水泵的汽蝕、磨蝕及其聯(lián)合作用的破壞一直是水泵運(yùn)行、維護(hù)及管理工作中的一個(gè)重要問(wèn)題,傳統(tǒng)的表面保護(hù)材料及工藝已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足水泵抗汽蝕、磨蝕的要求。為了增強(qiáng)水泵過(guò)流部件表面抗汽蝕、磨蝕的能力,除了采用不銹鋼或其它硬質(zhì)合金材料來(lái)制造葉片、葉輪室外,還對(duì)表面保護(hù)技術(shù)進(jìn)行不斷的試驗(yàn)研究。本文對(duì)其進(jìn)展敘述如下。
1　表面保護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀
1 1　表面保護(hù)技術(shù)簡(jiǎn)介
1 1 1　非金屬涂層的研究我國(guó)在20世紀(jì)60、70年代就開始將環(huán)氧樹脂及其復(fù)合物應(yīng)用于水泵進(jìn)行抗磨蝕保護(hù)。在20世紀(jì)80年代又相繼開發(fā)了復(fù)合尼龍涂層、聚氨酯類涂層、仿陶瓷涂層以及橡膠涂層等非金屬涂層。另外有一些使用速鈦膠、橡膠、搪瓷、陶瓷、玻璃等材料形成的非金屬涂層,由于加工工藝復(fù)雜等原因使用較少。20世紀(jì)90年代,在工業(yè)領(lǐng)域還引進(jìn)了美國(guó)Ｄｅｖｃｏｎ修復(fù)劑、ＡＲＣ復(fù)合涂料、人造橡膠涂層等高分子聚合物材料。這些非金屬涂層材料在泵站惡劣的使用環(huán)境下,往往因涂層與金屬基體結(jié)合能力差以及材料本身硬度不夠,很難達(dá)到預(yù)期的抗汽蝕、抗磨蝕效果。
1 1 2　金屬涂層的研究[2]在水泵抗磨蝕表面保護(hù)技術(shù)中還廣泛采用金屬表面保護(hù)層。使用zui多的是焊條堆焊和線材噴涂。利用不銹鋼焊條的堆焊法可保證焊層與基體有很高的結(jié)合強(qiáng)度,但堆焊法沖淡率大,焊層厚而不勻且加工余量大,對(duì)工件基體材料的可焊性要求高。經(jīng)堆焊法處理的水泵葉片表面,一般在堆焊處未發(fā)生汽蝕破壞前,在堆焊點(diǎn)周圍又迅速發(fā)生新的汽蝕破壞,直至堆焊層底部。線材噴涂所形成的不銹鋼霧狀顆粒涂層以機(jī)械結(jié)合為主,不太適用于水泵沖擊載荷和抗汽蝕的修復(fù)。對(duì)于一些大型的水泵工件,如大口徑（直徑3ｍ以上）軸流泵葉輪室,可以在表面鑲嵌一層不銹鋼板來(lái)增加抗磨蝕能力。但這種方法需將工件送至大型水泵廠專門加工、車削、鑲嵌、焊接,費(fèi)用貴、周期長(zhǎng),非一般泵站所能實(shí)施。合金粉末噴涂是在線材噴涂基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。與堆焊法相比,成型美觀平整,厚度易于控制,沖淡率小,方法簡(jiǎn)便,熱源易得,加工不受氣候、場(chǎng)地的限制。但由于噴涂層是由高速噴射到基體表面的半熔融狀態(tài)的合金粉末微粒一層一層地有規(guī)則地疊加形成的,屬于層狀結(jié)構(gòu),其物理特性具有方向性,而且在噴涂過(guò)程中,每顆粉末微粒均出現(xiàn)凝結(jié)、收縮、變形等現(xiàn)象而在涂層中發(fā)展成一種內(nèi)應(yīng)力,因此合金粉末噴涂一般只用于汽蝕和磨蝕不太嚴(yán)重的中小型水泵的表面保護(hù)。
1 2　表面保護(hù)材料和工藝的要求
1 2 1　表面保護(hù)材料的技術(shù)要求抗磨蝕涂層必須具有[1]:（1）很高的強(qiáng)度和硬度以抵抗汽蝕、磨蝕的破壞;（2）具有一定的韌性,以吸收沖擊能量;（3）具有很高的粘結(jié)強(qiáng)度,以保證涂層在泵內(nèi)30～35ｍ/ｓ的高速水流沖擊下不會(huì)剝落;（4）涂層材料必須價(jià)格適中,才能保證在大中型泵站及量大面廣的農(nóng)村中小型泵站中推廣使用;（5）涂層材料應(yīng)無(wú)毒,非易燃、易爆品,便于保管運(yùn)輸,不污染周圍環(huán)境。
1 2 2　加工工藝要求為了保證表面保護(hù)技術(shù)的推廣和應(yīng)用,加工工藝必須做到:（1）工藝簡(jiǎn)單,能夠?yàn)椴煌潭鹊牟僮髡咚莆?（2）加工中所使用的工具（器具）應(yīng)是在市場(chǎng)中易于購(gòu)得或是一般泵站維修工作中所*,且價(jià)格適中,無(wú)需特殊和昂貴的設(shè)備;（3）工藝應(yīng)不受季節(jié)和周圍環(huán)境的影響,保證泵站在冬、春季節(jié)維修期內(nèi)能夠進(jìn)行;（4）涂層不需要特殊的保溫養(yǎng)護(hù),涂覆后能快速固化或投入使用,以縮短維修周期。
2　合金粉末噴焊技術(shù)的進(jìn)展
噴焊防護(hù)技術(shù)是隨著低熔點(diǎn)粉末材料的研制成功而在噴涂和堆焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種金屬表面保護(hù)技術(shù)。由于噴層經(jīng)歷重熔過(guò)程,涂層致密無(wú)孔,表面光滑平整,具有節(jié)約材料、質(zhì)量好、效率高的優(yōu)點(diǎn),噴焊層表面硬度可高達(dá)ＨＲＣ60～70,可以幾倍甚至十幾倍的延長(zhǎng)水泵過(guò)流部件的使用壽命。
2 1　噴焊合金粉末材料的優(yōu)化
2 1 1　優(yōu)化要點(diǎn)為了保證噴焊層的質(zhì)量,防止工件變形和涂層裂紋的產(chǎn)生,涂層材料研究?jī)?yōu)化的技術(shù)路線為:（1）通過(guò)配比優(yōu)化,改變硬化相的顆粒尺寸、數(shù)量及結(jié)晶晶粒度的大小,以獲得合理的組織結(jié)構(gòu)形態(tài)及分布狀態(tài)。（2）根據(jù)水泵汽蝕、磨蝕的特點(diǎn),有針對(duì)性地調(diào)整材料的性能指標(biāo),既保證材料優(yōu)異的抗磨蝕性,又可zui大限度地抑制或減少裂紋的產(chǎn)生,提高可焊性。（3）確定合理的技術(shù)參數(shù)和工藝參數(shù),改善涂層使用條件下的拘束狀態(tài)。
2 1 2　合金粉末的基本成分和配比根據(jù)水泵抗磨蝕的基本要求,我們對(duì)噴焊用合金粉末進(jìn)行了大量篩選并優(yōu)化。主要優(yōu)化出Ｆｅ基、Ｎｉ-Ｃｒ基和ＷＣ系列的材料,其主要成分和配比如表1中所示。
2 1 3　合金粉末的優(yōu)化選擇選擇使用何種粉末材料,是根據(jù)水泵工作狀況、噴焊工藝及經(jīng)濟(jì)性來(lái)決定的。值得注意的是,噴焊層的耐磨蝕性和其宏觀硬度（ＨＲＣ或ＨＢ）并不成線性比例,而是和其顯微硬度（ＨＶ）成正比例,故而選擇焊層時(shí)不應(yīng)過(guò)分強(qiáng)調(diào)其宏觀硬度的高低,這一點(diǎn)已在大量耐磨蝕性能對(duì)比試驗(yàn)中獲得證實(shí)。對(duì)水泵抗汽蝕、抗磨損合金粉末選擇一般應(yīng)滿足下列原則[4]:（1）對(duì)中小型水泵的葉片和葉輪室,處理較輕微的汽蝕損壞或泥沙磨損件可用Ｆｅ30、Ｆｅ280、Ｆｅ250等進(jìn)行噴涂處理。修復(fù)水泵的鑄件鑄造缺陷或損壞,可選用噴焊性能和韌性及加工性能較好的Ｎｉ25、Ｎｉ20,用這種噴焊法代替焊接工藝,可避免鑄鐵在熱影響區(qū)內(nèi)形成Ｆｅ3Ｃ脆性相,防止焊層開裂。（2）對(duì)于中等磨損并要求較好抗汽蝕性能的使用條件,可考慮選用Ｎｉ35噴焊。它對(duì)基體金屬適應(yīng)性強(qiáng),不致引起開裂,噴焊層富有韌性,可車削加工。對(duì)于汽蝕侵蝕或泥沙磨損嚴(yán)重的水泵葉片、葉輪室可選用Ｎｉ55或Ｎｉ60,它們具有很高的硬度、韌性和抗沖擊能力及良好的抗汽蝕、抗磨損性能。（3）對(duì)要求在常溫下承受強(qiáng)烈磨損和侵蝕而工作表面要求不高的水泵,可采取廉價(jià)的Ｆｅ60、Ｆｅ-ＷＣ25合金粉末,噴焊后無(wú)需加工可直接使用。（4）對(duì)于高應(yīng)力磨粒磨損或沖刷磨損以及嚴(yán)重汽蝕侵蝕和要求嚴(yán)格的使用工況,可選用含ＷＣ的Ｆｅ-ＷＣ35,Ｎｉ-ＷＣ25、Ｎｉ-ＷＣ35合金粉末進(jìn)行噴焊。
2 2　噴焊加工關(guān)鍵技術(shù)高硬質(zhì)抗汽蝕、磨蝕材料在加工過(guò)程中,必須重點(diǎn)解決噴焊所引起的工件變形和噴層裂紋問(wèn)題[5]。變形和裂紋的主要原因有:（1）在加工過(guò)程中的高溫引起了內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生,這種內(nèi)應(yīng)力隨著噴層厚度的增加而疊加。（2）涂層金屬凝固結(jié)晶時(shí),由于低熔點(diǎn)共晶體的大量存在形成金屬偏析,給裂紋的生成創(chuàng)造了條件。加之硬質(zhì)相合金結(jié)晶時(shí)引起的晶粒粗大及晶界脆化使材料韌性大大降低,裂紋一旦產(chǎn)生極易擴(kuò)展。（3）涂層和基體熱物理性能的差異,特別是所選用的粉末與金屬基體膨脹系數(shù)相差較大時(shí),會(huì)導(dǎo)致冷卻過(guò)程中基體金屬出現(xiàn)較大的相變和層間應(yīng)力,導(dǎo)致變形和涂層開裂。（4）材料加工過(guò)程中環(huán)境拘束度的影響,例如周圍的空氣溫度和濕度的大小,操作人員的熟練水平,施噴的速度快慢、噴敷和重熔的溫度高低以及預(yù)熱、加溫和冷卻的速度等因素都直接影響到噴層的質(zhì)量和變形裂紋的產(chǎn)生。針對(duì)噴焊層裂紋和工件變形問(wèn)題,制定了嚴(yán)格的工藝流程和技術(shù)參數(shù),包括送粉的速度、氣源的壓力、噴嘴的孔徑和距工件的距離、每次噴層的厚度、覆蓋的方式、溫度的控制、冷卻速度、保溫時(shí)間及措施等。
2 3　試驗(yàn)研究結(jié)果在實(shí)驗(yàn)室利用汽蝕圓盤機(jī)對(duì)6種不同配比和不同成分的試塊進(jìn)行試驗(yàn)并與其它防護(hù)材料試塊進(jìn)行對(duì)比測(cè)試,以普通碳素鋼為標(biāo)準(zhǔn)材料,見表1。它表明采用Ｎｉ-Ｃｒ基60系列噴焊的涂層抗汽蝕能力為普通碳素鋼的19 5倍。Ｎｉ Ｃｒ基合金是在Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ中加入了15%～18%的Ｃｒ,在涂層的顯微金相組織可見大量硬質(zhì)相加入細(xì)化晶粒元素使組織細(xì)小,分布均勻。在熔合區(qū)有共晶體析出,邊界可見擴(kuò)散層。圖1為噴焊組織金相照片。
的顯微金相組織可見大量硬質(zhì)相加入細(xì)化晶粒元
　　表1汽蝕試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比材料名稱基本成分（%）硬度（ＨＲＣ）連接方式抗蝕系數(shù)碳素鋼環(huán)氧金剛砂電火花強(qiáng)化Ｎｉ222Ｆｅ30ＡＦｅ30ＡＮｉ55Ｎｉ55Ｎｉ60Ｆｅ、Ｃ環(huán)氧基液、金剛砂Ｆｅ、Ｃ、ＮｉＣ0 5%、Ｃｒ15%、Ａ14 5%、Ｆｅ8%、Ｓｉ0 8%、Ｎｉ余量Ｃ0 6%、Ｎｉ34 5%、Ｃｒ13%、Ｂ1 5%、Ｓｉ3%、Ｍｏ4 5%、Ｆｅ余量Ｃ0 6%、Ｎｉ34 6%、Ｃｒ13%、Ｂ1 5%、Ｓｉ3%、Ｍｏ4 5%、Ｆｅ余量Ｃ0 6%、Ｃｒ15%、Ｂ4%、Ｓｉ4%、Ｍｏ3%、Ｃｕ2 5%、Ｆｅ<12%、Ｎｉ余量Ｃ0 6%、Ｃｒ15%、Ｂ4%、Ｓｉ4%、Ｍｏ3%、Ｃｕ2 5%、Ｆｅ<12%、Ｎｉ余量Ｃ0 9%、Ｃｒ15%、Ｂ4%、Ｓｉ4%、Ｃｏ1 5%、Ｆｅ<14%、Ｎｉ余量2030ＨＢ2503030555560板材涂抹滲入噴涂噴涂噴焊噴涂噴焊噴焊1 0試驗(yàn)中脫落5 29 99 612 513 618 419 5
　　表2　1990～2000年工藝試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容及階段性成果江蘇房山泵站江蘇凌城泵站皂河泵站江都三站湖北凡口泵站試驗(yàn)室水泵型號(hào)28ＺＬＢ-7040ＺＬＢ-506ＨＬ-70ＺＬ13 5-840ＣＪ-95揚(yáng)程Ｈ（ｍ）8 5121 589 5流量Ｑ（ｍ3/ｓ）1 12 510013 550葉輪直徑（ｍｍ）7001000600020004000試驗(yàn)日期1990年4月1991年11月1992年4月1993年7月1997年12月2000年7月重點(diǎn)試驗(yàn)內(nèi)容及目的　進(jìn)行8種噴焊（涂）層方案比較,在相同汽蝕工況下運(yùn)行　研究噴焊材料和葉片、葉輪室的防護(hù)技術(shù),解決噴焊加工工藝的開裂和變形問(wèn)題　研究大型泵葉片噴焊工藝,解決預(yù)處理、預(yù)熱、控溫、變形等工藝問(wèn)題　研究大型泵ｈａ1ｆ葉輪室噴焊時(shí)極限變形量,以便采取控制措施　①全面檢驗(yàn)防護(hù)工藝、變形控制措施;②真機(jī)應(yīng)用試驗(yàn)研究;③研究噴焊大型工件的預(yù)熱方式和熱傳導(dǎo)的影響?、傺芯考す馊鄹膊牧咸砑臃绞?②研究激光熔覆加工工藝參數(shù)包括:激光功率Ｐ,光斑尺寸ｄ,光腔輸出構(gòu)型和聚焦方式,激光掃描速度ｖ,激光多道搭接系數(shù)ａ等;③研究激光加工后材料抗汽蝕能力試驗(yàn)部位　葉片正、反面全部噴焊（涂）加工10臺(tái)水泵葉片正反兩面汽蝕區(qū)及葉輪室200ｍｍ寬度汽蝕帶　葉片進(jìn)水側(cè)正面沿葉片寬度方向長(zhǎng)條區(qū)域?qū)捈s250ｍｍ　葉輪室300ｍｍ寬度汽蝕帶　葉片正面進(jìn)水側(cè)750×1500ｍｍ2汽蝕區(qū)和葉輪室330ｍｍ寬度汽蝕帶　鑄鐵和鑄鋼表面試驗(yàn)結(jié)果　至1993年5月拆泵檢查,每臺(tái)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間3288ｈ。未經(jīng)過(guò)處理的葉片汽蝕面積達(dá)到2800ｍｍ2,深度5ｍｍ。噴涂葉片在汽蝕區(qū)有脫落。噴焊葉片均未發(fā)生變化　為驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果,噴焊加工后,將葉片角度從原來(lái)-10°增至0～2°。至1996年12月檢查,平均每臺(tái)運(yùn)行2860ｈ,葉片、葉輪室表面光滑,無(wú)汽蝕破壞痕跡　用Ｎｉ基碳化鎢二步法噴焊,至今效果良好,無(wú)汽蝕破壞痕跡　在不采取任何措施的情況下,ｈａｒｆ葉輪室極限變形量可達(dá)0 3%Ｄ,經(jīng)采取措施,可控制變形量在±0 1%Ｄ以內(nèi)（Ｄ為葉輪室直徑）　葉片變形量控制在±0 1%Ｄ以內(nèi),葉輪室變形量控制在±0 05%Ｄ以內(nèi)。噴焊過(guò)程中,經(jīng)采取措施,熱量對(duì)水泵油軸承無(wú)影響　采用與噴焊同一種Ｎｉ基和ＷＣ涂層材料,經(jīng)激光熔覆處理后,鑄鐵和鑄鋼的平均抗汽蝕能力分別提高15 91倍和21 43倍。與噴焊工藝相比,平均抗汽蝕能力提高了1 3倍和1 5倍
　　2 3　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及應(yīng)用1990年開始我校在國(guó)內(nèi)開展了水泵過(guò)流部件表面噴焊防護(hù)材料和關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)研究。通過(guò)不斷地改進(jìn)材料配方,并完成了泵站泵實(shí)施的試驗(yàn)工作,基本解決了大型軸流泵、混流泵葉片、葉輪室汽蝕區(qū)的嚴(yán)重破壞及大工件實(shí)施中的涂層脫殼、工件變形、裂紋等關(guān)鍵技術(shù)。1990～2000年工藝試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容及取得的階段性成果見表2。由于大量的試驗(yàn)研究工作在泵站泵上進(jìn)行,成果經(jīng)多年驗(yàn)證,已具備了推廣應(yīng)用的條件。試驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用證明噴焊技術(shù)是目前解決大中型水泵汽蝕、磨蝕破壞的方法之一。
3　激光熔覆表面改性技術(shù)研究
3 1　激光表面熔覆工藝的特點(diǎn)激光熔覆技術(shù)是指在被熔覆基體表面放置選擇的涂層材料后,經(jīng)過(guò)激光輻照使之和基體表面同時(shí)熔化,并快速凝固后形成稀釋度極低,與基體材料成冶金結(jié)合的表面涂層,從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕性能的工藝方法[6]。與噴焊熔覆相比,它具有以下特點(diǎn):（1）冷凝速度快,產(chǎn)生快速凝固組織特征,可獲得致密、均勻、高硬度的涂層;（2）熱變形極小,特別適合于對(duì)變形量有嚴(yán)格要求的葉輪、葉輪室;（3）光束瞄準(zhǔn),能進(jìn)行選區(qū)熔覆和修復(fù)其它方法難以接近的加工區(qū)域;（4）工藝過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,便于質(zhì)量控制。
3 2　試驗(yàn)研究結(jié)果[7]利用2ｋＷ ＣＯ2連續(xù)橫流激光器,采用Ｎｉ基和Ｎｉ基ＷＣ合金粉末,對(duì)鑄鐵和鑄鋼試樣進(jìn)行了激光表面改性技術(shù)的研究。用Ｊ93025型磁致伸縮儀對(duì)試樣的抗汽蝕性能進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)激光熔覆表面改性后的試樣抗汽蝕性能有較大幅度的提高。（1）激光熔覆層比噴焊層更為細(xì)密、均勻,熱影響區(qū)更窄。由于激光功率高,掃描作用時(shí)間短,涂層和基體表層加熱后熔化速度快,急速冷卻時(shí)過(guò)冷度大,熔池中的合金元素能迅速形成多種化合物而增加非自發(fā)晶核的數(shù)量,使形核率大為提高,形成細(xì)小均勻的顯微組織。組織細(xì)密可以提高晶界結(jié)合力,增強(qiáng)材料強(qiáng)度和韌性,不但減少了單位晶界上的雜質(zhì)含量,而且在快速冷卻過(guò)程中成分偏析程度減少,從而在整體上保證了加工質(zhì)量。（2）激光熔覆表面改性是利用激光束對(duì)熔池進(jìn)行攪拌,使得熔池中氣體夾雜物能上浮析出,形成較為致密的涂層,保證了熔層的質(zhì)量。而噴焊過(guò)程是利用氧乙炔火焰使噴射到基材表面的粉末熔化,在加工過(guò)程中伴隨有空氣混入焊層,在噴層及界面部位往往存在較多的氣孔與夾雜物分布在粗大的枝晶之間?；瘜W(xué)成分和金屬組織的不均勻性都降低了噴焊層的抗蝕能力。（3）鑄鋼和鑄鐵表面在采用與噴焊同一種涂層材料經(jīng)激光熔覆處理后,抗汽蝕能力分別提高了15 91倍和21 43倍。與噴焊相比,抗汽蝕能力分別提高了1 3和1 5倍。（4）激光熔覆本身的熱變形小、與涂層能產(chǎn)生良好的冶金結(jié)合、加上速度快、光束瞄準(zhǔn)加工靈活、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)使得激光熔覆具有其它工藝方法所*的優(yōu)勢(shì)。隨著激光技術(shù)的成熟、價(jià)格的降低、材料研究的深入以及寬帶掃描激光設(shè)備的研制,激光熔覆技術(shù)將能為水泵抗汽蝕、磨損預(yù)防護(hù)和維修提供更好的解決方案。
4　結(jié)語(yǔ)表面保護(hù)技術(shù)可以節(jié)約材料,zui大限度地改善和大幅度地提高普通母材的表面性能,顯著地提高水泵葉片、葉輪室的抗汽蝕、磨蝕性能,延長(zhǎng)其使用壽命。