水轮机叶片表面抗磨蚀技术研究现状

水轮机叶片表面抗磨蚀技术研究现状
谌昀;周新;付青峰
【摘要】水轮机叶片在运行过程中，由于受到高速水流的冲击、气蚀作用，以及水流中夹杂的泥沙等介质的摩擦和切削作用，造成叶片磨损、磨蚀破坏，形成局部腐蚀，从而影响水轮机的出力和运行效率，因此，对水轮机叶片进行表面处理是提高叶片抗磨蚀能力的有效方法之一。

从水轮机叶片磨蚀特征、磨蚀机理以及其影响因素等角度来说明水轮机叶片磨蚀破坏的本质，为水轮机叶片选材及耐磨蚀工艺的研究提供依据。

同时，还阐述了水轮机叶片耐磨抗蚀金属涂层的主要制备技术，并对未来表面处理技术提出展望。

%Water turbine blade in the process of operation were easy to make blade wear, abrasion damage and formation of local corrosion,due to the impact of the high-speed flow,cavitation effect, friction and sand in the stream media and cutting action,thus results to affect the turbine output and efficiency. Therefore,the surface treatment of turbine blade is one of the effective methods to improve the abrasion resistance of the blade. This article explain the essence of the turbine blade abrasion from the turbine blade abrasion characteristics,abrasion mechanism and its influencing factors,and it provides the basis for the research of turbine blade material and abrasion resistant technology. At the same time,also expounds the turbine blade abrasion resistance corrosion main preparation technology of metal coating,and surface treatment technology is put forward outlook in the future.
【期刊名称】《江西科学》
【年(卷),期】2015(000)004
【总页数】5页(P593-597)
【关键词】水轮机叶片;磨蚀;表面处理技术
【作者】谌昀;周新;付青峰
【作者单位】江西省科学院江西省铜钨新材料重点实验室，330029，南昌;江西莲花水轮机厂有限公司，337100，江西，萍乡;江西省科学院江西省铜钨新材料重点实验室，330029，南昌
【正文语种】中文
【中图分类】TG174
水轮机中过流部件在运行一段时间后，普遍存在磨损磨蚀现象，其中尤以水轮机叶片最易产生磨蚀现象，这是因为水轮机叶片长期浸没于高速旋转的水流中，不仅受到高速水流的射流冲击、气蚀及机械力的作用，而且还受到水流中夹杂的泥沙等介质的摩擦和切削作用，造成水轮机叶片磨损、磨蚀破坏，形成局部腐蚀，从而使水轮机在运行中产生噪音、震动，降低水轮机的出力和运行效率，最终导致水电站机组安全稳定运行[1-2]。

据有关资料报道[3-4]，截止2013年底，我国水利发电总装机超过2.8亿kW，居世界首位，但每年因水轮机过流部件的磨蚀现象，导致水利发电设备用于更换、修补的费用开支非常庞大，影响电站的经济效益。

因此，解决水轮机过流部件尤其是水轮机叶片磨蚀问题十分迫切。

目前，我国在水轮机叶片的表面防护方面采取的最经济、最有效的方法是利用表面处理技术在水轮机的叶片上表面覆一层高耐磨高耐蚀涂层，可以对水轮机叶片进行有效保护，从而延长水轮机的运行寿命，提高水电站的经济效益[5]。

本文从水轮
机叶片磨蚀特征、磨蚀机理等角度介绍了水轮机叶片表面防护措施，认识磨蚀破坏本质，可正确指导选材及进行耐磨蚀工艺的研究，对于解决磨蚀问题具有重要意义。

同时，介绍了目前制备耐磨损抗腐蚀涂层的主要表面技术的研究现状。

在水轮机运行过程中，水轮机叶片在高速水流和泥沙、碎石等坚硬介质的多重作用下使水轮机叶片材料发生破坏，其破坏形式主要气蚀磨损和泥沙磨损，而水轮机叶片磨蚀就是在这两种磨损的综合作用下而发生的叶片破坏现象。

1.1 气蚀磨损及其机理
水轮机的气蚀是水轮机运行中一种常见的现象，它对水轮机的运行质量有很大影响，同时严重影响水轮机的安全与寿命，有人称气蚀是水轮机的“癌症”，因此了解气蚀的机理，防止气蚀的发生，对减轻水轮机叶片的破坏具有重要的意义。

水轮机气蚀包括空化和空蚀2个过程，空化是液体中形成空穴使液相流体的连续
性遭到破坏，发生在压力下降到某一临界值的流动区域中。

空蚀是指由于空泡的溃灭，引起过流表面的材料损坏。

在空泡溃灭过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。

空蚀是空化的直接后果，空蚀只发生在固体边界上。

气蚀发生过程如图1所示，其中P代表过流通道中的水压力，Pn表示为临界压力(一般接近水
汽化压力)，其对水轮机叶片主要破坏特征：有潜伏期的，从金属变色(表面灰暗)
麻点(针孔状)→海绵状(表面十分疏松)，鱼鳞坑→孔洞、沟槽、裂纹等，破坏表面
则无金属光泽[6]。

1.2 泥沙磨损及其机理
泥沙磨损机理是一个很复杂的问题，一般认为是由于机械和化学作用的结果，当然主要是由于机械的作用。

当水流中的泥沙冲撞过流表面瞬间，可能产生高温高压，那么在高温高压作用下，因为水中含有气体，就很容易使金属表面氧化，使金属表面的保护膜被破坏——产生局部腐蚀。

再加上泥沙不断冲击金属表面，就更加速
金属保护层的破坏。

另外，由于坚硬的泥沙硬度一般高于金属材料的硬度，而且沙
粒形状各异，有尖锐的菱角形、圆形等，都以很高的速度出现在材料表面上。

当尖角沙粒以平行材料的表面移动，使接触点产生横向塑性流动，切下一定数量的微体积材料，这相当于微切削过程。

在垂直冲击下，尖角沙粒同材料接触时，尖角会转动，这也存在微切削效果，但切削能力不如小冲角。

圆形沙粒垂直冲击在材料表面会产生反复的塑性变形形成凹坑。

这些塑性降低，脆性增加的堆积物将重新受压移位。

同时在合适的沙粒冲角下，易被直接剪断——属变形磨损。

泥沙对过流表面的磨损过程，相当于变形磨损和微切磨损的复合作用。

泥沙磨损破坏特征：泥沙磨损破坏是无潜伏期的，具有擦痕→沟槽→鱼鳞坑的破坏特征，破坏表面仍呈金属光泽[7]。

1.3 磨蚀及其影响因素
目前，对磨蚀较为普通的理解是指在气蚀和泥沙磨损的联合作用下对水轮机部件的破坏作用。

但实际上，水轮机的磨蚀破坏是多方面的，不仅仅是气蚀与磨损两者的耦合作用。

还受水轮机运行过程中设备本身产生的影响(如运行脉动、携沙水流粘滞力的研磨作用、带电粒子的作用和水温变化等)，以及流道中腐蚀性的物质及微生物等对过流部件的腐蚀等作用。

随着磨蚀程度的加剧，水轮机的抗磨能力下降。

它们会直接或者间接地影响着水流性质与水轮机的磨蚀破坏。

根据文献[8]的研究，提出一种新的水轮机磨蚀计算公式，见如下：
式中Ψ为磨蚀量；T为水温;V为流速；Q为气体含量；N为泥沙含量；J为颗粒级配；Y为泥沙硬度；R为电导率、pH值影响的综合参数；X为颗粒形状系数；K 为金属材料的抗磨蚀系数；ξ为过流表面的光洁系数；M为脉动系数；D为水轮机直径。

由此可知，影响水轮机磨蚀的因素很多，但概况起来，主要可从2个方面考虑，一是内因，即水轮机本身材质的几何特征(如水轮机外观设计)和综合力学性能(如硬度、强度、光洁度和耐磨性等)；另一方面是外因，即从水轮机运行环境，如水
质(水流速度、水温、pH值和气体含量等)和泥沙特性(含量、颗粒大小、硬度和几何形状等)。

技术
由上述可知，水轮机叶片磨损磨蚀破坏的主要因素包括内因和外因。

一般来说，水轮机运行环境无法选择，而且对外因的改造，一是工程大，二是成本高，也无法从根本上解决耐蚀问题。

目前，国内外主要从水轮机叶片本身即内因来考虑叶片的保护问题，在水轮机叶片表面进行耐磨保护涂层是目前水轮机叶片抗磨蚀的主要措施之一。

2.1 涂层材料选择
目前，已应用于水轮机叶片抗磨耐蚀涂层材料主要分为两大类，一是非金属涂层材料[9-10]，如EP金刚砂、S80、聚氨酯橡胶、热喷涂尼龙和高分子聚乙烯等材料。

尽管该技术具有取材方便、价格低廉、施工简单、无需消耗热能和电能、成本低等优点。

但涂层与基体结合力的牢固程度无法保证，且与基体材料的粘结强度都在
20 MPa以下。

另外，涂层易受机械损伤，故在运行中寿命不长，易脱落。

二是金属涂层材料[11-12]，在普通碳钢或低合金结构钢等母材表面进行覆层处理，如钨
系抗磨蚀材料WC-M(M代表Co、Ni、Fe、Cr、Si、Mn、B等)、铬系抗磨蚀材
料(稀土铬)、钴系抗磨蚀材料(CoCrWC合金材料)、Ni基合金、Stellite合金和金
属陶瓷涂层等。

2.2 耐磨金属涂层的制备技术
由于金属涂层具有高强度、高硬度和良好耐蚀性，既节约了贵重金属，又能使水轮机叶轮片表面得到保护，因此，选用普通材料作为叶轮片母材，而对其表面进行覆层处理是对水轮机叶片保护中又经济又实用的有效方法。

2.2.1 热喷涂热喷涂技术是一种将涂层材料送入某种热源(电弧、燃烧火焰，等离子体等)中加热至熔化或半熔化状态，并利用高速气流将其喷射到基体表面形成
涂层的工艺，其工作形成过程见图2所示。

赵辉[13]等采用超音速火焰喷涂(HVOF)分别制备了纳米结构、双峰结构及微米结构的WC-12Co金属陶瓷复合涂层，并进行了不同结构WC-12Co涂层的泥浆冲蚀磨损试验，结果表明，超音速火焰喷涂制备的纳米结构及双峰结构的WC-12Co 涂层结构致密，硬度高达1 500 HV0.2，具有良好的抗泥浆冲蚀性能。

2.2.2 熔覆技术熔覆技术是以堆焊技术为基础原理兴起的一种新型表面涂覆技术，它是将合金粉末(经特殊处理如高温熔炼、球化处理、机械研磨等)用粘结剂(如水玻璃、松香油、酚醛树脂等)调和后，均匀地涂覆在基体表面上，在一定温度下烘干，然后利用高温热源(如电、激光、等离子、高频感应等)进行处理，使合金粉末熔化，最终熔覆材料与基体进行冶金结合，并在基体表面形成一层涂覆层。

由于熔覆层与基体之间成冶金结合，连接强度高，涂层组织均匀细小，因此，涂层的综合性能高，在水轮机过流部件表面保护方面得到广泛的应用。

徐鹏[14]等利用5 kW横流CO2激光加工设备在45钢表面进行激光熔覆304不锈钢涂层。

研究结果发现，熔覆层主要由铁素体和奥氏体双相组成，自界面处到顶端逐渐由单一粗大的柱状晶向尺寸约为5～8 μm的致密细小的等轴晶过渡。

在15%FeCl3溶液中进行24 h化学浸蚀试验，结果显示，基体材料被腐蚀而熔覆层无明显变化，表明激光熔覆304不锈钢涂层具有良好的耐腐蚀性能。

杨皓宇[15]等利用氩弧焊设备在45钢表面进行氩弧熔覆WC颗粒增强的耐磨复合涂层。

研究结果发现，熔覆层组织呈现出垂直于结合界面逆热扩散方向的特点，具有典型的定向凝固特征，熔覆层底部枝晶向基体延伸，并且在熔覆层还发现部分弥散分布的WC颗粒。

熔覆层的显微硬度由表至里呈梯度递减分布，表层最高可达1 277.1 HV0.1，涂层过渡区硬度也高于基体，熔覆层的耐磨性大约是基体(45钢)的6倍。

吴玉萍[16]等采用等离子熔覆技术在1Cr18Ni9Ti不锈钢表面制备Ni60+TiC等离
子熔覆层，对熔覆层的汽蚀特征进行了研究发现，整个熔覆层内未见裂纹、气孔等缺陷，涂层与基体之间存在明显的白亮层，说明两者之间呈冶金结合。

熔覆层的组织由TiC、γ-Ni固溶体及γ-Ni固溶体与硼化物的共晶体组成，这种复合熔覆层具有高的硬度(800 HV0.2)，抗汽蚀性明显优于ZG06Cr13Ni5Mo钢。

两者的汽蚀形貌相似，均具有“扁形形貌”；Ni60+TiC等离子熔覆层的汽蚀破坏首先从γ-Ni基体与TiC陶瓷颗粒的界面开始，同时γ-Ni基体产生塑性变形、裂纹、碎裂，当其不再包覆TiC陶瓷颗粒时，TiC颗粒脱落；ZG06Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢的汽蚀破坏起始于马氏体板条界。

Ni60/TiC 涂层的抗汽蚀性明显优于
ZG06Cr13Ni5Mo不锈钢。

2.2.3 沉积技术目前，应用于水轮机叶片表面处理的沉积技术，主要包括气相沉积和电火花沉积。

由于沉积技术热输入量小，沉积涂层的残余应力和变形也小，对水轮机叶片的基体组织影响并不明显，既提高了叶片的耐腐蚀性，又保障了水轮机叶片的几何设计要求。

陈龙[17]等采用电火花沉积技术在45钢表面制备了YG8多层沉积涂层。

研究结果表明，通过优化的多层沉积工艺参数可以获得组织均匀致密且与基体呈冶金结合的沉积层，且比单层沉积层厚度更大、孔隙更少，这主要是因为电火花沉积是快速加热后迅速冷却的过程，生成的新相奥氏体极不均匀、形核率提高导致组织细化，同时，快热快冷的过程也使空位和位错增加，促使新相形核，以及沉积过程中电极与基体在不断的撞击中产生的弹性应变和温度等效应变，在这些共同作用下导致了沉积涂层组织的细化。

通过XRD衍射谱分析，沉积层主要由Fe3W3C、Co3W3C、W2C和Fe2C等相组成；沉积层的最高硬度为1 785.7 HV，平均硬度为1 677.3 HV，其耐磨性能是45钢基体的2.1倍，这主要是因为沉积层中弥散分布有大量的超细碳化物颗粒起到弥散强化及细化强化的作用，同时由于电火花沉积是快热快冷的过程，沉积层中存在着较高的残余应力和高密度的位错，这些因素共同导致沉
积层的硬度和耐磨性能得到提高。

王建升[18]等采用激光熔覆工艺和电火花沉积工艺在Q235钢上熔覆铁基合金粉末和WC陶瓷硬质合金，形成复合涂层。

研究结果显示，复合涂层与基体呈冶金结合，复合涂层中电火花区域中细小的硬质相弥散分布于沉积层中，导致复合涂层的显微硬度呈现梯度分布，电火花沉积层的硬度最高可达1 262.9 HV，电火花沉积
区域与激光熔覆区域之间的过渡区域的显微硬度为884.8 HV，而激光熔覆区域的显微硬度平均值为578.3 HV，复合涂层的耐磨性较基体耐磨性提高2.3倍，强化
层的磨损机理主要是磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损。

2.2.4 复合表面技术为了适应新的要求，水轮机叶片表面保护新技术也必将不
断出现，不仅单一的表面技术在不断创新，研究复合表面技术也就是同时综合运用2种或2种以上表面技术进行复合处理也在实际中得到应用，这种复合处理技术不仅使工件材料表面体系在技术指标、寿命上达到要求，而且稳定性和经济性等方面也获得最佳的效果。

目前研究者已开发的复合表面工程技术，如热喷涂与喷丸强化复合[23]、激光处理与化学热处理复合[24]、热喷涂与激光熔覆的复合[25]和热喷涂与化学镀的复合[26]等。

除上述方法外，我国采用较多的抗磨蚀涂层制备技术包括：电镀[19]、离子渗氮[20]、堆焊[21]和喷焊[22]等方法。

但这些方法均存在问题，比如电镀法制备的镀层厚度很薄，在水质差的电站很容易磨损掉，而堆焊法冲淡率大，焊后容易变形，并容易使叶轮片产生过热效应而降低叶轮片的机械强度。

水轮机叶片是水力发电机组关键的部件，对水电站安全运行起到至关重要的作用。

因此，研究水轮机叶片的磨蚀机理，以及对其的表面防护措施的研究十分必要，这对提高水电站的经济效益、延长水轮机组寿命等方面有着极其重要的意义。

尽管水轮机磨蚀防护的方法较多，但随着科学技术的发展和水利水电工程越来越高的要求，在实际应用中每种方法都有其优点和局限性。

最新发展起来的复合表面处理技术，
在水轮机叶片保护和修复方面都具有其独特的优势，并具有较高抗磨蚀性能，已经成为国内外比较关注的防护方法，具有广泛的应用前景。

【相关文献】
[1] 江强,周细应.表面涂层抗空蚀性能的研究进展[J].材料保护,2012,45(1):45-47.
[2] 张广,魏显著,刘万江.水轮机抗泥沙磨损技术分析[J].黑龙江电力,2015,36(1):61-64.
[3] 熊茂涛,卢池,杨昌明,等.水轮机过流部件磨蚀问题的研究与防护[J].小水电,2006(1):31-34.
[4] 严大考,王建升,张瑞珠,等.金属表面涂层技术在大盈江发电厂水轮机上的应用[J].华北水利水电学院学报,2012,33(1):79-80.
[5] 王华仁,孙川宁.水轮机过流部件的磨蚀与表面防护[J].华电技术,2008,30(5):28-32.
[6] 庞佑霞,郭源君.水轮机过流部件磨蚀机理的研究[J].润滑与密封,2001(4):29-30.
[7] 李根生,沈晓明,施立德.空化和空蚀机理及其影响因素[J].石油大学学报,1997,21(1):97-99.
[8] 李金明,陈和春,李国敬.水轮机磨蚀因素分析及磨蚀公式重构研究[J].人民长江,2009,40(9):77-79.
[9] 丁彰雄,张云乾,陈江涛.水轮机抗汽蚀材料及表面防护技术的应用现状及趋势[J].水利电力机械,2006,28(4):31-36.
[10] 张微,龙军峰.水力机械胶粘耐磨涂层的制备及性能研究[J].材料保护,2004,37(6):46-47.
[11] 高家诚,孙玉林.水轮机过流部件用材料的抗磨蚀技术措施[J].腐蚀与防护,2004,25(8):355-358.
[12] 王飚,张自华,王宇栋.水轮机抗磨蚀金属材料的优化设计[J].中国工程科学,2000,12(2):66-69.
[13] 赵辉,丁彰雄.超音速火焰喷涂纳米结构WC-12Co涂层耐泥沙冲蚀性能[J].热加工工
艺,2009,38(10):85-89.
[14] 徐鹏,董梁,鞠恒.激光熔覆304不锈钢涂层的组织及耐腐性[J].材料热处理学
报,2014(Z),35:221-225.
[15] 杨皓宇,杜晓东,叶诚.氩弧熔覆制备WC颗粒增强涂层组织及性能研究[J].矿冶工
程,2011,31(3):110-114.
[16] 吴玉萍,林萍华,曹明.Ni60+TiC等离子熔覆层的汽蚀特征[J].材料热处理学
报,2007,28(5):128-133.
[17] 陈龙,孟慧民,黄亮亮,等.45钢表面电火花沉积多层YG8涂层的组织和耐磨性[J].材料热处理学报,2013,34(11):170-175.
[18] 王建升,李刚,刘友营,等.电火花沉积与激光熔覆复合涂层的组织与性能[J].材料热处理学
报,2012,33(Z2):170-175.
[19] 王飙.水轮机抗磨蚀表面强化技术现状和应用评价[J].云南工业大学学报,1999,15(2):4-6.
[20] 刘克昌.水轮机部件的抗磨蚀技术[J].水利水电快报,1995(15):13-14.
[21] 王者昌.GB1抗磨蚀堆焊焊条的研制、现场试验和应用[A].第八届中国北方焊接学术会议论文
集[C].大连:中国机械工程学会,2012.
[22] 刘广海.水轮机过流部件喷焊耐磨蚀涂层[J].机械工人·热加工,1997(7):22- 23.
[23] 马克·J·斯坎卡雷洛,柯克·E·库珀,托德·A·德沃尔,等.船舶涂层[P].中国专利:CN1936065,2007-03-28.
[24] 张冰.HVOF在热作模具钢H13表面处理及修复中的基础研究[D].武汉:武汉理工大学,2010.
[25] 潘力平,郑子云,刘红伟.激光重熔对镍基热喷涂涂层性能的影响[J].兵器材料科学与
程,2015,38(1):77-80.
[26] Lin C J,He J L.Cavitation erosion behavior of electroless nickel-plating on AISI 1045 steel[J].Wear,2005,259(10):154.。