂涂层后可以抵御焊接及后续退火去应力所产生的高温氧化问题，保障涂层的抗磨抗汽蚀性能。
本发明所采用的技术方案如下：
适用于水泵水轮机转轮叶片间狭窄流道的涂层制备方法，先在需焊接为一体的各部件上先喷涂特制涂层，将各部件进行焊接后再进行常规退火去应力处理；所述的特制涂层包括WC基内层和NiCrAl基面层，以质量百分比计，所述WC基内层的组分为Co：8～9.5％、Cr：3～6％、Y或Y2O3：0.3～1.5％、WC余量，所述NiCrAl基面层的组分为Cr：25～30％、Al：8～12％、Y2O3：0.3～1.5％、Ta：2～5％、Ni余量。
上述技术方案中，所述的特制涂层中WC基内层和NiCrAl基面层均采用HVAF、HVOF或爆炸喷涂制备而成。
所述特制涂层的制备包括如下步骤：
1)按配比称取WC粉末、Co粉末、Cr粉末、以及Y或Y2O3粉末混合，添加酒精和聚乙二醇，在球磨机中充分混合20～30小时；再采用水雾化或酒精雾化对配好的料浆进行喷雾干燥造粒，将造粒好的粉末于氢气气氛下烧结，烧结温度为1000～1250℃，烧结后进行破碎筛分得到内层复合粉末；平铺烘干；
2)按配比称取Ni粉末、Cr粉末、Al粉末、Ta粉末、以及Y或Y2O3粉末，球磨混合12-18小时，再采用水雾化或酒精雾化对配好的料浆进行喷雾干燥造粒，将造粒好的粉末于氢气气氛下烧结，烧结温度为1000～1250℃，后经过破碎筛分获得面层复合粉末；平铺烘干；
3)用丙酮或酒精将喷涂基体表面清洗干净，并烘干，除去表面油渍污物，之后采用空气动力喷砂方法对上述喷涂基体表面进行除锈和毛化处理；
4)先采用HVAF、HVOF或爆炸喷涂在喷涂基体表面喷涂内层复合粉末，再采用HVAF、HVOF或爆炸喷涂进行面层复合粉末的喷涂，获得特制涂层。
其中，所述的WC粉末粒度为5-60μm，所述的面层复合粉末需控制粒径为10～55μm。
所述的NiCrAl基粉末需控制粒径为5-65μm。
所述的喷砂处理选用20～30目白刚玉或棕刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.4～0.6MPa，喷砂距离为100～150mm，喷砂角度为65°～90°。
本发明通过设置由含有Y或Y2O3的WC基内层和含Y2O3、Ta的NiCrAl基面层组合成的涂层，利用Y2O3细化晶粒、微合金化、改善晶界状态、减少内应力等作用以及Ta热膨胀系数很小的特点，使得面层无论在冷还是热的条件下均具有极好的韧性和抗氧化性能，而内层则具有极高的抗腐蚀抗汽蚀性，该涂层极适用于水泵水轮机转轮叶片间这类狭窄流道先喷涂后焊接的工艺，在先喷涂好上述涂层后，该涂层中的面层可以很好的阻挡800℃～1000℃高温处理对内层的破坏，使内层稳定发挥抗磨抗汽蚀的性能。本发明的方案解决了水泵、水轮机转轮叶片间狭窄流道先喷后焊及高温退火时涂层失效问题。且该方法生产成本低，工艺可靠，性能稳定，不仅适合在淡水环境下的水利机械，还适合汽轮机、洋流发电、船舶等海洋设施上大规模应用。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明方案做进一步说明。
在制备涂层的内层时，本发明一实施例中采用的HVOF为HV-50型超音速火焰喷涂设备，煤油流量为21～28L/h，煤油压力为1.5～1.7MPa，氧气流量为780～910L/min，氧气压力为1.7～2.2MPa,氮气流量为9～13L/min,氮气压力为0.7～1.3MPa，送粉速率：60～80g/min，喷涂距离为350mm～400mm。
本发明另一实施例中采用HVAF为喷涂设备，压缩空气：80～84PSI，丙烷：80～82PSI，氮气流量：20～30slpm，氢气流量：20～40slpm，送粉速率为50～65g/min，喷涂距离180～250mm。
本发明另一实施例中采用爆炸喷涂为CCDS2000爆炸喷涂设备，氧燃比为：1.0～1.2，喷涂距离为：220～270mm，送粉速率为45～60g/min，喷枪移动速度为48～56mm/s。
在制备涂层的面层时，应针对孔隙率，优化喷涂参数，尽可能降低孔隙率，尤其应控制面层厚度≥150um,厚度优选为≥180um,单遍喷涂厚度控制在≤12um，通过多次叠加防止通孔存在；
本发明一实施例中采用的HVOF为HV-50型超音速火焰喷涂设备，煤油流量为20～28L/h，煤油压力为1.5～1.7MPa，氧气流量为810～910L/min，氧气压力为1.8～2.2MPa,氮气流量为8～12L/min,氮气压力为0.8～1.2MPa，喷涂距离为335mm～400mm。
本发明另一实施例中采用HVAF为喷涂设备，压缩空气：85～90PSI，丙烷：80～84PSI，氮气流量：20～30slpm，送粉速率为40～60g/min，喷涂距离170～250mm。
本发明另一实施例中采用爆炸喷涂为CCDS2000爆炸喷涂设备，氧燃比为：1.0～1.1，喷涂距离为：130～200mm，送粉速率为40～60g/min，喷枪移动速度为35～50mm/s。
按内层质量配比Co：8～9.5％、Cr：3～6％、Y或Y2O3：0.3～1.5％、WC余量，称取WC粉末、Co粉末、Cr粉末、以及Y或Y2O3粉末混合，WC粉末粒度为5-60μm，添加酒精和聚乙二醇，在球磨机中充分混合20～30小时；再采用水雾化或酒精雾化对配好的料浆进行喷雾干燥造粒，将造粒好的粉末于氢气气氛下烧结，烧结温度为1000～1250℃，烧结后进行破碎筛分，控制粒径为10～55μm，得到内层复合粉末；按面层质量配比Cr：25～30％、Al：8～12％、Y2O3：0.3～1.5％、Ta：2～5％、Ni余量，称取Ni粉末、Cr粉末、Al粉末、Ta粉末、以及Y或Y2O3粉末，球磨混合12-18小时，再采用水雾化或酒精雾化对配好的料浆进行喷雾干燥造粒，将造粒好的粉末于氢气气氛下烧结，烧结温度为1000～1250℃，控制粒径为5-65μm，获得面层复合粉末；将内层复合粉末、面层复合粉末分别平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为100～120℃，烘干时间为3小时。
本发明实施例中基材表面用丙酮将2205不锈钢清洗干净，并放于保温箱内40℃烘干，除去其表面油渍污物。采用空气动力喷砂方法对喷涂基体表面进行除锈和毛化处理，喷砂处理选用20～30目白刚玉，喷砂时压缩空气的压力为0.4～0.6MPa，喷砂距离为100～150mm，喷砂角度为65°～90°。
本发明实施例中喷涂基体可采用0Cr13Ni5Mo钢、45钢、Q345钢或2205不锈钢。
实施例1
按照上述实施方法将粉末烘干，将基体0Cr13Ni5Mo钢清洗干净并喷砂毛化处理，并做喷涂备用。
先采用HVOF制备WC基内层，煤油流量为23.5L/h，煤油压力为1.7MPa，氧气流量为845L/min，氧气压力为2.0MPa,氮气流量为10L/min,氮气压力为1.0MPa，喷涂距离为380mm。WC基内层厚度为250μm。
再采用HVAF制备NiCrAl基面层，压缩空气：85PSI，丙烷：82PSI，氮气流量：26slpm，送粉速率为50g/min，喷涂距离200mm。NiCrAl基面层厚度为160μm。
WC基内层的孔隙率为0.57％、显微硬度为1227HV，结合强度80MPa。NiCrAl基面层的孔隙率为0.71％、平均显微硬度为260HV；涂层的拉伸强度60MPa。WC基内层抗磨蚀性能是基体的20倍；NiCrAl基面层可抗≥860℃高温处理。
实施例2
按照上述实施方法将粉末烘干，将基体45钢清洗干净并喷砂毛化处理，并做喷涂备用。
先采用HVAF制备WC基内层，压缩空气：81PSI，丙烷：82PSI，氮气流量：25slpm，氢气流量：30slpm，送粉速率为60g/min，喷涂距离220mm。WC基内层厚度为240μm。
再采用HVOF制备NiCrAl基面层，煤油流量为26L/h，煤油压力为1.6MPa，氧气流量为855L/min，氧气压力为2.0MPa,氮气流量为10L/min,氮气压力为1.0MPa，喷涂距离为370mm。NiCrAl基面层厚度为180μm。
WC基内层的孔隙率为0.68％、显微硬度为1227HV，结合强度75MPa。NiCrAl基面层的孔隙率为0.87％、平均显微硬度为310HV；涂层的拉伸强度62MPa。WC基内层抗磨蚀性能是基体的18倍；NiCrAl基面层可抗≥950℃高温处理。
实施例3
按照上述实施方法将粉末烘干，将基体Q345钢清洗干净并喷砂毛化处理，并做喷涂备用。
先采用HVOF制备WC基内层，煤油流量为25L/h，煤油压力为1.7MPa，氧气流量为860L/min，氧气压力为2.0MPa,氮气流量为10L/min,氮气压力为1.0MPa，喷涂距离为390mm。WC基内层厚度为230μm。
再采用爆炸喷涂为CCDS2000爆炸喷涂设备制备NiCrAl基面层，氧燃比为：1.08，喷涂距离为：150mm，送粉速率为50g/min，喷枪移动速度为40mm/s。面层厚度为200μm。
WC基内层的孔隙率为0.66％、显微硬度为1206HV，结合强度82MPa。NiCrAl基面层的孔隙率为0.92％、平均显微硬度为350HV；涂层的拉伸强度63MPa。WC基内层抗磨蚀性能是基体的17倍；NiCrAl基面层可抗≥900℃高温处理。
实施例4
按照上述实施方法将粉末烘干，将基体2205不锈钢清洗干净并喷砂毛化处理，并做喷涂备用。
先采用爆炸喷涂为CCDS2000爆炸喷涂设备制备WC基内层，氧燃比为：1.10，喷涂距离为：250mm，送粉速率为60g/min，喷枪移动速度为52mm/s。WC基内层厚度为220μm。
再采用HVOF制备NiCrAl基面层，煤油流量为24.5L/h，煤油压力为1.7MPa，氧气流量为850L/min，氧气压力为2.0MPa,氮气流量为10L/min,氮气压力为1.0MPa，喷涂距离为385mm。NiCrAl基面层厚度为200μm。
WC基内层的孔隙率为0.75％、显微硬度为1277HV，结合强度90MPa。NiCrAl基面层的孔隙率为0.94％、平均显微硬度为335HV；涂层的拉伸强度61MPa。WC基内层抗磨蚀性能是基体的18倍；NiCrAl基面层可抗1000℃高温处理。
实施例5
按照上述实施方法将粉末烘干，将基体0Cr13Ni5Mo钢清洗干净并喷砂毛化处理，并做喷涂备用。
先采用爆炸喷涂为CCDS2000爆炸喷涂设备制备WC基内层，氧燃比为：1.10，喷涂距离为：250mm，送粉速率为60g/min，喷枪移动速度为52mm/s。WC基内层厚度为200μm。
再先采用HVAF制备NiCrAl基面层，压缩空气：90PSI，丙烷：84PSI，氮气流量：30slpm，氢气流量：40slpm，送粉速率为65g/min，喷涂距离190mm。NiCrAl基面层厚度为180μm。
WC基内层的孔隙率为0.81％、显微硬度为1230HV，结合强度85MPa。NiCrAl基面层的孔隙率为0.98％、平均显微硬度为320HV；涂层的拉伸强度65MPa。WC基内层抗磨蚀性能是基体的19倍；NiCrAl基面层可抗≥860℃高温处理。
实施例6
按照上述实施方法将粉末烘干，将基体0Cr13Ni5Mo钢清洗干净并喷砂毛化处理，并做喷涂备用。
先采用HVOF制备WC基内层，煤油流量为23.5L/h，煤油压力为1.7MPa，氧气流量为845L/min，氧气压力为2.0MPa,氮气流量为10L/min,氮气压力为1.0MPa，喷涂距离为380mm。WC基内层厚度为250μm。
未制备面层，直接进行800℃高温处理，涂层全部从基体脱落，并氧化变色。