水轮机抗汽蚀合金涂层性能评价

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(1. 云南电网有限责任公司 电力科学研究院，昆明 650217； 2. 云南电力试验研究院(集团)有限公司，昆明 650217)

随着经济社会的发展，电力需求不断提升，与此同时电力工业建设也突飞猛进，促成一批大型骨干水电厂建成投产，水轮发电机组已经向大型化、高水头方向发展[1]。水轮机过流部件在长期运行后普遍存在汽蚀问题，严重影响了水轮机的性能与服役寿命。提高金属材料的抗汽蚀性能可从两方面入手：一是开发抗汽蚀性能更优异的新型金属材料；二是从材料构件表面着手，利用先进的表面工程技术对过流部件提供表面防护[2-4]。近年来国内外学者对金属材料表面抗汽蚀涂层进行深入研究，研究内容主要集中在利用现代表面改性技术，如激光表面改性技术、等离子表面改性技术、热喷涂技术、渗氮和堆焊等方法[5-8]。热喷涂技术制成的涂层，具有结合强度高、适用材料广等特点，在有耐磨和耐腐蚀要求的环境中广泛应用[9-10]。采用超音速火焰喷涂技术可以在合金表面形成硬质合金，该硬度合金兼有耐磨损耐高温或耐磨损耐腐蚀的特点[11-12]。目前已有学者使用超音速火焰喷涂技术制备了CuNi涂层、Ni46涂层、钴基合金、Ni基/WC和Fe基涂层，性能分析结果表明采用该技术制备的涂层结构致密、孔隙率低，表现出良好的抗汽蚀性能[13-16]。

Stellite6、Stellite21为司太立合金，Sus316L为日本Sus系列不锈钢，Deloro60和JK135为镍基合金，这5种合金均具有耐大气腐蚀和耐磨损的特点。本工作根据水轮机转轮汽蚀特点，选取Deloro60、Stellite6、Stellite21、Sus316L、JK135五种耐蚀合金为喷涂材料，使用超音速火焰喷涂技术在水轮机叶片表面进行喷涂，研究了涂层的涂覆质量、组织成分，并通过模拟汽蚀试验和实际工况运行评定合金涂层的抗汽蚀性能。

1 试验

基体材料为水轮机叶片通用材料Q235-C钢，其显微组织如图1所示，组织由条状铁素体和珠光体组成。将基体材料加工成150 mm×100 mm×8 mm的试样。喷涂前对基体试样表面进行砂纸打磨，再用酒精清洗表面,干燥后待用。采用美国DELORO.STELLITE(集团)公司生产的JET-KUTE超音速喷涂系统及JK3000型喷枪，分别将5种喷涂材料喷涂在基体试样表面，形成厚度为50 μm的合金涂层。喷涂材料为Deloro60、Stellite6、Stellite21、Sus316L和JK135，其化学成分如表1所示。

图1 Q235-C显微组织Fig. 1 Microstructures of Q235-C

使用MiniTest600BFN涂层测厚仪对5种合金涂层进行测厚，测量时在试样表面按纵横20 mm间隔划方格线，以每个20 mm×20 mm方格的中间点为测量点进行测量。用维氏硬度计测量合金涂层的表面硬度，载荷为294 N。采用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)对涂层组织和结合面进行观察，并用能谱仪(EDS)对涂层表面进行成分分析。

采用XL2020超声振荡汽蚀试验机对涂层进行汽蚀试验，并对其进行失重分析，汽蚀设备如图2所示。试验振动频率为20 kHz，振幅为60 μm，试验介质为蒸馏水，试验温度为室温。试验前将喷涂试样用无水乙醇超声清洗，并用电子天平称量，将母材试样研磨、抛光，再超声清洗称量。每隔1 h，将试样取出超声清洗并称量。

将喷涂有5种合金涂层的试样装在某电厂机组尾水管汽蚀最严重部位，运行3 850 h后对试样进行称量得出质量损失率，并测量涂层脱落面积得出面积脱落率，以评价其在实际工况下的抗汽蚀能力。

图2 汽蚀机简图Fig. 2 Sketch of cavitation testing equipment

2 结果与讨论

2.1 涂层涂覆质量与组织成分

由图3可以看到:除Deloro60合金涂层厚度超过60 μm外，其余四种合金涂层的厚度均在40 μm左右，厚度偏差在10 μm左右，喷涂表面较为均匀，具有良好的喷涂质量。

图3 5种合金涂层的厚度Fig. 3 Thickness of 5 kinds of alloy coatings

将试样截面在扫描电镜下观察，如图4所示。由图4可以看到：涂层与基体之间结合紧密，没有出现涂层与母材脱开等现象。对试样截面进行显微组织观察，结果如图5所示。由图5可以看到：涂层与基体之间结合良好，基体组织为铁素体+珠光体，涂层中可以观察到黑色碳化物，合金中的碳化物具有较高的硬度，对其有良好的强化作用。在选用的五种合金材料中，镍基合金Deloro60、JK135和铬基司太立合金Stellite6、Stellite21基体分别为Ni、Co，这两种金属具有较低的奥氏体转变温度，晶体结构转变是一个缓慢的过程，其面心立方的奥氏体结构可以保持到室温。而Sus316L不锈钢中由于加入了Ni元素，奥氏体相区扩大，同样在晶体结构的转变过程中可以使面心立方的奥氏体结构保留至室温。奥氏体转变温度降低后,保留至室温的面心立方奥氏体相具有较少的滑移系，使合金涂层在一定程度上得到强化。另一方面，在合金涂层冷却的过程中会有碳化物析出，强硬的碳化物存在于奥氏体相之间，进一步使涂层得到强化。

由于热喷涂表面沉积层是热喷涂沉积点融合和重叠的结果，所以表面形貌由无数密集的沉积点和凹坑构成，所以热喷涂合金涂层的表面呈银灰色的 桔皮状，如图6所示。这种表面形貌有利于储存润滑介质及改善工件表面的减磨性。分别对合金涂层表面进行能谱分析，结果如表2所示。结果表明：各合金涂层的成分与原材料成分接近。

图4 典型喷涂试样截面形貌Fig. 4 Typical morphology of cross section of sample with coating

图5 典型喷涂试样截面显微组织Fig. 5 Typical microstructure of cross section of sample with coating

(a) Deloro60 (b) Stellite6 (c) Stellite21

(d) Sus316L (e) JK135图6 合金涂层的表面形貌Fig. 6 Surface morphology of alloy coatings

2.2 涂层性能分析

对耐蚀合金涂层进行表面硬度测量，结果如图7所示。由图7可以看到:Deloro60合金涂层表面硬度最高，达到621 HV。相较与其余四种耐蚀合金不同，Deloro60合金中加入了B元素，在高温喷涂过程中，B会在合金层中生成硼碳化合物，其硬度比碳化物硬度高，因此Deloro60合金涂层具有更高的表面硬度。材料的硬度可以直接反映其耐磨性能，硬度越高耐磨性能越强。同时材料的硬度也可以间接反映其强度，一般硬度越高的材料具有越高的强度。由此可推知Deloro60合金具有较好的耐磨性能和较高的强度。

在使用汽蚀试验机对喷涂试样进行5 h的模拟汽蚀试验后，对合金涂层表面进行扫描电镜观察，结 果如图8所示。由图8可以看到:经过模拟汽蚀试验后，合金涂层表面都发生了破损，表面为碎块附着的形貌。汽蚀试验后各试样都有一定程度的质量损失。由图9可以看到:各试样的质量损失随时间延长而增加;其中，Sus316L合金涂层的质量损失最多，试验5 h后达到65.5 mg；Deloro60合金涂层的质量损失最少，为8.9 mg。以上结果说明Deloro60合金涂层的抗汽蚀性能强于其余四种合金涂层的，与硬度试验结果相符。

图7 各合金涂层的硬度Fig. 7 Hardness of alloy coatings

在实际工况条件下，各合金涂层的质量损失率如图10所示，面积脱落率如图11所示。由图10可以看到:在实际工况下，无喷涂基体材料的质量损失率为5.0%，合金涂层的质量损失率低于基体材料的，合金涂层有效提高了水轮机叶片的抗汽蚀能力，其中Deloro60合金涂层的质量损失率最低，仅为 1.6%，抗汽蚀能力最强。由图11可以看到:5种合金涂层经过汽蚀之后，边缘涂层均发生局部脱落，Deloro60合金涂层的面积脱落率最低，为0.26%，表现出优良的抗汽蚀能力。

(a) Deloro60 (b) Stellite6 (c) Stellite21

(d) Sus316L (e) JK135图8 模拟汽蚀试验5 h后合金涂层的表面形貌Fig. 8 Surface morphology of alloy coatings after simulated cavitation test for 5 h

图9 模拟汽蚀试验中各合金涂层的失重曲线Fig. 9 Weight loss curves of alloy coatings in simulated cavitation test

图10 实际工况条件下各合金涂层的质量损失率Fig. 10 Weight loss ratios of alloy coatings under real work condition

图11 实际工况条件下各合金涂层的面积脱落率Fig. 11 Area loss ratios of alloy coatings under real work condition

3 结论

(1) 利用超音速喷涂技术制备的Deloro60、Stellite6、Stellite21、Sus316L、JK135耐气蚀合金涂层，可减缓水轮机固定导叶、活动导叶、密封环、转轮、尾水管等过流部件的汽蚀速率。

(2) Deloro60、Stellite6、Stellite21、Sus316L、JK135涂层的组织中具有碳化物，碳化物的存在对合金涂层有强化作用，提高其耐磨性。

(3) 与其余四种合金涂层相比,Deloro60合金涂层表面硬度最高，达到621 HV；同时在5 h模拟汽蚀试验中质量损失最少，仅为8.9 mg；在3 850 h实际工况条件下试验后质量损失率和面积脱落率均为最低，分别为1.6%和0.26%，在梯级电站水轮机过流部件纯汽蚀环境中有较好的综合性能。