摘 要:本文首先介绍了HVOF工艺喷涂碳化钨防护层的工艺特点以及在实验室的抗磨蚀试验与现场应用情况,在此基础之上,从磨损与空蚀对材料表面破坏的不同作用机制、涂层的机械性能及组织结构特点等方面,对涂层的抗磨蚀特性的影响进行了分析。
关键词:水机磨蚀;喷涂涂层;涂层防护;抗磨蚀特性
1 引言
近些年来随着经济的发展与水力资源开发的需要,在黄河流域又一批大型水电工程相继投运,如位于黄河中游的小浪底水电站、万家寨水电站及万家寨引黄工程等。由于这些工程的特点是河流含沙多、工程规模大、参数水平与技术保证高,因此如何解决水轮机或水泵的泥沙磨损问题成为工程建设中关键技术难题之一。
考虑到减轻泥沙磨损涉及水力设计、加工制造水平、现场安装工艺等许多因素,而国外生产厂家在这些方面具有明显的优势,为/博采众长0,上述工程的水轮机与水泵均通过国际招标由国外厂家供应。针对关键过流部件的防护问题,国外厂家提出了采用HVOF工艺喷涂碳化钨防护层的方案,认为是目前大尺寸机组过流部件最有效的表面喷涂防护措施,现己在工程中实施。
喷涂涂层防护技术,如火焰喷涂、等离子喷涂等技术,在发达国家应用较早,在水力机械方面主要用于冲击式水轮机的喷针与喷嘴环,以及混流式水轮机导叶、抗磨板、止漏环等部件在遭受破坏后的修复,特别在一些容量、尺寸较小、磨损不太严重的机组上应用是成功的,但在大型机组上应用的报道还未见到。上面提及的HVOF涂层大面积用于小浪底水轮机、万家寨引黄工程水泵等预计存在磨蚀问题的大型机组,这在国内外还是前所未有的,其抗磨蚀效果如何,令人关注。
2 HVOF涂层工艺过程与特点
HVOF涂层(High Velocity Oxygen Fuel Coating,即高速燃氧喷涂涂层)是近年来用于水力机械过流部件表面防护的新技术。它是在点燃氧和燃气的同时,将高温状态的粉末材料以超音速喷出,粘结在部件表面形成涂层,此工艺常用的材料粉末包括碳化钨、金属陶瓷等粉末。
HVOF涂层工艺过程
1)喷涂前,对部件表面作必要的检查与清理,除油除污,并作喷砂处理;
2)部件预热,温度100e左右;
3)实施HVOF喷涂,一般由机器人操作完成;
4)每次喷涂的厚度约011mm左右,根据所需要的涂层厚度,重复过程3),故涂层为多层结构,通常涂层最大厚度为015mm左右。
同其它涂层相比,HVOF涂层有如下特点:
1)部件预热温度低(100e),不存在部件变形问题,因而适合在大尺寸部件上应用,这是HVOF涂层最显著的特点。而其它涂层需要高得多的预热温度,如喷焊工艺,预热温度200~500e,受热面积大,而且喷焊工艺的涂层粉末需要重熔,重熔是在基材表面上进行,通常自熔性合金粉末的熔点范围为950~1200e,如此的高温有可能对基材产生影响;表面渗氮(或碳)工艺,需将部件整体送入渗氮(或碳)炉中加热,温度通常为500e左右。因此后两者均存在部件热变形、涂层易出现微裂纹问题,特别是对尺寸大的部件。
2)喷涂速度快。高温状态的涂层粉末喷涂到基材表面,因时间很短,涂层粉末与表面接触前仍保持原有的高温,一旦接触又快速冷凝,可使涂层组织致密、结合力提高,因而其粘结强度比普通火焰喷涂、等离子喷涂等涂层大大提高。
3)工艺过程一般由机器人操作,粉末喷涂均匀,可提高喷涂质量。
3 涂层在实验室试验的抗磨蚀特性
311 磨损试验
磨损试验在小水洞磨损装置上进行。试验段流道为收缩矩形流道,流道上下面为试件,试验时从进口到出口各断面水流速度逐渐增加,对应断面的磨损量也相应增加,由此可得到磨损量与流速的关系。碳化钨(WC)涂层与Cr13Ni4不锈钢两种材料的磨损试验结果见表1与图1。
从表1和图1可看出,碳化钨涂层的磨损率(测量值偏小,可能是误差偏大所致)远小于Cr13Ni4材料的磨损率,表明碳化钨涂层在实验室条件下具有极强的抗磨性。
312 空蚀试验
试验在圆盘式空蚀试验装置上进行。试件镶嵌在圆盘的两面,均布在直径为D=316mm圆周上,空化源为d=15mm的通孔,在设定条件下由空化源产生的空穴作用在试件面中央,使之破坏。试验主要参数为圆盘旋转速度3000r/min,转盘室压力P=011MPa,水温15e。
表2列出了三种不同配方的HVOF涂层(WC)试件与Cr13Ni4材料的空蚀对比试验结果(以空蚀失重率倍数作对比)。试验过程中,HVOF涂层均在不到40小时试件面中央就出现涂层穿透脱落现象,涂层空蚀后的形态呈海绵状。从表2的空蚀失重率倍数看,HVOF涂层的空蚀失重率是Cr13Ni4的5~12倍,表明HVOF涂层的抗空蚀性明显比Cr13Ni4差。
4 HVOF涂层在高扬程泵站中的应用
为考验HVOF涂层在真机上应用的抗磨蚀效果,我们曾与国外某公司合作在陕西某引黄泵站高扬程水泵上进行了HVOF涂层防护试验。试验水泵泵型为H3离心泵,双吸单级式,主要参数见表3。
该泵特点是扬程高,叶轮尺寸大(对水泵而言),过机泥沙多,因而叶轮磨损破坏相当严重,在国内引黄工程水泵中具有代表性。磨损最严重部位为密封环、叶轮出口外缘,叶轮使用寿命仅为1000小时左右。为保证涂层工艺质量,泵轮被运到国外的工艺车间实施喷涂。涂层材料成分为两种Cr、Ni改性的WC粉末,防护部位包括叶轮进、出口正面、叶轮盖板外缘端面,涂层为多层结构,即在基材上多次重复喷涂而形成,设定的涂层厚度为012或014mm。
水泵累计运行1076小时,实测平均过机含沙量为316kgPm3,并分别在水泵运行176小时、529小时和1076小时对涂层进行了三次检测。在叶轮进口正面,176小时检查时涂层基本保持完好,529小时检查时涂层破坏严重,破坏形式为成块的分层脱落,在涂层区中央已完全脱落,见图2,1076小时检查时涂层脱落区域、程度有所加大。
根据该水泵以前运行磨损情况看,叶轮进口流速低,磨蚀轻微,几乎不产生明显破坏,采用涂层后,反而很快出现涂层分层脱落或完全脱落,说明其破坏不是由于磨损造成的,而是因空化作用所致。在叶轮出口,176小时检查时出口正面、叶轮盖板外缘端面(存在少量的深坑、深槽)的涂层基本保持完好,后两次检查变化不大,从测量结果看,涂层厚度已减薄,减薄量很小。但在叶轮出口外缘,176小时检查时即破坏严重,涂层几乎全部脱落,见图3。其原因是:1)该处为高流速区,圆周速度达56mPs,磨损强度高;2)从破坏形貌看,有明显的空蚀痕迹。这可能是叶轮出口外缘前沿过渡形线不光滑出现局部脱流产生空化所致,使涂层局部脱落从而造成整个外缘加速破坏。
5 分析与讨论
1)HVOF涂层在实验室所表现出的磨损与空蚀特性和它在H3水泵上应用的结果基本是吻合的,即该涂层具有高的抗磨性,但在低压区或空化区容易产生脱落,抗空蚀性较差。出现如此明显的反差,这可能是下面几个原因所致:
(1)磨损与空蚀对材料表面破坏的作用机制不同。磨损与空蚀是十分复杂的破坏过程,其机理的研究还很不充分。但就已有的成果来看,一般说来,磨损是沙粒在水力作用下对材料表面的冲击擦划、切削以及疲劳破坏等作用的结果,磨损强度主要取决于含沙水流特性、泥沙含量与颗粒特性、材质性能以及磨损作用条件等因素。而空蚀是在空化区域内存在空泡的生成与破裂、压缩与膨胀等过程,产生高幅值、高频率的脉冲水锤压力作用于材料表面,而引起材料的疲劳破坏。有人对空蚀过程的微观研究发现,单纯空蚀破坏的材料,是晶粒沿晶格破坏而剥落。即空泡溃灭时的高压(有时可高达几百至几千个大气压)使晶粒产生塑性变形,当反复作用时晶粒间产生缝隙或裂纹并不断扩展,材料表层表现为材质疏松,以致将晶粒从母体上剥落。通过电子显微镜等可以观看到空蚀后的破坏形貌中存在大量空蚀坑、微裂纹,宏观上看呈海绵蜂窝状。此外,材质有缺陷如夹杂、沙眼或气孔的地方,是空蚀最容易发生、破坏最严重的地方。由此可见,磨损与空蚀对材料表面破坏的作用机制不尽相同。而且破坏后材料表面的性质有所不同,有试验结果表明,材料磨损后其表面的机械性能改变不大,而空蚀破坏具有渗透性,材料空蚀后,不仅使部分材料从母体上剥落,而且使材料表面的机械性能降低,导致材料破坏加快。故可将磨损视为/明伤0,而空蚀则视为/暗伤0。
(2)与涂层的机械性能及组织结构特点有关。首先,HVOF涂层主要是通过在基体晶粒中加入高硬颗粒来提高涂层表面的硬度和强度,由于硬颗粒的硬度比沙粒还高,不易被擦划、切削等作用而受损,因而表现为高的抗磨性。另一方面,由于HVOF涂层的强度增加,其塑性、韧性降低,主要是因为加入的硬颗粒如WC、陶瓷均为典型的脆性材料所决定的。当出现空化时,在高幅值、高频率的脉冲水锤压力作用下,涂层因疲劳破坏产生微裂纹以致破坏。从涂层组织结构看,由于硬颗粒的熔点很高,喷涂时硬颗粒是不熔化的,而是被熔化的基体晶粒包覆而呈现颗粒状分布于基体之中,而这种包覆的硬质相与基体的结合属于非冶金结构,其结合力比均质的合金钢材低,如同在橡胶中镶嵌许多铁钉一样。此外,碳化钨涂层中的基体晶粒与硬颗粒间易产生缩孔现象,如图4,为碳化钨涂层电镜扫描显微照片。缩孔的存在,有利于高水锤压力渗入涂层内使晶粒产生侧面变形,以致使晶粒剥落。从产生空化的条件看,缩孔的存在,相当于空化源,是产生空化的根源。
(3)涂层与基材的粘接力不够高,这是目前各类涂层普遍存在的问题。由于涂层与基材在化学成分与组织结构等方面存在较大差异,喷涂工艺本身是在不伤及基材(低温加热)前提下,将涂层粉末粘接到基材表面上,尽管HVOF工艺的喷涂速度达到超音速,使涂层与基材的粘接强度比普通火焰喷涂、等离子喷涂等涂层大大提高,但这种结合仍属于机械结合。对于转动部件,运行时(基材)受力变形,而涂层变形能力差,这有可能导致涂层出现裂纹甚至脱落。
(4)H3水泵扬程高,叶轮尺寸大,过机泥沙多,因而空化强度与磨损强度高,是造成涂层脱落严重的主要原因之一。在叶轮进口,属低压区,涂层的脱落主要是空化作用所致。在叶轮出口外缘,从破坏形貌看出有明显的空蚀痕迹,表明存在局部空化,因而涂层的破坏是磨损与空化联合作用所致。磨损中伴随着空蚀的情况在水轮机磨损破坏中普遍存在。如混流式水轮机导叶与抗磨板、转轮出水边背面靠下环处,轴流式水轮机转轮出水边背面、转轮外缘与转轮室之间的间隙处等,这些重破坏区均存在磨损与空化的联合作用。其原因是,在有些部位本身为负压区,因而存在空化与磨损。
另一些部位为非负压区,但该处局部流速很高,由于磨损与流速的三次方成比例关系,流速越高,磨损越严重。同时局部流速高的区域,往往流态高度紊乱,且伴随有大的加速度,加之可能因某种过流表面条件变化的原因,使其局部压力变低,导致局部空化的产生,空化又促进磨损,使破坏加快。电站水头与参数水平越高,这种联合作用越明显,破坏越严重。
因此,要在磨蚀强度高的部位使用涂层防护,除需要涂层具备一定的抗磨能力外,还需有良好的抗空化性能,而且后者更为重要。用材料机械性能来说,即是要求涂层在获得一定硬度、强度的前提下取得适当的塑性、韧性的配合。目前许多硬涂层研制时片面追求高硬度、高强度,使得涂层的塑性与冲击韧性反而降低,这是涂层容易出现龟裂、脱落的主要原因。
2)我国是泥沙磨蚀问题最严重的国家之一,解决泥沙磨损与空蚀问题一直是我国水机行业努力攻克的技术难题。为此我们进行了大量的研究工作,在涂层防护方面已取得了不少的成果,如在喷焊、堆焊材料和非金属涂层等防护方面,其成果已在三门峡等水电站或引黄抽水泵站中的某些部位上应用与推广,但应用的范围有一定的限制。如在水轮机转轮正面应用,效果尚佳,但在转轮背面(重空化区)等部位,涂层容易脱落;在中低水头的中小型水轮机上应用,效果较好,但在高水头的大型水轮机上应用,尚不尽人意。近十年来,国外公司针对中国的水电开发中部分大型工程预计存在严重的泥沙磨蚀问题,加大了抗磨蚀措施与涂层防护研究力度,进展较快。本文介绍的HVOF工艺碳化钨涂层即是新开发的用于水力机械过流部件防护的硬涂层,软涂层有耐尔久涂层(改性聚氨脂)等,现已在工程中实施。碳化钨涂层已在小浪底水轮机、万家寨5#、6#水轮机上应用,万家寨引黄工程水泵也将采用碳化钨涂层,软涂层已在万家寨1#、2#水轮机上采用。从应用的初步结果看,已有报道在小浪底水轮机、万家寨5#、6#水轮机上的碳化钨涂层,运行时间不长涂层已有脱落,在万家寨1#、2#水轮机上采用的耐尔久涂层,经72小时运行后检查,已有涂层脱落,在运行不到一年检查,脱落更加严重,转轮上的涂层几乎全部脱落。根据存在磨损的水电站运行初期其水轮机过机含沙量通常较小以及运行时间短来看,上述涂层脱落的主要原因可能不是因为磨损,而是因为空化作用的结果。由此可见,要保证涂层高抗磨性能力的发挥,提高涂层的抗空化能力是关键。因此国外公司还需要总结经验、改进技术,并对中国的泥沙磨损问题进行更深入研究探讨。
6 结语
11HVOF涂层在实验室所表现出的磨损与空蚀特性和它在H3水泵上应用的结果基本是吻合的,即该涂层具有高的抗磨性,但在低压区或空化区容易产生脱落,抗空蚀性较差。
21由于磨损与空蚀对材料表面破坏的作用机制不尽相同,这就对涂层的性能提出了特殊要求,既要有高的硬度、强度,又要有好的塑性与冲击韧性。因此,如何使涂层在获得一定强度的前提下取得适当的塑性、韧性的配合,是提高涂层抗磨蚀综合性能的关键。
31HVOF涂层与基材的粘接力不够高,这是目前各类涂层普遍存在的问题。由于涂层与基材在化学成分与组织结构等方面存在较大差异,以及喷涂工艺本身的性质,两者的结合属于机械结合,在较高强度的空化条件下,其结合力仍嫌不够。
41解决泥沙磨损与空蚀问题一直是我国水机行业努力攻克的技术难题,一些国外公司也视其为具体挑战性的工作。由此可以认为,中国(特别是黄河流域)的水力机械泥沙磨蚀问题,已成为世界级难题。
6 结语
本文研究了基于前池水位调节模式运行的水轮机调节系统的综合主导极点的最优配置问题,得到了以下几点有益的结论:
1)选取恰当的状态变量,建立了研究对象的状态方程;
2)根据最优状态调节器理论,对水位调节模式下的调节系统的综合主导极点进行优化配置,得出了调节参数KP,KI与调节对象特性参数Tw,Tq,eqh,hf之间的最优函数关系;
3)采用正交试验法处理多因素多水平影响系统动态性能的复杂问题,根据对系统通用性能指标的要求,配置了调节系统的综合主导极点,得出了一组调节参数最优公式;
4)利用该公式指导吉林省长白县双山六级电站调速器的参数整定取得了满意的效果。现场试验及仿真表明,本文所得最优公式是比较合理的,能够用于工程实践。
参考文献略
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