一种水轮机叶片钎涂修复方法
阅读说明：本技术 一种水轮机叶片钎涂修复方法 (Water turbine blade braze coating repairing method ) 是由 王星星 胡素梦 李帅 方乃文 高飞 陈小明 温国栋 龙伟民 彭进 倪增磊 崔大田 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种水轮机叶片钎涂修复方法,包括如下步骤：S1、将低熔点钎料与高熔点硬质合金混合得到钎涂材料；S2、获得表面洁净的水轮机叶片；S3、将钎涂材料以膏状预置在水轮机叶片表面,然后将预置钎涂材料的水轮机叶片放在惰性气体保护或真空氛围中,进行加热钎焊,钎涂材料熔化在水轮机叶片表面形成复合钎涂层；S4、降低加热温度,待温度降至室温后关掉惰性气体保护或真空氛围保护炉；S5、出炉后,对覆有复合钎涂层的水轮机叶片依次进行真空热处理、打磨、清洗。本发明提供的水轮机叶片修复方法巧妙利用了钎焊技术原理,形成表面平整、结合强度高、应力小、高耐磨、耐腐蚀的复合涂层,具有工艺简单、操作方便、成本低廉、加热温度低等优点。(The invention relates to a method for repairing a turbine blade by braze welding, which comprises the following steps: s1, mixing the low-melting-point brazing filler metal with the high-melting-point hard alloy to obtain a brazing coating material; s2, obtaining the water turbine blade with clean surface; s3, pre-arranging the brazing filler metal coating material on the surface of the water turbine blade in a paste shape, then placing the water turbine blade pre-arranged with the brazing filler metal coating material in an inert gas protection or vacuum atmosphere, and heating and brazing, wherein the brazing filler metal coating material is melted on the surface of the water turbine blade to form a composite brazing filler metal coating; s4, reducing the heating temperature, and turning off the inert gas protection or vacuum atmosphere protection furnace after the temperature is reduced to the room temperature; and S5, after discharging, sequentially carrying out vacuum heat treatment, grinding and cleaning on the water turbine blade coated with the composite brazing filler metal coating. The method for repairing the water turbine blade skillfully utilizes the brazing technical principle to form the composite coating with smooth surface, high bonding strength, small stress, high wear resistance and corrosion resistance, and has the advantages of simple process, convenient operation, low cost, low heating temperature and the like.)
技术领域
本发明涉及表面再制造
技术领域
，具体涉及一种水轮机叶片钎涂修复方法。背景技术
水轮机叶片由于长时间受到河流、泥沙的磨损、汽蚀，会产生疲劳裂纹、泥沙腐蚀缺陷，需要定期(一年左右)对其进行现场修补，以提高水轮机工作效率。水轮机叶片的修复常采用堆焊、熔覆、弧焊等方式。但当前在对叶片进行补焊作业时，由于缺乏专业的修复方法，仅依靠操作人员经验对表面缺陷进行补焊，工作效率低、结合强度低，不符合现代制造业节能减排、绿色环保的实际需求。
钎涂作为一种重要的材料表面改性技术，通过梯度加热将低熔点钎料与高熔点硬质合金或陶瓷形成复合涂层，该类涂层表面平整、施工精度高、加工程序简单、结合强度高、加热温度低、热应力小等独特优点，钎涂后基体表面耐磨性高、抗腐蚀性和耐高温性强，在水利机械、航空航天、农业机械、石油钻探等领域广泛应用。已公开中国专利：一种水轮机导叶修复自动堆焊装置(201811650242.X)，提高了焊接效率，解决了人工堆焊修复劳动强度大、堆焊质量难以保证等问题。一种水轮机叶片裂纹修复方法(201510549734.X)，借助X探伤与激光束方法对叶片裂纹进行修复，但工序较为复杂。水轮机叶片在线激光强化装置(201910205181.4)，克服了水轮机叶片传统电弧焊缺陷修复过程中基材热影响区大、结合强度低、厚度不易控制，不环保、操作空间大、修复效率低等问题。但上述叶片修复装置缺乏对修复层轮廓信息及层间温度的监测，修复层厚度也不能准确调控，无法达到实时优化工艺参数的目的。将钎涂技术工艺应用到水轮机叶片修复领域，充分发挥钎焊涂层表面平整、施工精度高、加工程序简单、结合强度高、加热温度低、热应力小等独特优点，有望解决水轮机叶片现有修复技术不足之处。
发明内容
本发明的目的是为解决上述技术问题及不足，提供一种水轮机叶片钎涂修复方法。
本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：一种水轮机叶片钎涂修复方法，包括如下步骤：
S1、预制钎涂材料：将低熔点钎料与高熔点硬质合金混合，得到钎涂材料，备用；
S2、净化处理水轮机叶片表面：先对泥沙冲蚀的水轮机叶片表面进行打磨，再采用酒精或丙酮进行清洗，获得表面洁净的水轮机叶片；
S3、加热钎涂：将S1得到的钎涂材料以膏状预置在S2净化处理后的水轮机叶片表面，然后将预置钎涂材料的水轮机叶片放在惰性气体保护或真空氛围中，进行加热钎焊，钎涂材料熔化在水轮机叶片表面形成复合钎涂层，保温；
S4、随炉冷却：钎焊保温结束后，逐步降低加热温度，待温度降至室温后关掉惰性气体保护或真空氛围保护炉，8小时后可出炉；
S5、后处理：出炉后，对覆有复合钎涂层的水轮机叶片依次进行真空热处理、打磨、清洗，即完成水轮机叶片的钎涂修复。
作为本发明一种水轮机叶片钎涂修复方法的进一步优化，S3所述加热钎焊的温度比S5中真空热处理的温度高50～120℃。
作为本发明一种水轮机叶片钎涂修复方法的进一步优化，S5所述真空热处理的时间为2.5h。
作为本发明一种水轮机叶片钎涂修复方法的进一步优化，S3中所述水轮机叶片表面形成复合钎涂层为切向渐变涂层，即涂层沿水轮机叶片内表面或外表面垂直于法线方向。
作为本发明一种水轮机叶片钎涂修复方法的进一步优化，S3所述水轮机叶片表面形成复合钎涂层的厚度10～1200μm，结合强度295～426MPa。
作为本发明一种水轮机叶片钎涂修复方法的进一步优化，S3中加热焊材依据钎焊温度时间曲线中的温度进行加热，钎焊温度时间曲线根据低熔点复合钎料与高熔点硬化材料的比例设计绘制而成。
作为本发明一种水轮机叶片钎涂修复方法的进一步优化，S4所述逐步降低加热温度依据钎焊温度时间曲线中的温度逐步降温。
作为本发明一种水轮机叶片钎涂修复方法的进一步优化，S1中所述低熔点钎料与高熔点硬质合金的重量百分比为(1～9)：1，且低熔点钎料为铁基钎料、铜基钎料、镍基钎料中的任意两种或三种的混合物，高熔点硬质合金为碳化物与硼化物的混合物。
作为本发明一种水轮机叶片钎涂修复方法的进一步优化，S3中加热钎涂时采用丙酮与去离子水将钎涂材料制成膏状预置在S2净化处理后的水轮机叶片表面。
本发明具有以下有益效果：
一、本发明提供的水轮机叶片修复方法巧妙利用了钎焊技术原理，将低熔点钎料(铁基、铜基、镍基)与高熔点硬质合金(碳化物、硼化物、金刚石)有机组合，形成表面平整、结合强度高、应力小、高耐磨、耐腐蚀的复合涂层，具有工艺简单、操作方便、成本低廉、加热温度低等优点，克服了传统方法工序复杂、劳动强度大、影响区大、结合强度低、厚度不易控制、不环保、操作空间大、修复效率低等不足之处。
二、本发明提供的水轮机叶片修复方法中，制备的复合涂层为切向渐变涂层，即低熔点钎料与高熔点硬质合金形成的钎焊涂层，沿水轮机叶片内表面或外表面垂直于法线方向，不同于传统方法修复的涂层。本发明提供的水轮机叶片修复方法中，制备的复合涂层耐磨性比基体提高1.65～7.35倍，耐腐蚀性提高2～3.5个数量级。
三、本发明提供的水轮机叶片修复方法中，低熔点钎料中铁基钎料引入水轮机叶片表面涂层中，材料成本低，同时铁基合金钎料与普通钢基体叶片具有良好的相容性、质地致密，可有效改善涂层切向渐变方向的均一性(厚度均匀性)；镍基钎料引入复合涂层中，提高了水轮机叶片表面硬度，显著改善涂层耐磨性能；铜基钎料含有Ni、Mn和Pr或Y钇等元素，可提高涂层在基体叶片表面快速润湿、铺展，改善钎涂层的耐蚀性、耐磨性。本发明修复方法制备的复合涂层中，含有高熔点的碳化物和硼化物，两种物质硬度高、易被润湿、脆性小、成本低，可进一步提升复合涂层的结合强度、耐磨性，特别是硼化物中含有少量金刚石颗粒，使得复合涂层高强高耐磨，显著提高了修复后水轮机叶片的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例的钎焊温度时间曲线。
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。
实施例1
一种水轮机叶片钎涂修复方法，包括如下步骤：
S1、预制钎涂材料：将低熔点钎料与高熔点硬质合金混合，得到钎涂材料，备用；所述低熔点钎料与高熔点硬质合金的重量百分比为(1～9)：1，且低熔点钎料为铁基钎料、铜基钎料、镍基钎料中的任意两种或三种的混合物，高熔点硬质合金为碳化物与硼化物的混合物S2、净化处理水轮机叶片表面：先对泥沙冲蚀的水轮机叶片表面进行打磨，再采用酒精或丙酮进行清洗，获得表面洁净的水轮机叶片；
S3、加热钎涂：将S1得到的钎涂材料采用丙酮与去离子水制备成膏状预置在S2净化处理后的水轮机叶片表面，然后将预置钎涂材料的水轮机叶片放在惰性气体保护或真空氛围中，依据钎焊温度时间曲线中的温度进行加热钎焊，加热温度为1105℃，钎焊温度时间曲线根据低熔点复合钎料与高熔点硬化材料的比例设计绘制而成，如图1所示，钎涂材料熔化在水轮机叶片表面形成复合钎涂层，保温；
S4、随炉冷却：钎焊保温结束后，依据钎焊温度时间曲线中的温度逐步降低加热温度，待温度降至室温后关掉惰性气体保护或真空氛围保护炉，8小时后可出炉；
S5、后处理：出炉后，对覆有复合钎涂层的水轮机叶片依次进行真空热处理，热处理温度为1055℃，时间2.5h，金相砂纸打磨、自来水清洗，即完成水轮机叶片的钎涂修复。
S3中所述水轮机叶片表面形成复合钎涂层为切向渐变涂层，即涂层沿水轮机叶片内表面或外表面垂直于法线方向。
按照重量百分数铁基钎料为铁粉55％、钛铁粉25％、钼粉5％、铬粉5％、碳化铁10％的混合物，熔化温度1030～1155℃；铜基钎料为铜79％、镍12％、锰6％、稀土镨3％的混合钎料，熔化温度955～1045℃；镍基钎料为镍81.5％、铬9.5％、硼3％、钇1％、铁5％混合的粉状钎料，熔化温度965～1130℃；
所述碳化物为重量比为9.5:1的碳化组合物与金刚石的混合物，碳化组合物为碳化钨60％、碳化铬25％、碳化钛15％的混合物；所述硼化物为重量比为8:1的硼化组合物与金刚石的混合物，硼化组合物为硼化铬70％、硼化钨30％的混合物，且碳化物与硼化物的重量百分比为1.2：1。所述硼化物的粒度为-60～100目、碳化物的粒度为-50～200目、金刚石的粒度为-100～450目。
本实施例S3所述水轮机叶片表面形成复合钎涂层的厚度1200μm，结合强度420MPa。
实施例2
一种水轮机叶片钎涂修复方法，包括如下步骤：
S1、预制钎涂材料：将低熔点钎料与高熔点硬质合金混合，得到钎涂材料，备用；所述低熔点钎料与高熔点硬质合金的重量百分比为1：1，且低熔点钎料为铁基钎料、铜基钎料、镍基钎料中的任意两种或三种的混合物，高熔点硬质合金为碳化物与硼化物的混合物S2、净化处理水轮机叶片表面：先对泥沙冲蚀的水轮机叶片表面进行打磨，再采用酒精或丙酮进行清洗，获得表面洁净的水轮机叶片；
S3、加热钎涂：将S1得到的钎涂材料采用丙酮与去离子水制备成膏状预置在S2净化处理后的水轮机叶片表面，然后将预置钎涂材料的水轮机叶片放在惰性气体保护或真空氛围中，依据钎焊温度时间曲线中的温度进行加热钎焊，加热温度为1195℃，钎焊温度时间曲线根据低熔点复合钎料与高熔点硬化材料的比例设计绘制而成，钎涂材料熔化在水轮机叶片表面形成复合钎涂层，保温；
S4、随炉冷却：钎焊保温结束后，依据钎焊温度时间曲线中的温度逐步降低加热温度，待温度降至室温后关掉惰性气体保护或真空氛围保护炉，8小时后可出炉；
S5、后处理：出炉后，对覆有复合钎涂层的水轮机叶片依次进行真空热处理，热处理温度为1075℃，时间2.5h，金相砂纸打磨、自来水清洗，即完成水轮机叶片的钎涂修复。
S3中所述水轮机叶片表面形成复合钎涂层为切向渐变涂层，即涂层沿水轮机叶片内表面或外表面垂直于法线方向。
按照重量百分数铁基钎料为铁粉55％、碳化铁25％、硼化钼5％、铬粉5％、硼化铁10％的混合物，熔化温度1030～1145℃；铜基钎料为铜79％、镍12％、锰6％、稀土钇3％的混合钎料，熔化温度955～1040℃；镍基钎料为镍81.5％、铬9.5％、硼3％、钇1％、铁5％混合的粉状钎料，熔化温度965～1130℃；
所述碳化物为重量比为9:1的碳化组合物与金刚石的混合物，碳化组合物为碳化钨60％、碳化铬25％、碳化硼15％的混合物；所述硼化物为重量比为9.5:1的硼化组合物与金刚石的混合物，硼化组合物为硼化铬70％、硼化钨30％的混合物，且碳化物与硼化物的重量百分比为1：1。
本实施例S3所述水轮机叶片表面形成复合钎涂层的厚度10μm，结合强度295MPa。
实施例3
一种水轮机叶片钎涂修复方法，包括如下步骤：
S1、预制钎涂材料：将低熔点钎料与高熔点硬质合金混合，得到钎涂材料，备用；所述低熔点钎料与高熔点硬质合金的重量百分比为5：1，且低熔点钎料为铁基钎料、铜基钎料、镍基钎料中的任意两种或三种的混合物，高熔点硬质合金为碳化物与硼化物的混合物S2、净化处理水轮机叶片表面：先对泥沙冲蚀的水轮机叶片表面进行打磨，再采用酒精或丙酮进行清洗，获得表面洁净的水轮机叶片；
S3、加热钎涂：将S1得到的钎涂材料采用丙酮与去离子水制备成膏状预置在S2净化处理后的水轮机叶片表面，然后将预置钎涂材料的水轮机叶片放在惰性气体保护或真空氛围中，依据钎焊温度时间曲线中的温度进行加热钎焊，加热温度为1131℃，钎焊温度时间曲线根据低熔点复合钎料与高熔点硬化材料的比例设计绘制而成，钎涂材料熔化在水轮机叶片表面形成复合钎涂层，保温；
S4、随炉冷却：钎焊保温结束后，依据钎焊温度时间曲线中的温度逐步降低加热温度，待温度降至室温后关掉惰性气体保护或真空氛围保护炉，8小时后可出炉；
S5、后处理：出炉后，对覆有复合钎涂层的水轮机叶片依次进行真空热处理，热处理温度为1046℃，时间2.5h，金相砂纸打磨、自来水清洗，即完成水轮机叶片的钎涂修复。
S3中所述水轮机叶片表面形成复合钎涂层为切向渐变涂层，即涂层沿水轮机叶片内表面或外表面垂直于法线方向。
按照重量百分数铁基钎料为铁粉55％、钛铁粉25％、钼粉5％、铬粉5％、碳化铁10％，熔化温度1030～1155℃；铜基钎料为铜79％、镍12％、锰6％、稀土镨3％的混合钎料，熔化温度955～1045℃；镍基钎料为镍81.5％、铬9.5％、硼3％、钇1％、铁5％混合的粉状钎料，熔化温度965～1130℃；
所述碳化物为重量比为9:1的碳化组合物与金刚石的混合物，碳化组合物为碳化钨60％、碳化硼25％、碳化钛15％的混合物；所述硼化物为重量比为8.85:1的硼化组合物与金刚石的混合物，硼化组合物为硼化铬70％、硼化钨30％的混合物，且碳化物与硼化物的重量百分比为1.1：1。
本实施例S3所述水轮机叶片表面形成复合钎涂层的厚度605μm，结合强度357.5MPa。
实施例4
一种水轮机叶片钎涂修复方法，包括如下步骤：
S1、预制钎涂材料：将低熔点钎料与高熔点硬质合金混合，得到钎涂材料，备用；所述低熔点钎料与高熔点硬质合金的重量百分比为3.5：1，且低熔点钎料为铁基钎料、铜基钎料、镍基钎料中的任意两种或三种的混合物，高熔点硬质合金为碳化物与硼化物的混合物S2、净化处理水轮机叶片表面：先对泥沙冲蚀的水轮机叶片表面进行打磨，再采用酒精或丙酮进行清洗，获得表面洁净的水轮机叶片；
S3、加热钎涂：将S1得到的钎涂材料采用丙酮与去离子水制备成膏状预置在S2净化处理后的水轮机叶片表面，然后将预置钎涂材料的水轮机叶片放在惰性气体保护或真空氛围中，依据钎焊温度时间曲线中的温度进行加热钎焊，加热温度为1147℃，钎焊温度时间曲线根据低熔点复合钎料与高熔点硬化材料的比例设计绘制而成，钎涂材料熔化在水轮机叶片表面形成复合钎涂层，保温；
S4、随炉冷却：钎焊保温结束后，依据钎焊温度时间曲线中的温度逐步降低加热温度，待温度降至室温后关掉惰性气体保护或真空氛围保护炉，8小时后可出炉；
S5、后处理：出炉后，对覆有复合钎涂层的水轮机叶片依次进行真空热处理，热处理温度为1077℃，时间2.5h，金相砂纸打磨、自来水清洗，即完成水轮机叶片的钎涂修复。
S3中所述水轮机叶片表面形成复合钎涂层为切向渐变涂层，即涂层沿水轮机叶片内表面或外表面垂直于法线方向。
按照重量百分数铁基钎料为铁粉55％、钛铁粉25％、钼粉5％、铬粉5％、碳化铁10％，熔化温度1030～1155℃；铜基钎料为铜79％、镍12％、锰6％、稀土镨3％的混合钎料，熔化温度955～1045℃；镍基钎料为镍81.5％、铬9.5％、硼3％、钇1％、铁5％混合的粉状钎料，熔化温度965～1130℃；
所述碳化物为重量比为9:1的碳化组合物与金刚石的混合物，碳化组合物为碳化钨60％、碳化硼25％、碳化钛15％的混合物；所述硼化物为重量比为8.85:1的硼化组合物与金刚石的混合物，硼化组合物为硼化铬70％、硼化钨30％的混合物，且碳化物与硼化物的重量百分比为1.1：1。
本实施例S3所述水轮机叶片表面形成复合钎涂层的厚度125μm，结合强度390MPa。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
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