抗磨蚀金属涂层在核电海水泵叶轮的应用
黄科峰，许彪，吴树辉，叶林，尹嵩，史一岭
热 喷 涂 技 术2012年3月
摘 要：本文选取WC10Co4Cr 喷涂材料，采用 HVOF 方法工艺在基材 45# 钢上制备涂层，与基材在自制圆盘式磨蚀试验台上进行磨蚀破坏试验，并将基材与涂层材料的抗磨蚀性能进行比较分析，最终将金属涂层应用于核电海水循环泵的叶轮抗磨蚀改造中，取得良好效果。
关键词：热喷涂；HVOF 涂层，抗磨蚀性能；WC10Co4Cr 涂层；海水循环泵
出于核电站本身的需要，绝大多数核电站都分布在海边，因为反应堆所产生的巨大能量除转化成电能外，还有大量能量以热能的形式释放，这使得核电站的运转需要大量的冷却水，其中，海水是优良的冷却水，海水泵随之成为核电站不可或缺的重要设备。海水泵稳定可靠的运行，直接关系到整个发电系统的可靠性，而其中的叶轮由于海水的腐蚀、气蚀、泥砂的冲刷或者几个因素的联合作用等，往往导致叶轮面临被严重磨蚀而导致提前失效的潜在风险，如造成叶轮材料破坏、噪声和振动、泵的性能降低、频率下降等。随着核电多基地、多机组的发展趋势，海水泵叶轮磨蚀问题不可避免的会因不同水域水质的不同而变得更加复杂，依靠改变叶轮的材质、叶片形状的办法无法适应不同海水水质的要求，局限性日益突出，海水泵的磨蚀问题成为核电站亟待解决的问题。
减轻磨蚀破坏涉及水力设计、加工制造水平、现场安装工艺、经济性等许多因素，目前普遍认为表面技术中的热喷涂技术是解决此类问题的有效手段之一[1- 4]。
热喷涂表面防护技术，如火焰喷涂、等离子喷涂等技术，在发达国家应用较早，在流体机械中主要用于冲击式水轮机上的喷针、喷嘴环，以及水泵叶轮的流道表面、口环等部件的表面加强和在遭受破坏后的修复。在几种相对成熟的热喷涂技术手段中，超音速火焰喷涂（HVOF）优势相当明显[5/8,10,11]，能较为有效的抵抗磨蚀破坏。
1海水泵叶轮失效分析
1.1 叶轮运行工况
以杭州湾海域某核电站海水泵为例。杭州湾在地理上属钱塘江河的外海区，由于湾面从宽到窄急行收缩，夹沙能力强，是强潮汐河口。根据相关文献资料显示[12]，杭州湾海水盐分含量为 7500～18500mg/L，以粘性细颗粒粉沙为主，平均含沙量为 2.5kg/m3，最大含沙量为 4.22 kg/m3，泥沙含量 95.1%的沙粒粒径小于0.1mm；粉沙的矿物成分则主要为石英和正长石，维氏硬度分别为 7 和 6 级（HV950～HV1200），且多为棱片状。海 水 循 环 水 泵 的 主 要 设 计 参 数 ： 流 量5.0m3/s，转速 495rpm。该泵为立式单级导叶式混流泵，入水侧叶片内径 Φ350mm，线 速度为9.07m/s，外径 Φ1950mm，线速度为 50.51m/s；出水侧内径 Φ800，线速度为 20.72m/s，外径Φ2400mm，线速度为 62.17m/s，叶片厚度约 30mm。该水泵服务于电厂冷却循环系统，输送介质为钱塘江海水，叶轮为ZGOCr25Ni9Mo4CuRe 不锈钢铸造，具有全面抗海水腐蚀能力及抗海水卤素元素的点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀的能力，其耐海水腐蚀性能是优良的。
1.2 叶轮失效情况及其机理分析
在运行 10~12 个月后，该叶轮过流部件遭到破坏，叶片磨蚀十分严重，具体表现在：入水侧叶片前缘磨损沿叶片根部向叶片端面方向越来越严重，在叶片根部端面，有长度超过10mm的穿孔，孔内壁光滑；叶片入水侧背面存在大量渐开式沟槽，正面磨损面较光滑但零星存在麻点状破损坑。叶片出口处背面减薄很严重，呈较深的鱼鳞状花纹，局部有深达10mm的坑洞和深犁沟，叶片的边缘呈参差不齐、很尖锐的刀刃状缺口；正面有大量的犁沟和鱼鳞状纹路，犁沟浅而宽，鱼鳞纹浅且间距大。局部的坑（沟）内壁较光滑，顶端呈刀刃状。失效机理分析：叶轮的损坏为典型的金属在固液两相流中的磨蚀破坏形式，在泥沙机械冲刷、汽蚀两种破坏因素的联合作用（磨蚀）同时伴随着电化学腐蚀，并且磨蚀损坏速率远大于海水腐蚀速率。造成循泵叶轮失效的直接原因是叶片的严重减薄和叶片端面的磨蚀穿孔。由于磨蚀破坏是磨损与汽蚀复合作用的过程，对抗磨蚀表面涂层材料的要求就相应变得苛刻，既要有一定的韧性来抵御汽蚀的侵蚀和流体的冲击挤压，又要有相当的强度和硬度，来抗衡泥沙的冲击磨损。在对叶轮叶片实施磨蚀保护的实验中，选取了典型抗磨蚀涂层材料WC10Co4Cr，采用 HVOF 方法制备涂层，比较了涂层与铸造本体抗磨蚀效果，并最终应用到核电的循环水泵改造中。
2 HVOF 涂层制备及磨蚀试验
2.1 涂层制备
超音速火焰喷涂（HVOF）技术是 20 世纪 80年代出现的一种新型高能火焰喷涂方法，近年来开始用于流体机械过流部件表面防护领域。该技术焰流速度高，温度低，制备的涂层结合强度高，硬度大，孔隙率低，适合喷涂耐磨损、耐中高温、耐冲刷涂层。
在经过对试验块表面除油、除污、除锈、喷砂粗化处理后，按以下参数实施喷涂：设备型号：JP- 8000；燃料：煤油；助燃气体：氧气；送粉气体：氮气；煤油量：6.0gph（22.73 L·h- 1）氧气量：1850 L·min- 1； 涂 层 喷 涂 距 离 ：380mm； 喷 涂 材 料 ：WC10Co4Cr；基材：45# 钢。
涂层厚度测量采用 TT220 数字式覆层测厚仪，分别在试块中心和四角位置取测点，得到涂层平均厚度为涂层厚度，见表 1。
本试验将涂层置于蔡司 AXIOVERT 200 MAT研究级倒置万能材料显微镜下进行观察，观察倍数100X，金相图片如图 2 所示。涂 层 显 微 硬 度 测 量 方 法[9]依 据 GB/T4340.1- 1999《金属维氏硬度试验 第 1 部分：试验方法》，采用 HD- 187.5 型台式维氏硬度计进行测量，试验负荷0.1N。测量沿涂层外侧向基体依次取五个测点，得到平均值作为该涂层的硬度值，见表2。
2.2 试验方法
在自制圆盘式磨蚀试验平台，将 WC10Co4Cr涂层和 45# 钢试件置于同一磨蚀环境下试验，测量不同时间间隔内试件的质量磨蚀量和涂层厚度减小量，得到不同涂层磨蚀曲线，并结合各涂层性能参数，对WC10Co4Cr涂层和 45# 钢抗磨蚀性能进行比较分析。
试验参数为：转盘旋转速度 2900r/min，转盘室压力0.1MPa，含沙水流量 45m3/H，试验介质为自来水和粒径 400 目市售石英砂混合，砂浓度为44.44kg/m3。作者选取累计磨蚀 24 小时、42 小时、50 小时三个时间点进行停机测量 。 称重采用AL204型电子天平测量，量程范围 0~600g，最小刻度值0.01g。
3试验分析
3.1 磨蚀前后试件表面形态比教
试块磨蚀前后表面形态对比如图 3 所示，图中可看出，试块的表面及边缘均出现不同程度的磨蚀，迎水面及背水面边缘为试块表面磨蚀相对严重区域，其中在迎水面边缘最前端（来流方向接触）磨蚀情况最为严重，金属涂层有不同程度剥落，并裸露出基材，边缘部位同时出现汽蚀点坑，无涂层保护基材试块边缘出现锯齿状磨蚀痕迹，点坑最深处大于0.1cm。
3.2 试件质量和涂层厚度数据
目前，对磨蚀量的表示没有统一的标准，我们借鉴汽蚀程度的表征方法来表示，其表征方法有：失重法、体积损失法、面积法、表面粗糙度法等，本文采用应用比较普遍，且易于操作的失重法，即根据试验材料试验前后的重量损失来计量，而后绘制失重率曲线来反映不同时间材料耐磨蚀性能。
表3、4 中分别给出了金属涂层试块和基材 45# 钢在377小时试验中的失重数据。将表 3、4 中金属涂层和基材试件失重情况绘制失重曲线图，如图 4 所示。从图中可以看出：（1）同样的磨蚀条件下，涂层和基材的累计失重量在磨蚀破坏初期增加十分相近，随着磨蚀时间的增加到125 小时，试块失重量增加逐渐拉大，这说明了磨蚀存在一个孕育期和上升期；（2）在两者失重量的比较中，初期失重相差不多，甚至 45# 钢失重量失重更少，这是因为涂层表面一般会有一层附着粒子或附着层，在磨蚀时会造成颗粒状脱落，造成质量在初期的较快流失。随着时间的增加，表面的附着层被磨蚀以后，涂层的抗磨蚀性能会有所提高，质量的流失开始逐渐小于基材试样。从长时间的试验可知，涂层的抗磨蚀效果要明显好于基材，可以将其应用于真机试验中。
4真机改造效果
本文选取 WC10Co4Cr 材料，采用相同的HVOF 工艺，对新的核电循泵叶轮叶片进行喷涂改造。根据叶轮表面磨蚀程度的不同，本文对喷涂厚度做了相应调整，磨蚀严重区域适当加厚。喷涂施工结束后涂层表面平整，过渡平滑。将叶轮每个叶片分为四个区域，即叶片正面、背面的加厚区域（叶片边缘向轴方向10cm） 和一般区域。每个区域边缘在长度方向上取四个测点，经过测厚仪器检测涂层厚度均大于 0.5mm，尤其在叶片外侧喷涂厚度大于0.9mm。由于喷涂过程对叶轮整体增重和叶片的增厚都很小，对后期动平衡调整十分方便，同时，对叶轮的流道曲线几乎没有改变，也不会对水泵性能产生影响。最后，刷涂 TX27 封孔剂。在 18 个月的运行后，磨蚀外貌如图 5 所示。整个叶轮最外层封孔剂在恶劣的磨蚀环境下，局部出现脱落，叶片迎水面及端面最为严重。实施喷涂涂层保护的叶片区域，金属涂层有受到磨蚀减薄，但整体完好，无脱落，而未实施喷涂区域因为出现封孔剂的块状脱落致使本体出现明显磨蚀痕迹，如口环处。
5 结论
综合分析热喷涂工艺特性，涂层材料和基材抗磨蚀特性的对比，以及核电循泵叶轮真机磨蚀试验结果，得出以下结论：（1）在相同的磨蚀环境下，热喷涂涂层的抗磨蚀能力要明显好于基材45# 钢，且有效的抗磨蚀时间越长效果越明显；（2） 本文采用 HVOF 喷涂手段及工艺得到的WC10Co4Cr 抗磨蚀金属涂层，既有高的硬度、强度来抵抗泥沙磨损，又有好的塑性与冲击韧性来防御汽蚀破坏，能提高实际叶轮的抗磨蚀寿命。
参考文献略
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