碳化钨热喷涂工艺在转轮活动导叶表面防护的应用
罗斌，孔德铭，张宏杰，王汝辉
水电站机电技术
黄河小浪底水利枢纽总装机容量为1800MW，安装6台半伞式300MW混流式水轮发电机组，其设计水头112m，额定转速107.14r/min，混流式转轮最大直径为6570mm，20片活动导叶。据1919年一1989年实施检测显示，黄河小浪底区段泥沙含量汛期平均为48.7kg/m3，非汛期平均为0.8kg/m3，属于高泥沙含量地带。高泥沙含量地带工作的机组，水论机转轮和活动导叶的磨损汽蚀加剧，很容易导致这两大重要主部件早期的过度损伤，影响机组的安全运行。因此对转轮和活动导叶显得尤为重要。小浪底水利枢纽机组转轮和活动导叶表面防护，采用了与国内常用陶瓷表面防护形式不同的混合耐磨合金粉热喷涂工艺。这种工艺形成的防护涂层具有良好的延展性、很高的表面附着力和抗氧化性，具有良好的抗磨、抗汽蚀性能。
摘要:水轮机过流部件中，转轮和活动导叶的流体磨损，汽蚀损伤是最严重的，尤其在高泥沙含量中工作的水轮发电机组。为保障水轮机发电机组的安全运行，对转轮和活动导叶表面防护技术的研究十分重要。
关健词:热喷涂工艺;转轮;活动导叶
1表面防护区域及技术保证
活动导叶正背面的进出口区域和接近上下端部区域;上下抗磨板表面。转轮叶片进出水区域和靠近下环高速水流区域;下环表面;上下止漏环表面等。总防护面积180mm“其中转轮防护区域125mm2以达到对这些重点磨蚀区域的保护。并保证8000h转轮重量损失不超过50kg，相当于正常磨损表面有泥沙水流造成的最大气蚀深度不超过5mm对于喷涂区域沟槽深度不超过1.5mm，对于涂层与无涂层区域过度带保证不超过3mm保证期内防护涂层脱落不超过总面积的10%。
2防护涂层特性
2.1涂层原料
83%碳化钨、17%钻混合细微化粉料。
2.2涂层形成原理
涂层为高速燃料热喷涂工艺，这种工艺是利用氧气和燃汽混合燃烧产生高速热流。热流将抗磨粉料加速加热，以接近音速的速率喷射到被喷涂表面。通过对热流热交换形成高可塑性半熔颗粒束流。当这种束流冲击到母材表面，其动能和高温转化为热能，冲击瞬间热能部分被母材吸收，这样就形成了高粘结强度、低残留应力、空隙小、硬度高，有韧性和延展性的抗磨性强的抗磨薄层。
2.3涂层性能参数
涂层粘结强度约为:80N/mmZ(实测75N/mm2);硬度约为:70HRc~80HRc;表面光洁度Ra3.2µm~Ra6.4µm。涂层厚度0.4mm士0.1mm。
3设备结构原理
热喷涂工艺设备主要由物料输送系统、燃料燃烧系统以及控制电路和辅助部件组成。见图1。
(l)物料输送控制系统是实现对喷涂物料的输送，使喷涂物料源源不断的被输送到喷枪内。物料输送控制系统是通过气体输送泵原理，由氮气将物料通过输料管送至喷枪。同时为了能使储料斗内的物料均匀且源源不断的被吸人气体输送泵内，储料斗下方加装空气振动装置。为防止物料在储料斗中板结变块，在储料斗中心加装氮气疏松吹松装置。物料输送控制，是通过工控机驱动电磁气阀控制操作氮气。再由操作氮气操作气动隔膜阀，控制物料输送泵的启停。而整个物料输送控制系统的启停控制是通过电缆线连接在喷枪手柄上的启动按纽。从而实现远控操作，这样就可实现物料供停的即时性。物料输送控制系统用气，除了振动装置用低压空气外，其余操作用气、动力用气都使用氮气，这样就保证了物料在输送加热过程中不被氧化。
(2)燃气输送和控制系统是实现对喷涂物料进行加速和半液化，使物料束流能附着在被喷涂物的表面。燃汽输送和控制系统由气体控制柜、氧气源、液化汽源、氮气源、低压空气源和各设备之间的联结管路、过滤器、干燥器、回火阀等构成。液化汽、氮气、氧气分别通过各自的专用管线接人气体控制柜。再由气体控制柜通过管线接人喷枪。在喷枪的火焰管中液化汽和氧气混合燃烧，加热加速喷涂物料，使物料形成高速束流，射向被喷涂工件表面形成涂层。
4喷涂过程工艺控制
为保证在转轮和活动导叶的被保护面能形成长期稳定有效的涂层.对喷涂工艺的控制是很有必要的.具体如下:
(1)被喷涂母材表面要求洁净度很高，因此需要用2()目石英沙对被喷涂表面进行喷沙处理，这样不仅可以保证其表面的洁净，还可增加涂层与母材的融合面积。
(2)喷沙处理完毕到喷涂的时间，间隔不得大于5h，超过时限必须重新喷沙处理。
(3)喷涂料粉要求干燥，不能有板结现象，装料前可以摇匀料粉。
(4)对喷涂环境要求干燥。
(5)被喷涂表面要求预热干燥，温度控制在18一180C之间。
(6)喷枪一与喷涂表面的距离控制在203一254
5设备调试
小浪底发电厂使用的这套喷涂设备的物料输送系统控制柜，是根据枪头燃料的压力、火焰温度、气体动能来设定物料的输送量。因此物料输送控制柜对物料输送的出量，设定为常量(4.45kg/h+/一0.40kg/h)。若物料出量过大，则导致枪头火焰的热能对物料束流的半液化程度不够;分配到物料颗粒_L的动能不足，这样就使得物料束充与母材的粘结力下降，导致粘结强度不足，不能形成长期稳定有效的抗磨防护层。若物料出量过小，则会导致效率下降和物料束流过渡被液化或被汽化引起的工件表面涂层形状不稳定等现象。为能使喷涂物料束流达到所必需的速度和热能，需要消耗大量的能量，因此燃气的消耗量大，并且对燃气的质量要求很高，尤其是对液化气纯度要求很高，一般纯度不低于95%，含硫量不大于0.2%。为保证液化气在出瓶后能充分汽化，必须保证液化气瓶温度在40C一70oC之间，空气出口压力在0.35MPa以上，氧气压力在1.04MPa左右.氮气压力在1.04MPa左右。在气体控制柜上要求控制流量，保证氧气、液化气、空气流量为1.42m3/h。
6特点
碳化钨和钻合金喷涂表面防护工艺与陶瓷表面防护工艺相比，具有表面涂层形成快捷方便、涂层厚度薄且不易脱落、涂层均匀、形状稳定等优点。由于喷涂层附着在工件表面成形均匀，所以不会对转轮造成动不平衡和静不平衡问题。缺点是对环境条件要求较高，在现场喷涂的环境条件不易保证，涂层厚度范围要求较严，且工艺过程较难控制和掌握等。
7结论
黄河小浪底水利枢纽1~6号水轮发电机组，转轮和活动导叶表面抗磨防护，采用这套喷涂设备操作工艺，现场环境条件要求较严，且条件苛刻，这也是直接影响涂层形成质量的的主要因素。由于工地现场条件所限，不能完全满足工艺条件的全部要求，因此现场完成的喷涂，不可避免出现一些涂层局部斑脱的现象。这部分斑脱的主要原因是由于局部喷涂厚度过大，或被喷涂表面清理不彻底引起的。就黄河小浪底6“机转轮和活动导叶喷涂效果看，历经16100h的运行，检查磨损和脱落情况。发现在活动导叶上端轴与叶片结合部位有脱落现象，但脱落面积很小，分析其原因，可能是由于结合根部没有实现涂层过渡引起的局部过厚和此处形成的强涡流导致。在活动导叶其它部位未发现明显脱落现象。涂层磨损量监测，损耗极小(从转轮对称4点取样显示和20片活动导叶正负压侧、大小头共设180个点检测显示，机组经过16100h的运行，其磨损量为0.003一0.008mm)。转轮进出水边、叶片正负压侧无明显脱落现象，磨损量极小，但在下迷宫环上沿出现因汽蚀造成的锯齿环边十分明显(此部位是保护区域的分界，同时也显示把保护区域和未保护区域之间的明显差异)。小浪底水电站发电机组运行时间相对较短，碳化钨和钻合金形成的涂层表面的长期抗磨防护能力，还需做进一步的数据采集和研究分析，但就目前1号一6号机组转轮和活动导叶总体防护效果来看，其抗磨防护和抗汽蚀性能良好，效果明显。
图略
参考文献略
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