水力機(jī)械抗汽蝕表面防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望水力機(jī)械抗汽蝕外表防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

Abstract：Thereareoftenwearandcavitationproblemsoftheflowpassagecomponentsofhydraulicmachinery，whichaffectsthenormaluseofhydraulicmachineandcauseshugeeconomiclosses.Thispaperdiscussesthetwoproblems，andanalyzescavitationmechanismofthematerialandapplicationandprospectsofsurfaceprotectiontechnologyinanti-cavitationerosionofhydraulicmachinery.

Keywords：hydraulicmachinery；anti-cavitation；surfaceprotectiontechnology；applicationstatus；prospect

中圖分類號(hào)：TG174文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311〔2022〕11-0106-02

0引言

水力機(jī)械設(shè)備是構(gòu)成水電站的主要裝置，可以將水力能源轉(zhuǎn)化為電力能源。水力機(jī)械能否良好地運(yùn)行不僅直接與水電站的運(yùn)行狀況相聯(lián)系，還關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性和運(yùn)營(yíng)效益。相關(guān)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)目前運(yùn)營(yíng)中的水電站，半數(shù)以上都存在水力機(jī)械的過(guò)流部件尤其是轉(zhuǎn)輪的磨損和汽蝕的問(wèn)題。汽蝕破壞縮短了檢修周期，使檢修工作量增加了，既對(duì)電力生產(chǎn)產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響又造成了大量的人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)。因此，提高水力機(jī)械的運(yùn)行可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命，是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

1材料的汽蝕機(jī)理

水力機(jī)械的金屬材料出現(xiàn)磨損和汽蝕現(xiàn)象時(shí)，其損傷程度因其材料性能和運(yùn)行環(huán)境而異。根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究說(shuō)明，涂層材料和整體材料在抗汽蝕機(jī)理方面存在著較大的差別性；不同整體材料也有不同的抗汽蝕機(jī)理。對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)，其金屬屈服極限加大，汽蝕凹坑的平均深度會(huì)變淺。屈服極限高的金屬材料，沖擊脈沖能量主要耗費(fèi)于彈性變形；屈服極限低的金屬材料，沖擊脈沖能量主要耗費(fèi)于塑性變形。隨著金屬屈服強(qiáng)度的變化，汽蝕凹坑數(shù)也呈現(xiàn)出同樣的變化趨勢(shì)。

對(duì)相關(guān)研究成果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)：整體材料的汽蝕過(guò)程可以在大體上分成四個(gè)步驟，即孕育、升高、穩(wěn)定及衰退階段。對(duì)于熱噴涂層來(lái)說(shuō)，其涂層結(jié)構(gòu)多孔、呈層狀、粒子會(huì)發(fā)生氧化作用。氧化物和孔隙對(duì)于裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展會(huì)起到促進(jìn)作用，如果熱噴涂層的層次與層次之間沒(méi)有足夠的結(jié)合強(qiáng)度，裂紋就會(huì)一層一層逐步擴(kuò)展直至脫落，最終導(dǎo)致材料報(bào)廢，造成一局部經(jīng)濟(jì)損失。

2外表涂層防護(hù)技術(shù)在水力機(jī)械中的應(yīng)用

2.1高速火焰噴涂防護(hù)技術(shù)

高速火焰噴涂可以制成高質(zhì)量的涂層，采用這種工藝辦法對(duì)水力機(jī)械進(jìn)行抗汽蝕外表防護(hù)是近幾年開(kāi)展起來(lái)的。高速火焰噴涂而成的涂層具有接近鑄態(tài)組織、材料氧化少、孔隙率低、基體結(jié)合強(qiáng)度比擬高的優(yōu)點(diǎn)。高速火焰噴涂工藝能夠使機(jī)械設(shè)備的熱變形控制在較小的范圍內(nèi)，汽蝕率也比擬低，也不會(huì)影響到基體材料的結(jié)構(gòu)組織。建材市場(chǎng)中有一種金屬陶瓷應(yīng)用十分廣泛，其涂層主要由高速火焰噴涂制作而成。目前這種涂層也廣泛應(yīng)用在水力機(jī)械的抗汽蝕防護(hù)中，對(duì)水力機(jī)械起到了非常好的愛(ài)護(hù)作用。

2.2電鍍涂層防護(hù)技術(shù)

稀土鉻合金是電鍍涂層的主要應(yīng)用成分。電鍍涂層在應(yīng)用到水電站的水力機(jī)械中后，使其工作壽命比之前延長(zhǎng)了2倍。電鍍涂層在常溫下即可加工，涂層外表光滑，硬度到達(dá)了HV1000，不存在變形的問(wèn)題。所以，電鍍涂層擁有良好的抗磨蝕性和抗汽蝕性?？蛊g電鍍涂層也有一定的缺點(diǎn)，就是鍍層比擬薄，即使經(jīng)過(guò)14-16個(gè)小時(shí)的電鍍，其厚度仍舊在0.025-0.035厘米左右。電鍍涂層在泥沙含量和水流量比擬大的地方的使用性能仍舊不理想。

2.3熱處理和滲氮和滲鋁

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，將水力機(jī)械進(jìn)行熱處理，即低溫淬火和低溫回火之后，可以提高其抗磨損能力。另外，水力機(jī)械進(jìn)行滲氮和滲鋁處理之后，其部件的抗汽蝕性可以翻倍提高。但是其缺點(diǎn)是必須要整體進(jìn)行滲氮和滲鋁處理，不適合現(xiàn)場(chǎng)加工，受到了加工設(shè)備和空間的限制，只能在制造廠的車間內(nèi)進(jìn)行處理。

2.4涂刷高分子材料

現(xiàn)在的水力機(jī)械部件防護(hù)涂層中應(yīng)用比擬廣泛的高分子材料主要有陶瓷、橡膠、環(huán)氧樹(shù)脂、復(fù)合尼龍、聚氨脂等。高分子材料在涂層中的使用比擬有利的一面是：其韌性比擬好，本身就具備著很好的抗汽蝕性；施工過(guò)程比擬簡(jiǎn)單，對(duì)技術(shù)的要求比擬低；需要的溫度較低，不會(huì)引發(fā)熱變形，從而防止發(fā)生雙金屬腐蝕。不利的一面是：基體與涂層的結(jié)合強(qiáng)度比擬低，高分子材料涂層比擬容易脫落，從而影響其使用效果。高分子材料涂層比擬容易脫落，所以在其吊運(yùn)、拆裝的過(guò)程中都要采取相應(yīng)的措施避免退層的脫落，給現(xiàn)場(chǎng)工作增加了難度。

2.5噴熔

我國(guó)早在1985年左右就開(kāi)始使用噴熔技術(shù)來(lái)提高水力機(jī)械的抗汽蝕功能了。噴熔所采用的材料主要是司太立合金和Ni基合金等合金粉末，也有少數(shù)的材料是金屬陶瓷。

噴熔合金粉末擁有的優(yōu)勢(shì)在于：投資少、設(shè)備比擬簡(jiǎn)單、效率比擬高，適合現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行修復(fù)施工；如果噴熔的質(zhì)量比擬好，則基體與噴熔涂層的結(jié)合程度就會(huì)比擬好，涂層外表也比擬均勻，光滑平整，硬度也較高。噴熔合金粉末擁有的劣勢(shì)在于：質(zhì)量和熱變形不穩(wěn)定。噴熔的過(guò)程分為噴粉和重熔，在進(jìn)行高溫重熔之后，水力機(jī)械會(huì)產(chǎn)生比擬嚴(yán)重的熱變形。

為了防止產(chǎn)生熱變形，一般會(huì)采用分塊噴熔的辦法，結(jié)果導(dǎo)致了塊與塊之間結(jié)合的程度較差，在機(jī)械的運(yùn)行過(guò)程中這些部位容易形成裂紋并成為汽蝕源，汽蝕極易向基體進(jìn)行擴(kuò)展，從而造成嚴(yán)重?fù)p失。金屬陶瓷主要由粘結(jié)金屬相和金屬碳化物構(gòu)成，金屬陶瓷擁有陶瓷與金屬的雙重特點(diǎn)，耐高溫，彈性和硬度都比擬大，抗磨損性和抗汽蝕性的效果都比擬好。但是，金屬陶瓷涂層也有相應(yīng)的缺點(diǎn)，其脆性大，韌性也比擬差，價(jià)格比擬貴，外表打磨也比擬困難。而且在人工實(shí)施氧乙炔噴熔方式制作的金屬陶瓷涂層，其致密性與連續(xù)性比擬低，涂層中的產(chǎn)生的孔隙比擬容易導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)，而且其質(zhì)量和熱變形也很難控制。

2.6堆焊

在我國(guó)，比擬常用的水力機(jī)械抗汽蝕外表防護(hù)技術(shù)是堆焊法。其主要優(yōu)勢(shì)是現(xiàn)場(chǎng)施工比擬方便、技術(shù)成熟、設(shè)備較為簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：其焊層比擬厚、不均勻，且沖淡率較大，加工余量也比擬大；要求水力機(jī)械的基體材料必須要有比擬高的可焊性；工期比擬長(zhǎng)，費(fèi)用較高，打磨與焊接的強(qiáng)度、難度比擬大；易使轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生熱變形，對(duì)轉(zhuǎn)輪原有尺寸、外形造成影響；補(bǔ)焊部位的金屬晶體比擬容易變粗，并形成雙金屬效應(yīng)處理區(qū)，產(chǎn)生汽蝕。

3納米材料涂層的開(kāi)展前景

通過(guò)分析產(chǎn)生磨損及汽蝕的原因，我們可以知道，水力機(jī)械的抗汽蝕外表防護(hù)技術(shù)的要求是：第一，外表涂層應(yīng)該具備一定的耐腐蝕性；第二，外表涂層應(yīng)該具備一定的顯微硬度；第三，外表涂層應(yīng)該具備一定的韌性；第四，外表涂層應(yīng)該具備一定的強(qiáng)度，只有滿足這幾點(diǎn)要求，水力機(jī)械才能夠具備良好的抗汽蝕效果。但是，目前的單一金屬材料很難做到同時(shí)滿足這幾項(xiàng)要求。

納米材料是介于宏觀與微觀中間的介觀材料，所以有著其獨(dú)特的性能。隨著科學(xué)技術(shù)的開(kāi)展，人們對(duì)納米材料獨(dú)特的性能有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，有很多國(guó)家的研究人員都把研究重點(diǎn)放在了納米材料和納米材料的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用上。其中，有些學(xué)者的研究結(jié)果說(shuō)明，納米材料能夠同時(shí)提高金屬材料的韌性與硬度，這一特性滿足了抗汽蝕材料的要求。

圖1～3為武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力項(xiàng)目學(xué)院有關(guān)WC-12Co金屬陶瓷復(fù)合材料HVOF噴涂層抗汽蝕性能的最新研究進(jìn)展，其中C表示微米WC-12Co涂層，N表示納米結(jié)構(gòu)WC-12Co涂層，165為水輪機(jī)鋼ZG006Cr16Ni5Mo。圖1的結(jié)果說(shuō)明：相對(duì)于傳統(tǒng)微米結(jié)構(gòu)WC-12Co材料HVOF涂層，納米結(jié)構(gòu)WC-12Co材料HVOF涂層孔隙率更低，結(jié)構(gòu)更致密，涂層中的WC顆粒分布均勻且較細(xì)小。

從圖2中可以看出，納米結(jié)構(gòu)WC-12Co涂層的HV0.2硬度值從1379到1693，而微米WC-12Co的HV0.2硬度值從965到1120，納米結(jié)構(gòu)WC-12Co涂層的顯微硬度比微米WC-12Co涂層提高50%左右。

圖3的結(jié)果說(shuō)明：納米結(jié)構(gòu)WC-12Co材料HVOF涂層的汽蝕率僅為微米WC-12Co材料HVOF涂層的1/3，由此可見(jiàn)它