專利名稱：水輪機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水輪機，特別是關(guān)于一種為防止在含泥砂量大的水流中工作的旋轉(zhuǎn)機械構(gòu)件等表面免受氣蝕、泥砂磨損以及這些因素的復(fù)合損傷，而在其表面上敷設(shè)一層能耐水中泥砂磨損的堆焊層的水輪機。
水力發(fā)電設(shè)備上用的水輪機轉(zhuǎn)子、導(dǎo)葉和靜葉等與水流接觸的構(gòu)件，由于構(gòu)件形狀與流速的關(guān)系而產(chǎn)生的氣穴的破碎和沖擊作用，有時會受到氣蝕的損傷。這種由氣蝕造成的構(gòu)件損傷，其現(xiàn)象是，在高速水流中發(fā)生的氣穴，沖擊構(gòu)件表面后破碎時，有較強大的沖擊應(yīng)力作用于構(gòu)件上，從而使該部分受到侵蝕。此時的沖擊壓力很高，在流速35～120m/sec時為517～1745atm。
因此，曾開發(fā)出幾種旨在把耐氣蝕性能好的不銹鋼材料堆焊在接觸水流部位的母材表面用以防止損傷的金屬堆焊材料。這些堆焊材料的成分已公開于特開昭57-152447號、特開昭57-156894號、特開昭57-199593號的公報中，并一直使用不銹鋼材料至今。作為防止氣蝕損傷的材料，不僅要求其具有高強度和高硬度，而且還應(yīng)當(dāng)是一種能利用沖擊壓力對表層有加工硬化作用的堆焊材料。
另一方面，水泵等構(gòu)件所用的鑄鐵，耐磨性能欠佳，因而開發(fā)了一些將陶瓷顆粒彌散在耐磨橡膠、聚氨基甲酸乙酯或環(huán)氧樹脂等中的耐磨材料。這些材料的成分曾在特開昭59-45363號至特開昭59-45366號，特開昭59-68349號，特開昭62-72922號至特開昭62-72923號等公報中公開過許多種。
使用含有大量泥砂的河水的水力發(fā)電用水輪機，其構(gòu)件因受泥砂成分中硬質(zhì)的SiO2和Al2O3的切削作用而被侵蝕。一般來說，越是硬度大的金屬材料越能耐氣蝕損傷，但是在含有泥砂的環(huán)境中，硬度大者未必都好。只要是硬度比泥砂成分中的物質(zhì)的硬度大的材料，一般就可以防止切削作用等造成的侵蝕。但是，要將硬度大的材料按規(guī)定的形狀敷設(shè)在大型構(gòu)件上，一般來說這是非常困難的。
另外，到目前為止，在含泥砂量大的地點使用水力發(fā)電機用水輪機的實際經(jīng)驗還較少，所以為防止水中泥砂的磨損而直接開發(fā)出來的材料還沒有見到過。因而，現(xiàn)在采用的辦法是，在水輪機轉(zhuǎn)子等部位采用經(jīng)淬火、回火處理滿足其強度要求的含Ni13Cr鑄鋼，并在其表面上采用一種由JISD308，JISD309Mo，HST25等材料構(gòu)成的包劑焊條電弧焊堆焊工藝。但是，這種措施并不是為了提高對水中泥砂的耐磨性而采取的，所以將它用于泥砂含量大的地點的水力發(fā)電機用水輪機上時，因其對水中泥砂的耐磨性欠佳，而出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損。
在特開昭62-134193號說明書中公開了一種以混合粉末作為包劑焊條電弧焊堆焊用的材料，在母材表面上敷設(shè)堆焊層的技術(shù)，該混合粉末系由Co基超耐熱合金粉末與陶瓷粉末混合而成，但是，這種技術(shù)是為了提高高溫構(gòu)件表面的耐熱性和耐壓縮變形性能而采用的技術(shù)，并不適用于本發(fā)明提出的那種水輪機的情況。
如所周知，以往在水輪機構(gòu)件上堆焊金屬焊接材料，固然是為了提高其耐蝕性，但其主要目的是為了防止水輪機轉(zhuǎn)子等受氣蝕的侵蝕，然而它對水中泥砂的耐磨性并不是很好的。這是由于氣蝕與泥砂磨損兩者之間的損傷機理有所不同。也就是說，前者是，由于在高速水流中發(fā)生的氣穴在材料表面上碰撞、破碎時產(chǎn)生的沖擊壓力造成的侵蝕;而后者主要是，因泥砂的切削作用而發(fā)生的侵蝕現(xiàn)象。此外，在含泥砂量大的水流中，有氣蝕與泥砂磨損復(fù)合作用的情況下，材料的損傷要比單一因素時加快。因此，上述以往的材料，即JISD308，JISD309Mo，HST25等不銹鋼，用于含泥砂量大的地點的水輪機上是有問題的。
現(xiàn)已開發(fā)出高分子有機材料與陶瓷復(fù)合的高分子陶瓷復(fù)合材料，作為耐泥砂磨損的材料。這是一種使高硬度陶瓷彌散在高分子材料中，以減少泥砂的切削作用的材料。但是，在水中使用這種材料時，不僅僅是受泥砂的磨損，而且還與氣蝕相復(fù)合，而會造成較大的損傷，特別是，高分子陶瓷復(fù)合材料的耐泥砂磨損性能，雖然優(yōu)于金屬材料，但是，其耐氣蝕損傷的性能，遠遠低于金屬材料。因此，在含泥砂量大的地點，在水輪機構(gòu)件上應(yīng)用這種高分子陶瓷復(fù)合材料，從可靠性的觀點上看是有問題的。
現(xiàn)將本發(fā)明的梗概介紹如下。
本發(fā)明的第1個目的是提供一種具有堆焊層的水輪機。這種堆焊層的特點是，敷于受水流沖擊的基體材料上，可以同時防止氣穴侵蝕和泥砂磨損，且工藝性好，容易敷設(shè)。
本發(fā)明的第2個目的是提供一種具有堆焊層的水輪機的制造工藝。這種堆焊層的特點同上。
實現(xiàn)本發(fā)明第1個目的的本發(fā)明的水輪機，其特征在于一種設(shè)有調(diào)整水流的導(dǎo)葉和靠該水流旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的水輪機，在其受水流沖擊的部位上，裝有帶堆焊層的構(gòu)件，堆焊層的耐熱性能比母材好;該堆焊層是一種金屬組織，它含有奧氏體不銹鋼的基體和彌散于此基體中的碳化物。
至少在一部分受水流沖擊的構(gòu)件上敷以耐氣蝕性能比母材好的堆焊層，從而實現(xiàn)本發(fā)明第2個目的的本發(fā)明的水輪機制造工藝，其特征在于用等離子弧熔化奧氏體不銹鋼粉末與金屬碳化物系陶瓷粉末混合的混合粉末，并向被焊部分供應(yīng)的同時，一面在該被焊部分制造熔融金屬的熔池，一面按所要求的厚度形成堆焊層。
碳化物的含量以面積率表示時，最好在1～60%之間。特別是，在受到水流的劇烈沖擊、并受氣穴作用的部分，韌性大的材料較好，故以1～10%為宜，而以水流磨損為主的部分，以10～60%為宜。硬度最好是在Hv300～700之間。碳化物的添加量與堆焊層中所含結(jié)晶物的面積率之間的關(guān)系是，添加量5Wt%時，面積率為20%，10Wt%時為40%，15Wt%時為60%。
在本發(fā)明所述水輪機的受水流沖擊部分復(fù)蓋有堆焊層。彌散于構(gòu)成該堆焊層的奧氏體不銹鋼基體中的碳化物，包括兩種(A)類是殘余在上述堆焊層中的上述金屬碳化物系陶瓷顆粒;(B)類是沒有殘余的上述金屬碳化物陶瓷顆粒，而在堆焊后有結(jié)晶的金屬復(fù)合碳化物。
(A)類陶瓷顆粒的殘余凝固組織結(jié)構(gòu)包覆層是這樣一種結(jié)構(gòu)高熔點的上述金屬碳化物系陶瓷(S)的粉末粒徑，與上述奧氏體不銹鋼(M)的粉末粒徑(10～200μm)的粒徑比S/M在2以下，最好在1～2之間為宜，而金屬碳化物系陶瓷(S)的含量為20～80%容積;而且上述堆焊層中，金屬碳化物系陶瓷顆粒殘存在其中。
此外，上述奧氏體不銹鋼可以采用AISI304、316等。即這些材料的基本成分為C0.01～0.15%(以重量計)、Si1%以下、Mn13%以下、Cr16～26%、Ni2～22%，再向其添加Mo5%以下、Co12%以下、Cu5%以下、N0.3%以下、并在Nb、Ti、W、V之中至少加1種含1～5%。理想的成分以重量%表示如下含C0.05～0.15%、Si0.2～1.0%、Mn7～13%、Ni2～7%、Co0～10%、Cr17～23%、Mo1～3%、N0.3%以下，其余部分是Fe以及隨其混入的不可避免的雜質(zhì)，(Mn%+Co%)/Cr%的值在0.6～1.3的范圍，使用一種加工硬化性能高于AISI304或316的類似馬氏體不銹鋼者為宜。
上述金屬碳化物系陶瓷至少是從SiC、TiC、WC、以及Cr3C2中選用的一種。
另一方面，(B)類形成沒有殘余陶瓷顆粒的凝固組織結(jié)構(gòu)堆焊層所用的復(fù)合粉末的情況如下。高熔點的上述金屬碳化物系陶瓷(S)的粉末粒徑，以及上述奧氏體不銹鋼(M)的粉末粒徑在10～200μm的范圍，粒徑比S/M在1以下，含有金屬碳化物系陶瓷(S)1～40%容積，而且金屬碳化物顆粒沒有殘存在覆層之中，并且結(jié)晶的金屬復(fù)合碳化物彌散在其中。
這種(B)類無陶瓷顆粒殘余凝固組織的堆焊層所用的奧氏體不銹鋼，使用與上述(A)類有陶瓷顆粒殘余凝固組織的堆焊層相同的不銹鋼。
上述金屬碳化物系陶瓷，比不銹鋼的密度小，具有立方晶系結(jié)構(gòu)，至少從SiC、TiC群中選擇1種。
在(A)類及(B)類陶瓷顆粒有殘余或無殘余凝固組織堆焊層中，上述奧氏體不銹鋼以及上述金屬碳化物系陶瓷的粉末形狀，最好是圓形、角形、圓角形或這些形狀的混合形。并采用等離子弧堆焊法形成上述堆焊層，其厚度最好是在5毫米以下為宜。
本發(fā)明提出的水輪機，可用于利用含泥砂量大的水中進行水力發(fā)電用的水輪機上，并可將氣蝕損傷、泥砂磨損造成的損傷以及上述因素的復(fù)合損傷的發(fā)生，控制在最低限度。
對本發(fā)明提出的水輪機作進一步說明如下。在(A)類陶瓷顆粒的殘余凝固組織堆焊層中，將粒徑大于奧氏體不銹鋼粉末的SiC、TiC、WC以及Cr3C2等金屬碳化物系陶瓷粉末，以20～80%的容積比，混合在不銹鋼粉末內(nèi)配成復(fù)合粉末后，進行等離子堆焊，通過上述辦法形成陶瓷顆粒殘存的凝固組織。此時，使陶瓷粉末(S)與不銹鋼粉末(M)的粒徑比S/M介于1～2之間。這是由于陶瓷的熔點比不銹鋼高，在等離子弧中熔化不銹鋼粉末而使陶瓷顆粒殘留下來。如果將此比值取得過大，大的顆粒相互挨近，增大了偏析傾向，因而在實際的工作應(yīng)力下容易產(chǎn)生裂紋。
此外，選用上述各類陶瓷的理由是，使硬度大于SiO2、Al2O3(即泥砂的組成物質(zhì))的陶瓷彌散，以制止泥砂切削作用的侵蝕。
在(B)類陶瓷顆粒的無殘余凝固組織覆層中，選擇那種密度小于不銹鋼的金屬復(fù)合碳化物系陶瓷SiC，TiC粉末與不銹鋼粉末混合成復(fù)合粉末，用等離子堆焊工藝將它形成堆焊層，其結(jié)果可使堆焊層中無殘余的陶瓷顆粒，使金屬復(fù)合碳化物變?yōu)榻Y(jié)晶并彌散的凝固組織。因此，不銹鋼粉末和陶瓷粉末的粒徑介于10～20μm為宜。如果這些粉末的粒徑過大，就會有未熔化的不銹鋼粉末和陶瓷粉末的顆粒殘留下來。但因陶瓷的熔點高于不銹鋼，為了焊接這些復(fù)合粉末，而使陶瓷粉末的粒徑小于不銹鋼粉末的粒徑，以便容易被等離子弧熔化，因此，如上所述，使S/M小于1為宜。
在(A)類及(B)類陶瓷顆粒有殘余或無殘余的凝固組織堆焊層的情況下，不銹鋼粉末和陶瓷粉末的形狀均可為圓形、角形、圓角形以及這些形狀的混合形，采用普通的粉末冶金技術(shù)就能夠制造。此外，在實際機械構(gòu)件表面上形成的堆焊層，其堆焊量雖然越多越好，但將這些材料的延展性和韌性考慮進去，并因與構(gòu)件(母材)之間的混合層幾乎沒有形成，所以厚度取在5mm以下就足夠了，并能顯示出耐磨損性能。
在受水沖擊的部位的堆焊層的施工，用包劑焊條電焊、TIG(鎢極惰性氣體保護焊)、MIG(金屬焊條惰性氣體保護焊)等普通焊接工藝就能進行。然而，如本發(fā)明中所述，用這些工藝來堆焊陶瓷粉末與不銹鋼粉末的復(fù)合粉末是比較困難的。因此，將粉末混合后用等離子弧進行焊接就能取得較好效果。
按本發(fā)明提出的方案，采用等離子弧焊工藝，把含有20Cr-4Ni-6Co-1.5Mo-10Mn-0.2N的奧氏體不銹鋼與熔點及硬度都高于不銹鋼的金屬碳化物系陶瓷配成的復(fù)合粉末，焊接在水輪機的與含泥砂量高的水相接觸的構(gòu)件表面(至少在其一部分)上，形成一層堆焊層。這種堆焊層，在其奧氏體不銹鋼基體中有碳化物彌散的組織，這種組織能將在高泥砂含量河水中工作的水輪機構(gòu)件因泥砂造成的損傷控制在最低限度，并能構(gòu)成一個可靠性高的系統(tǒng)。
此外，(A)類陶瓷顆粒的殘余凝固組織堆焊層，或(B)類陶瓷顆粒的無殘余凝固組織堆焊層中的任何一種堆焊層，都能防止泥砂磨損造成的損傷、氣蝕造成的損傷以及這些因素的復(fù)合損傷，但前者的(A)類，特別適合于耐泥砂磨損的性能要求，而后者的(B)類工藝性好，容易制造堆焊層。
本發(fā)明所涉及的耐蝕性堆焊層是將奧氏體不銹鋼、表面是金屬包覆層的金屬碳化物系陶瓷、還有加入稀土元素的復(fù)合粉末，堆焊于機械構(gòu)件的基板表面而形成的堆焊層，它可以防止氣蝕、泥砂磨損以及復(fù)合損傷，而且是具有韌性的焊接性能良好的堆焊層。
附圖的簡要說明如下。

圖1A是采用本發(fā)明涉及的堆焊層的水輪機主要部分剖面圖;圖1B是圖1A中X方向的斜視圖;圖2是本發(fā)明的包覆層中在奧氏體不銹鋼基體上彌散的結(jié)晶碳化物層的金相顯微組織圖片;圖3是SiC添加量與泥砂磨損量之間的關(guān)系曲線圖;圖4是本發(fā)明所述堆焊層與對比材料的泥砂磨損量對比圖;圖5～6是包覆本發(fā)明所提堆焊層的水輪機構(gòu)件模型圖;圖7是SiC和TiC的添加量與因氣蝕損耗量之間的關(guān)系曲線圖;圖8是本發(fā)明所述堆焊層與對比材料的氣蝕損耗量比較圖;圖9是SiC與TiC添加量與泥砂磨損侵蝕量之間的關(guān)系曲線圖;圖10是本發(fā)明所述堆焊層與對比材料的泥砂磨損侵蝕量比較圖;圖11A及圖11B表示本發(fā)明實施例的水輪機葉片中設(shè)有包覆層的部位圖;圖12是制造堆焊層時使用的等離子弧焊接設(shè)備的簡圖;圖13是各種不同試料的氣蝕損耗量的圖表;圖14表示圖13所示各種不同試料的泥砂侵蝕量的圖表。
本發(fā)明的實施例如下。圖1A表示應(yīng)用了本發(fā)明的水輪機主要部份剖面圖;將從圖1A的X方向透視時的水輪轉(zhuǎn)子的透視圖示于圖1B。作為本水輪動葉的轉(zhuǎn)子本體是在葉冠1與護環(huán)2之間設(shè)有若干個葉片3，并由轉(zhuǎn)子錐體4，導(dǎo)葉5，靜葉6，旋轉(zhuǎn)耐磨環(huán)7以及覆面板8構(gòu)成，流過靜葉6的含泥砂的水流，經(jīng)過導(dǎo)葉5流入葉片3，向轉(zhuǎn)子葉片提供旋轉(zhuǎn)能之后落到下方。9表示加強帶。
圖2的照片表示，本發(fā)明的水輪葉片3上形成的堆焊層與葉片之間的熔敷狀態(tài)，以及在奧氏體不銹鋼基體上有結(jié)晶碳化物析出的堆焊層的顯微組織。此葉片3一般是用普通的熔化、鑄造法制取的Ni13Cr鑄鋼9構(gòu)成的。但是，考慮到氣蝕造成的損傷，以往是通過在接觸水流的表面上進行奧氏體不銹鋼堆焊(不銹鋼JISD308，D309Mo等)作為防止損傷的對策。然而，現(xiàn)已了解，這些材料對于防止泥砂磨損并非很有效。于是，曾對高硬度的堆焊金屬材料作過研究，但沒有獲得值得滿意的耐磨損特性，同時在堆焊部分還發(fā)生裂紋等，因與母材有關(guān)連，所以其應(yīng)用也有局限性。后來，又經(jīng)過各種研究的結(jié)果，注意到，奧氏體系堆焊材料的焊接裂紋少，容易加工，耐氣蝕性能比JISD308和D309Mo好。這就是把本發(fā)明的20Cr-4Ni-6Co-1.5Mo-10Mn-0.2N奧氏體不銹鋼粉末與金屬碳化物系陶瓷粉末混合而成的混合粉末，經(jīng)等離子堆焊得到的覆層10。這種覆層10具有金屬組織，它具有奧氏體不銹鋼基體和彌散于此基體中而存在的碳化物?，F(xiàn)已了解，此層10的耐氣蝕性能和耐泥砂磨損性能都很好。
這種堆焊層的厚度在5mm以下，雖然可覆多層，但只形成1層就能充分發(fā)揮其效果，而最適宜的厚度介于1～3mm之間。本發(fā)明中提及的粉末，可以使用通過粉末冶金技術(shù)中常用的制造方法制成的粉末。此外還將上述奧氏體不銹鋼粉末，作為等離子堆焊用混合粉末的基礎(chǔ)材料，這種粉末，其焊接性能好，而且耐氣蝕性能優(yōu)異，因此最適于作本發(fā)明的基礎(chǔ)材料。
下面敘述各個成分的限定理由。
1.奧氏體不銹鋼粉末成分用重量%表示。
C是強力的奧氏體生成元素，具有穩(wěn)定奧氏體和加強基體的作用。C含量少時，δ鐵素體的析出量增大，延展性、韌性以及耐氣蝕性能均降低。但是，當(dāng)增加C含量時，在焊接中對焊接裂紋的敏感性增大，因此，C含量在0.05～0.15%的范圍是適宜的。
Si是為了焊接件的脫氧而添加的，在0.2%以下時，這種脫氧效果不足，超過1.0%時，在凝固晶粒邊界產(chǎn)生低熔點化合物，增大高溫裂紋的敏感性，因此，Si含量在0.2～1.0%的范圍是適宜的。
Mn是為了對普通鋼進行脫氧、脫硫，還為了改善加工硬化性能而添加13%以下，但是它有增加N固溶量的作用，同時還是一種奧氏體生成元素。本發(fā)明提出的添加量，與Ni和Co一起具有穩(wěn)定奧氏體成分的作用，雖然還使奧氏體基體軟化，但因加工硬化性能的增大，故使耐泥砂磨損性能顯著提高。其結(jié)果是，當(dāng)Mn的添加量增大時，切削阻力增大，提高了耐泥砂磨損性能。因此，為了獲得這種加工硬化性能，Mn添加量在7%以上為宜。但另一方面，如果Mn的添加量過大，會使流動性惡化，此外在焊接時，會導(dǎo)致焊接煙塵的增加，降低了焊接作業(yè)效率，因此，將Mn含量的上限定為13%。這樣，Mn為0.5～13%，但是為了獲得加工硬化性能，Mn在7～13%的范圍是適宜的。
Ni是生成奧氏體的元素，它與Mn及Co一起使奧氏體穩(wěn)定，為了提高延展性和韌性，需要添加2%以上。但是，添加量如果超過6%時，會促進奧氏體的穩(wěn)定。為了在改善加工硬化性能的同時使之具有高的耐泥砂磨損性能和耐氣蝕性能，使Ni介于2～7%的范圍為宜。Ni的上限最好是22%。
Co與Mn、Ni一起使奧氏體適當(dāng)?shù)胤€(wěn)定，尤其是由于它能提高耐泥砂磨損性能、耐氣蝕銹蝕性能，含量最好在12%以下為宜。其含量不到6%時，上述那些效果不甚好，超過10%時，促進基體強化，從而降低延展性和韌性。特別是Co介于6～10%的范圍時，適于提高耐泥砂磨損性能。
Cr對提高水中的耐蝕性有效，是強化基體所需的，但其含量不到17%時，不能充分發(fā)揮耐泥砂磨損的性能。另一方面，當(dāng)超過23%時，δ鐵素體生成量增大，其結(jié)果是降低其延展性和韌性，因此，Cr含量介于16～26%的范圍較好。更好的是17～23%。
Mo除了加強基體外，還對改善耐蝕性、耐泥砂磨損性能、耐氣穴侵蝕性能有效。但是，超過5%時，使δ鐵素體的生成量增加、韌性降低。Mo在1～3%的范圍為宜。
N與C一起使奧氏體穩(wěn)定，特別是在低C鋼中，為了生成奧氏體C是不可缺的元素。此外對改善耐泥砂磨損性能也有效，但是如果添加過多，就會形成氮化物而降低韌性，因此，最好使N在0.3%以下為宜。更為合理的值介于0.05～0.2%之間。
Cu固溶于奧氏體基體上，可以強化基體、提高耐泥砂磨損性能和耐氣蝕性能。但是，添加過量時，會促進焊接裂紋的發(fā)生，因此，其添加量范圍在0.1～5%為宜。
Nb、Ti、W、V是使晶粒細(xì)化和形成碳化物的元素，在不使用此系碳化物陶瓷時，與分解熔融的C產(chǎn)生反應(yīng)，生成碳化物，提高延展性和韌性。但添加過多時，降低可焊性，因此，在0.1～5%的范圍為宜。
殘余部分系由Fe及與其相關(guān)的雜質(zhì)組成，雜質(zhì)有P、S，此外還有A5、S6等，這些元素在給延展性和韌性帶來不良影響的同時，還會使可焊性降低，因此，應(yīng)使其盡可能減少。
2.對金屬碳化物系陶瓷粉施以金屬包覆對金屬碳化物系陶瓷粉施以金屬包覆是由于在不銹鋼粉末與尤其是比重比它小的陶瓷復(fù)合的情況下，為了防止焊接時陶瓷的飛散，使陶瓷均勻地彌散、熔融于堆焊層而采取的措施。這種由金屬包覆的碳化物系陶瓷，其比重接近于不銹鋼粉末，因此，供給容易，具有較好的焊接工藝性。
這種對碳化物系陶瓷粉施以金屬包覆的工藝，有化學(xué)鍍膜、電鍍以及其它的物理方法和化學(xué)方法，所用材料有Ni、G、Cu、Fe、Co以及這些元素的合金。這種情況下，最好是形成高熔點、單一金屬的復(fù)層為宜。此外，它的金屬包覆量，因與不銹鋼以及下述稀土元素相關(guān)，以不致給粉末混合和焊接工藝性帶來不良影響作為包覆量的范圍。金屬覆層的厚度與碳化物系陶瓷顆粒的半徑之比值，在1以下為宜。
3.稀土元素本發(fā)明提出摻入稀土元素粉末的方法，在給金屬碳化物系陶瓷顆粒的表面覆以包覆層的情況下有效，特別是在這種包覆層中含有使其形成低熔點化合物的P等元素時有效。這是由于這些稀土元素與P化合后，會使其形成高熔點化合物的緣故。
這種稀土族元素，最好是用周期表57號至71號中所記載的鑭族元素以及這些元素的合金。但一般最好是使用La、Ce以及它們的化合物粉末，特別是，由于La、Ce的單一元素容易氧化，在大氣中處理時，使其形成氧化膜而降低其可焊性，因而它們的化合物，如LaNi5等最適宜。混合量在0.1%以下時不能見效，5%以上時降低可焊性，因此在1～5%之間為宜。
這些材料的堆焊層，對其表面進行噴丸強化處理等給它附加壓縮殘余應(yīng)力，就會使其耐銹蝕性能得到提高。此外，經(jīng)噴丸強化的表面在處理后的狀態(tài)下，有處理中裹入的金屬粉末殘留在堆焊層表面，因而去除表面層就可以進一步提高耐損傷性能。這種情況下，如果用壓緊力大的砂紙等將表面層切削去除，就會在切削面上留下壓縮殘余應(yīng)力，這對進一步增大耐損傷性能是有效的。此時，應(yīng)使其表面粗糙度在10μm以下。
特別是在將本發(fā)明的耐銹蝕覆層用于水輪機的情況下，在正常狀態(tài)下河水中含泥砂1%以下，而上述覆層對含有重量比為10%以下泥砂的水流是有用的。
在固液二相流動介質(zhì)中使用的設(shè)備，至少在下列各種構(gòu)件表面上使用此覆層是有效的。即，水輪機轉(zhuǎn)子、耐磨環(huán)和擴壓器、汽輪機葉片、船用螺旋槳、泥砂泵的葉輪和耐磨環(huán)、泥漿泵和管道以及處理這類介質(zhì)的構(gòu)件。
4.金屬碳化物系陶瓷關(guān)于金屬碳化物系陶瓷可用于(A)、(B)兩類覆層，(A)類是具有陶瓷顆粒殘余凝固組織的覆層，(B)類是無陶瓷顆粒殘余，具有結(jié)晶碳化物(即金屬復(fù)合碳化物)彌散的凝固組織的堆焊層。不論是(A)類或(B)類哪一類覆層，只要是高熔點、高硬度的陶瓷，在任何金屬碳化物系陶瓷中均可使用。然而，在(A)或(B)的情況下，使用下列金屬碳化物系陶瓷更為適宜。
(A)有陶瓷顆粒殘余的凝固組織結(jié)構(gòu)本發(fā)明是從SiC、TiC、WC、Cr3C2、NbC、VC金屬碳化物系陶瓷中至少選擇1種陶瓷，用它與不銹鋼混合的混合粉末，形成堆焊層，通過使陶瓷顆粒殘余在該覆層中的辦法，有效地提高了耐泥砂磨損性能。陶瓷顆粒的殘余量，雖然依焊接條件而異，但相對于不銹鋼容積20%以下時，不能發(fā)揮熔透于層中的效果。但當(dāng)容積達80%以上時，陶瓷顆粒的接觸范圍增大，該部分受泥砂的作用而脫落的頻度增多，容易以剝落處為起點發(fā)生裂紋。因此，陶瓷含量相對于不銹鋼容積的20～80%為宜。此外，在陶瓷中選用SiC為宜。
(B)無陶瓷顆粒殘余、且有結(jié)晶金屬復(fù)合碳化物彌散的凝固組織結(jié)構(gòu)將SiC、TiC碳化物系陶瓷粉末與不銹鋼粉末混合，用這種混合粉末制成堆焊層，通過這種方法得到碳化物結(jié)晶于奧氏體不銹鋼基體的金屬組織，利用此金屬組織來防止氣蝕、泥砂磨損以及這些因素復(fù)合的損傷。相對于不銹鋼來說，其容積小于1%時，材料的耐損傷性能顯示不出來。但是添加量若超過40%，不銹鋼的裂紋敏感性會增高。因此，相對于不銹鋼粉末來說，混合量的容積以1～40%為宜。此外，本發(fā)明選用SiC、TiC的理由是，其結(jié)晶結(jié)構(gòu)與不銹鋼的一樣，都是立方晶系的。另一個理由是，為了降低旋轉(zhuǎn)件因離心力產(chǎn)生的應(yīng)力，而限定選擇密度比不銹鋼小的材料。這種情況下，其工藝性較好。
下面用幾個實例對本發(fā)明進行說明。
(例1)
表1中列有，不銹鋼粉末(粒徑125μm)與金屬碳化物系陶瓷粉末(粒徑210μm)以各種不同的容積比進行混合的配比構(gòu)成。用粉體等離子堆焊裝置，將這種混合物在下列焊接條件下，堆焊3mm。焊接條件為電弧電流220～250A，電弧電壓32～35V，在焊槍橫擺運動寬度94mm下，次數(shù)為15～16次/分，Ar氣體供給量(升/min)的分布為供給等離子體3，運載氣體5，保護氣體15。制成的堆焊層是具有金屬碳化物系陶瓷殘余在堆焊層中的凝固組織結(jié)構(gòu)的。圖12是市售的等離子堆焊裝置簡略剖面圖。工作開始時，使等離子氣體(Ar)以W電極(-)21與母材(+)22之間流過，從而發(fā)生導(dǎo)引電弧，然后使保護氣體(Ar)24流過，并在電極21與被焊工件22之間施加電壓，發(fā)生等離子弧。再從粉體(粉末)供給裝置向等離子弧26供給粉體(不銹鋼粉末+陶瓷粉末)與運載氣體(Ar)的混合物25，靠等離子弧的高溫將粉體在母材22表面上熔化，并熔敷于母材上，制成堆焊層。
為了便于比較，現(xiàn)將以往采用的堆焊層制造工藝說明如下。表2列出了以往在包劑焊條電焊中所用焊條的化學(xué)成份。焊接條件是焊條直徑φ4mm，電流150A，電壓23V，熱量輸入16KJ/cm。制成3mm堆焊層。
本發(fā)明的堆焊層以及對比材料堆焊層的工藝中，使兩種焊接用的母材都由含Ni13Cr鑄鋼(其成分與表2的№.12相同)制成，板件的尺寸為25mm×100mm×150mm。焊后制取尺寸為5mm×20mm×50mm的水中泥砂磨損試片，用＃1200號砂紙磨光試驗表面供試驗用。
實驗是采用磁致伸縮振動式氣蝕試驗機，對耐氣蝕性能進行比較，在頻率6.5KHz、振幅120μm，試驗溫度25℃的條件下，在水道水流中試驗2小時，然后用密度除以損耗量，求出體積損耗量(cm3)，以體積損耗量作為評價指標(biāo)。
耐泥砂磨損性能，是用含泥砂水噴射式試驗裝置，在下列條件下進行試驗和評價的。水流噴射速度40m/s、沖擊角45度、泥砂是用平均粒徑為8μm的Al2O3，其含量為30g/升、試驗時間定為4小時。試驗后的磨損量是用密度除以磨損量的體積磨損量(cm3)來表示。此外，本裝置是采用了能在水中噴射含泥砂水的方式。所以這種裝置是能夠使試件發(fā)生氣蝕的。于是，用下式能表示的氣蝕系數(shù)K＝0.12和K＝0.6作了試驗。這種條件是能夠使試件產(chǎn)生氣蝕和泥砂磨損的復(fù)合損傷的。
K＝ (Pa-Pv+Pg)/(V2/2g)
式中V水流平均噴射速度(m/s)g重力加速度(m/s2)Pa大氣壓力(mAg)Pv蒸汽壓力(mAg)Pg流體壓力(mAg)也就是說，K＝0.6是只由泥砂磨損而造成損傷的條件，K＝0.12是泥砂磨損加氣蝕兩種因素復(fù)合的條件。
圖3是在氣蝕系數(shù)K為0.6與0.12的條件下，SiC含量與泥砂磨損量之間的關(guān)系曲線圖，曲線A表示K＝0.6、曲線B表示K＝0.12時的情況。該圖表明了這樣一種趨向SiC的添加量越大，磨損量越小。同時，由于SiC含量達80%(容積)時，磨損量有呈增加的傾向，所以要規(guī)定上限值。
圖4表示，將表1所示本發(fā)明的堆焊層與表2所示對比材料的堆焊層，在氣蝕系數(shù)為0.6的條件下進行試驗的結(jié)果。將表1和表2的試件編號取為橫軸，縱軸表示泥砂造成的磨損。從圖4中可以看出，本發(fā)明的堆焊層№.2～11明顯地比對比材料的堆焊層№.1、12～16的磨損量小。上述試驗表明，把本發(fā)明的堆焊層作為在含泥砂量高的水流中工作的水輪機設(shè)備的構(gòu)件用覆層，可以取得十分良好的效果。
在圖5及圖6的模式圖中所示水輪機導(dǎo)葉5、覆面板8的5Ni13Cr鑄鋼構(gòu)件上，應(yīng)用本發(fā)明的SiC含量為40%(容積)的混合粉末，采用等離子堆焊工藝制成堆焊層，把它在550℃～650℃下退火，通過機械加工達到設(shè)定厚度(1～3mm)，從而形成覆層10。此外還在水輪機轉(zhuǎn)子、蓋板上也形成相同的堆焊層。通過包覆這種堆焊層，作到了防止泥砂磨損和氣蝕造成的侵蝕以及這些因素的復(fù)合損傷。
(例2)表3中列有，不銹鋼粉末(粒徑149μm)與金屬碳化物陶瓷粉末(粒徑149μm)以各種不同的容積比進行混合的配比構(gòu)成。采用粉體等離子堆焊裝置，在下列焊接條件下，將這種混合粉末堆焊3mm厚度，容易地制成了堆焊層。焊接條件為，電弧電流220～250A，電弧電壓32～35V、在焊槍橫擺運動寬度94mm下，次數(shù)為15～16次/分，Ar氣體供給量(升/min)的分布為，供給等離子體3、運載氣體5、保護氣體15。此外，母材所用的材料是含Ni13Cr(成分與表2的№.12相同)的鑄鋼(尺寸為25mm×100mm×150mm)，而且制成的堆焊層是，無金屬碳化物陶瓷殘余，但有由奧氏體鋼基體和彌散于其中的結(jié)晶碳化物構(gòu)成的凝固組織結(jié)構(gòu)。圖2表示這種堆焊層的顯微組織。
對所制成的本發(fā)明的堆焊層，用與實施例相同的氣蝕系數(shù)K＝0.12，使其產(chǎn)生氣蝕和泥砂磨損的復(fù)合損傷，進行磨損試驗，并將試驗結(jié)果示于圖7。曲線C表示SiC、曲線D表示TiC的添加量與氣蝕損耗量之間的關(guān)系，此外，SiC和TiC都是添加量越大，硬度越高，特別是SiC含量達40%(容積)時，維氏硬度約為700。如果再繼續(xù)添加，硬度雖然提高，但容易發(fā)生裂紋，因此，本發(fā)明限制在40%內(nèi)。
隨著添加量的增大，氣蝕損耗減少。這與基體材料(點1)相比，耐氣蝕性能有很大的提高。
圖8表示，表3所示本發(fā)明的堆焊層與表2所示對比材料的堆焊層因氣蝕造成的損耗量。圖8中的試件編號表示表3與表2中的試件編號，本發(fā)明的堆焊層№.17～26與對比材料№.1、12～16相比，由本發(fā)明的不銹鋼加陶瓷復(fù)合粉末制成堆焊層，顯然比含Ni13Cr鑄鋼、SUS304以及以往的堆焊材料等對比材料好得多。
圖9表示，SiC(曲線E)和TiC(曲線F)的添加量與泥砂磨損量之間的關(guān)系。圖10表示，本發(fā)明的堆焊層(表3的試件№.17～26)和對比材料的堆焊層(表2的試件№.1、12～16)因泥砂造成的磨損量。圖9和圖10表明，本發(fā)明的堆焊層，與耐氣蝕特性一樣，隨著SiC和TiC的添加量增加，其磨損量減少，與對比材料和母材(點1)相比，本發(fā)明的堆焊層具有優(yōu)異的耐復(fù)合損傷的性能。
(例3)制造了圖1A及圖1B所示的水輪機。關(guān)于圖1B所示水輪機轉(zhuǎn)子與水接觸的面(作用面P)一側(cè)(圖11B)，分別在以葉片3的兩個進口端(A、B)為中心，以葉片進口長度(L1)(約165mm)的1/2～1/5為半徑的扇形范圍(10)內(nèi)形成堆焊層10。關(guān)于圖11A所示水輪機轉(zhuǎn)子的作用面的背面(反作用面(R))，分別在以兩個進口端(C，D)為中心，以葉片進口長度(L1)(約165mm)的1/2～1/5為半徑的扇形范圍內(nèi)設(shè)置堆焊層11，而且還從葉片3的外出口端(E)(示于圖1A和圖11A中)開始，在50～150的寬度(W)、葉片出口長度L2的1/2～2/3的長度(1)的范圍內(nèi)，設(shè)置堆焊層12。這些堆焊層使用的焊接條件與例2的相同，而且使用表3中№.20的混合粉末制造堆焊層，然后將此層在550°～650℃下退火，再將此層機械加工成1～3mm的厚度。以葉片3的作用面?zhèn)冗M口端(A，B)為中心的扇形部分(10)是，含泥砂水流引起的磨損較大的部分;以葉片3的反作用面?zhèn)冗M口端(C，D)為中心的扇形部分(11)、以及與從外出口端(E)延伸的堆焊層(12)相對應(yīng)的部分是易受氣蝕損傷的部分。
制造了與例1所示相同的導(dǎo)葉和覆面板。作完這些零件后制作了水輪機。
這臺水輪機在含泥砂的水流中作過實際運轉(zhuǎn)，它顯示了優(yōu)異的耐磨損性能和耐氣蝕性能兩方面特性。
(例4)表4表示，把表中所示不銹鋼粉末(平均粒徑為149μm)、Ni-P表面包覆金屬碳化物系陶瓷粉末(表面包覆處理前后的平均粒徑為105μm→185μm)和稀土元素化合物L(fēng)aNi5(平均粒徑為140μm)以各種不同的容積比進行混合的配比構(gòu)成。用粉體等離子堆焊裝置，在下列焊接條件下將這種混合物堆焊3mm厚，制成堆焊層。焊接條件為電弧電流220～250A、電弧電壓32～35V、在焊槍橫擺運動寬度為94mm下，次數(shù)為15～16次/分、Ar氣體供給量(升/min)的分配為等離子體3、運載氣體5、保護氣體15。另外，金屬碳化物系陶瓷顆粒的表面包覆處理是在中性浴的無電解鍍鎳液中進行的。在這種堆焊工藝中使用
的母材是含Ni13Cr鑄鋼(尺寸為25mm×100mm×150mm)。
為了進行比較，表中還列有作為水輪機轉(zhuǎn)子使用含Ni13Cr鑄鋼、AISI304、以往包劑焊條電焊用的不銹鋼系堆焊焊條以及無表面金屬覆層的不銹鋼和陶瓷的粉體等離子堆焊層。表5、表6表示，這些材料的化學(xué)成分以及配比構(gòu)成。所用的包劑焊條電焊條件為，焊條直徑φ4mm，電流150A、電壓23V、熱量輸入16KJ/cm，考慮了與母材的稀釋，堆焊8mm厚，但粉體等離子焊接的條件與上述條件相同。此外，沖擊試件(JISZ2242)用15mm堆焊。
本發(fā)明的堆焊層以及對比材料的堆焊層的工藝，與上述情況相同。
本實施例中已經(jīng)明確，在SiC含量為容積比10～80%時，泥砂造成的磨損量大體上與上述圖3所示的值相同。
表7表示，經(jīng)粉體等離子堆焊的本發(fā)明所提堆焊層與對比堆焊層的評價結(jié)果。本發(fā)明涉及的覆層與對比的覆層相比，硬度大致相同，但焊接裂紋、延展性和韌性均有所改善。
另一方面，№.2～10試件的結(jié)果表明，在使用經(jīng)表面金屬包覆(Ni-P)的SiC時，即使SiC的容積比只10%也發(fā)生了裂紋。未經(jīng)表面金屬包覆的SiC在容積比為10%(№.20)時無裂紋。但對№5～10試件添加稀土元素LaNi50.3%以上時，裂紋的發(fā)生情況得到改善。如果將其換算為La，約為0.1%。
圖13和圖14表示，表4所示本發(fā)明堆焊層與表5所示對比材
表7
料堆焊層的氣蝕損耗量，和在K＝0.6的條件下的泥砂磨損量。從圖中可知，本發(fā)明的堆焊層№.4、7、8、10與對比材料№.21、25相比，耐銹蝕性能雖然無差別，但與對比材料№.27～31的含Ni13Cr鑄鋼、SUS304以及以往的堆焊用包劑焊條等相比，具有非常好的性能。
因而可知，本發(fā)明的堆焊層在水輪機等在含高泥砂量及固體物質(zhì)的二相流場中工作的機械構(gòu)件上應(yīng)用，具有十分良好的效果。
在如圖5和圖6的模式圖所示水輪機的導(dǎo)葉5、覆面板8的5Ni13Cr鑄鋼件上，使用含有上述經(jīng)表面金屬包覆的SiC40%的混合粉末，通過等離子堆焊制成堆焊層10。此外，在水輪機轉(zhuǎn)子、蓋板上也覆以同樣的堆焊層。包覆這種堆焊層之后，防止了泥砂磨損、氣蝕損傷以及復(fù)合損傷。
本發(fā)明涉及的水輪機包覆層是針對利用含泥砂河水的水力發(fā)電用水輪機等機械構(gòu)件用的。用奧氏體系不銹鋼與金屬碳化物系陶瓷的復(fù)合粉末材料，在機械構(gòu)件表面上包覆具有陶瓷顆粒殘余的凝固組織結(jié)構(gòu)的堆焊層，或包覆具有無陶瓷顆粒殘余，但結(jié)晶碳化物彌散于基體的凝固組織結(jié)構(gòu)的堆焊層，從而能控制氣蝕、泥砂磨損以及復(fù)合損傷。因此，在防止設(shè)備侵蝕和運轉(zhuǎn)效率下降，延長機械壽命方面具有顯著效果。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)有調(diào)整水流的導(dǎo)葉以及利用該水流而旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的水輪機，其特征在于在受水流沖擊的部分，設(shè)有帶耐氣蝕性能高于母材的堆焊層的構(gòu)件，該堆焊層是一種具有奧氏體不銹鋼基體和彌散于此基體的碳化物的金屬組織。
2.按權(quán)利要求1所述水輪機，其特征在于堆焊層是，將奧氏體不銹鋼粉末與金屬碳化物系陶瓷粉末的混合粉末，經(jīng)堆焊而制取的覆層，碳化物系由單一金屬的碳化物以及該碳化物與基體金屬復(fù)合的共晶碳化物組成。
3.按權(quán)利要求1所述水輪機，其特征在于碳化物實際上并不存在單一金屬的碳化物，而是與基體金屬形成的復(fù)合碳化物的結(jié)晶。
4.按權(quán)利要求2所述水輪機，其特征在于碳化物是金屬碳化物系陶瓷顆粒。
5.按權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述水輪機，其特征在于金屬碳化物系陶瓷，是從SiC、TiC、WC、Cr3C2、NbC和VC群中選擇至少1種。
6.按權(quán)利要求1所述水輪機，其特征在于奧氏體不銹鋼的成份以重量%表示如下。C0.05～0.15%，Si0.2～1.0%，Mn13%以下，Ni2～7%，Co10%以下，Cr17～23%，Mo1～3%，N0.3%以下，其余部分是Fe以及隨其混入的不可避免的雜質(zhì)。
7.按權(quán)利要求1所述水輪機，其特征在于奧氏體不銹鋼的成份以重量%表示如下。C0.05～0.15%，Si0.2～1.0%，Mn13%以下，Ni2～7%，Co10%以下，Cr17～23%，Mo1～3%，N0.3%以下，從元素周期表第57號至第71號的稀土元素中至少選擇一種元素，添加0.1～5%，其余部分是Fe以及不可避免的雜質(zhì)。
8.按權(quán)利要求6或7所述水輪機，其特征在于上述成分中，(Mn%+Co%)/Cr%的值在0.6～1.3的范圍。
9.按權(quán)利要求1至8中任何1項所述水輪機，其特征在于用等離子弧堆焊工藝來制取堆焊層，其厚度在5mm以下。
10.在權(quán)利要求1所述水輪機，其特征在于其上敷以堆焊層的部分有水輪機轉(zhuǎn)子葉片的作用面?zhèn)群头醋饔妹鎮(zhèn)鹊母鱾€進口端部分;葉片反作用面?zhèn)鹊耐獠砍隹诙瞬糠?除導(dǎo)葉支持件以外的全部導(dǎo)葉;覆蓋板的滑動面。
11.至少在受水流沖擊的一部分上。敷以一層耐氣蝕性能高于母材的堆焊層的水輪機制造方法，其特征在于利用等離子弧一面熔化由奧氏體不銹鋼粉末與金屬碳化物系陶瓷粉末相混合而成的混合粉末，一面在該被焊部分制造熔融金屬的熔池，按所要求的厚度形成堆焊層。
12.按權(quán)利要求11所述水輪機制造方法，其特征在于奧氏體不銹鋼(M)的粉末直徑為10～200μm，而金屬碳化物系陶瓷(S)的粉末直徑，按粒徑比S/M為1～2的比值來形成;上述金屬碳化物系陶瓷(S)的含量為容積比的1～80%，其結(jié)構(gòu)為，上述金屬碳化物系陶瓷粉有殘余的凝固組織以及該金屬碳化物系陶瓷粉末分解熔化后結(jié)晶的復(fù)合碳化物。
13.按權(quán)利要求12所述水輪機制造方法，其特征在于金屬碳化物陶瓷，是從SiC、TiC、WC、Cr3C2、NbC和VC群中至少選擇1種。
14.按權(quán)利要求11所述水輪機制造方法，其特征在于金屬碳化物系陶瓷(S)的粉末粒徑以及奧氏體不銹鋼(M)的粉末粒徑，分別在10～200μm的范圍，而且按粒徑比S/M在1以下的要求來形成，上述金屬碳化物系陶瓷(S)的含量為容積比的1～40%，同時將金屬碳化物系陶瓷粉末分解并熔化于熔融金屬之中，構(gòu)成一種金屬碳化物系陶瓷顆粒沒有殘余在金屬基體之中，且復(fù)合的金屬碳化物結(jié)晶并彌散于奧氏體不銹鋼基體中的凝固組織結(jié)構(gòu)。
15.按權(quán)利要求11至14中任何1項所述水輪機制造方法，其特征在于奧氏體不銹鋼的成分以重量%表示如下。C0.05～0.15%、Si0.2～1.0%、Mn13%以下、Mi2～7%、Co10%以下、Cr17～23%、Mo1～3%、N0.3%以下，其余部分為Fe以及隨其混入的不可避免的雜質(zhì)。
16.按權(quán)利要求15所述水輪機制造方法，其特征在于上述成分中，(Mn%+Co%)/Cr%的值在0.6～1.3的范圍。
17.按權(quán)利要求11、12、13、15和16中任何1項所述水輪機制造方法，其特征在于奧氏體不銹鋼的成份以重量%表示如下。C0.05～0.15%、Si0.2～1.0%、Mn13以下、Ni2～7%、Co10%以下、Cr17～23%、Mo1～3%、N0.3%以下，再從元素周期表第57至第71號的稀土元素中至少選擇一種元素，添加0.1～5%，其余部分為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
18.按權(quán)利要求11所述水輪機制造方法，其特征在于用等離子弧堆焊工藝來制取堆焊層，其厚度在5mm以下。
19.按權(quán)利要求11所述水輪機制造方法，其特征在于金屬碳化物系陶瓷粉末是被金屬覆層包覆著的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水輪機，特別是關(guān)于在泥砂含量大的水流中工作的旋轉(zhuǎn)機械構(gòu)件的表面，易受氣蝕、泥砂磨損以及這些因素造成的復(fù)合損傷，因此，敷設(shè)一層可以防止這類損傷的耐水中泥砂磨損性能好的堆焊層的水輪機，其特征在于，該堆焊層是一種具有奧氏體不銹鋼基體和彌散于此基體中的碳化物的金屬組織。
文檔編號B23K9/04GK1042588SQ89108450
公開日1990年5月30日 申請日期1989年11月9日 優(yōu)先權(quán)日1988年11月9日
發(fā)明者寧佐美賢一, 佐藤晃二, 高安博, 佐藤讓之良, 菊地啟造 申請人:株式會社日立制作所