水泵的汽蝕、磨蝕及其聯(lián)合作用的破壞一直是水泵運行、維護及管理工作中的一個重要問題,傳統(tǒng)的表面保護材料及工藝已遠遠不能滿足水泵抗汽蝕、磨蝕的要求。為了增強水泵過流部件表面抗汽蝕、磨蝕的能力,除了采用不銹鋼或其它硬質合金材料來制造葉片、葉輪室外,還對表面保護技術進行不斷的試驗研究。本文對其進展敘述如下。
1　表面保護技術研究現(xiàn)狀
1 1　表面保護技術簡介
1 1 1　非金屬涂層的研究我國在20世紀60、70年代就開始將環(huán)氧樹脂及其復合物應用于水泵進行抗磨蝕保護。在20世紀80年代又相繼開發(fā)了復合尼龍涂層、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,由于加工工藝復雜等原因使用較少。20世紀90年代,在工業(yè)領域還引進了美國Ｄｅｖｃｏｎ修復劑、ＡＲＣ復合涂料、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合能力差以及材料本身硬度不夠,很難達到預期的抗汽蝕、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技術中還廣泛采用金屬表面保護層。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合強度,但堆焊法沖淡率大,焊層厚而不勻且加工余量大,對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械結合為主,不太適用于水泵沖擊載荷和抗汽蝕的修復。對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,費用貴、周期長,非一般泵站所能實施。合金粉末噴涂是在線材噴涂基礎上發(fā)展起來的。與堆焊法相比,成型美觀平整,厚度易于控制,沖淡率小,方法簡便,熱源易得,加工不受氣候、場地的限制。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,屬于層狀結構,其物理特性具有方向性,而且在噴涂過程中,每顆粉末微粒均出現(xiàn)凝結、收縮、變形等現(xiàn)象而在涂層中發(fā)展成一種內(nèi)應力,因此合金粉末噴涂一般只用于汽蝕和磨蝕不太嚴重的中小型水泵的表面保護。
1 2　表面保護材料和工藝的要求
1 2 1　表面保護材料的技術要求抗磨蝕涂層必須具有[1]:（1）很高的強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）具有很高的粘結強度,以保證涂層在泵內(nèi)30～35ｍ/ｓ的高速水流沖擊下不會剝落;（4）涂層材料必須價格適中,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）涂層材料應無毒,非易燃、易爆品,便于保管運輸,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技術的推廣和應用,加工工藝必須做到:（1）工藝簡單,能夠為不同程度的操作者所掌握;（2）加工中所使用的工具（器具）應是在市場中易于購得或是一般泵站維修工作中所*,且價格適中,無需特殊和昂貴的設備;（3）工藝應不受季節(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)能夠進行;（4）涂層不需要特殊的保溫養(yǎng)護,涂覆后能快速固化或投入使用,以縮短維修周期。
2　合金粉末噴焊技術的進展
噴焊防護技術是隨著低熔點粉末材料的研制成功而在噴涂和堆焊基礎上發(fā)展起來的一種金屬表面保護技術。由于噴層經(jīng)歷重熔過程,涂層致密無孔,表面光滑平整,具有節(jié)約材料、質量好、效率高的優(yōu)點,噴焊層表面硬度可高達ＨＲＣ60～70,可以幾倍甚至十幾倍的延長水泵過流部件的使用壽命。
2 1　噴焊合金粉末材料的優(yōu)化
2 1 1　優(yōu)化要點為了保證噴焊層的質量,防止工件變形和涂層裂紋的產(chǎn)生,涂層材料研究優(yōu)化的技術路線為:（1）通過配比優(yōu)化,改變硬化相的顆粒尺寸、數(shù)量及結晶晶粒度的大小,以獲得合理的組織結構形態(tài)及分布狀態(tài)。（2）根據(jù)水泵汽蝕、磨蝕的特點,有針對性地調(diào)整材料的性能指標,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,我們對噴焊用合金粉末進行了大量篩選并優(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)濟性來決定的。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,故而選擇焊層時不應過分強調(diào)其宏觀硬度的高低,這一點已在大量耐磨蝕性能對比試驗中獲得證實。對水泵抗汽蝕、抗磨損合金粉末選擇一般應滿足下列原則[4]:（1）對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等進行噴涂處理。修復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。它對基體金屬適應性強,不致引起開裂,噴焊層富有韌性,可車削加工。對于汽蝕侵蝕或泥沙磨損嚴重的水泵葉片、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）對要求在常溫下承受強烈磨損和侵蝕而工作表面要求不高的水泵,可采取廉價的Ｆｅ60、Ｆｅ-ＷＣ25合金粉末,噴焊后無需加工可直接使用。（4）對于高應力磨粒磨損或沖刷磨損以及嚴重汽蝕侵蝕和要求嚴格的使用工況,可選用含ＷＣ的Ｆｅ-ＷＣ35,Ｎｉ-ＷＣ25、Ｎｉ-ＷＣ35合金粉末進行噴焊。
2 2　噴焊加工關鍵技術高硬質抗汽蝕、磨蝕材料在加工過程中,必須重點解決噴焊所引起的工件變形和噴層裂紋問題[5]。變形和裂紋的主要原因有:（1）在加工過程中的高溫引起了內(nèi)應力的產(chǎn)生,這種內(nèi)應力隨著噴層厚度的增加而疊加。（2）涂層金屬凝固結晶時,由于低熔點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。加之硬質相合金結晶時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,會導致冷卻過程中基體金屬出現(xiàn)較大的相變和層間應力,導致變形和涂層開裂。（4）材料加工過程中環(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熱、加溫和冷卻的速度等因素都直接影響到噴層的質量和變形裂紋的產(chǎn)生。針對噴焊層裂紋和工件變形問題,制定了嚴格的工藝流程和技術參數(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、保溫時間及措施等。
2 3　試驗研究結果在實驗室利用汽蝕圓盤機對6種不同配比和不同成分的試塊進行試驗并與其它防護材料試塊進行對比測試,以普通碳素鋼為標準材料,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相加入細化晶粒元素使組織細小,分布均勻。在熔合區(qū)有共晶體析出,邊界可見擴散層。圖1為噴焊組織金相照片。
的顯微金相組織可見大量硬質相加入細化晶粒元
　　表1汽蝕試驗結果對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試驗中脫落5 29 99 612 513 618 419 5
　　表2　1990～2000年工藝試驗研究內(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室水泵型號28ＺＬＢ-7040ＺＬＢ-506ＨＬ-70ＺＬ13 5-840ＣＪ-95揚程Ｈ（ｍ）8 5121 589 5流量Ｑ（ｍ3/ｓ）1 12 510013 550葉輪直徑（ｍｍ）7001000600020004000試驗日期1990年4月1991年11月1992年4月1993年7月1997年12月2000年7月重點試驗內(nèi)容及目的　進行8種噴焊（涂）層方案比較,在相同汽蝕工況下運行　研究噴焊材料和葉片、葉輪室的防護技術,解決噴焊加工工藝的開裂和變形問題　研究大型泵葉片噴焊工藝,解決預處理、預熱、控溫、變形等工藝問題　研究大型泵ｈａ1ｆ葉輪室噴焊時極限變形量,以便采取控制措施?、偃鏅z驗防護工藝、變形控制措施;②真機應用試驗研究;③研究噴焊大型工件的預熱方式和熱傳導的影響?、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部位　葉片正、反面全部噴焊（涂）加工10臺水泵葉片正反兩面汽蝕區(qū)及葉輪室200ｍｍ寬度汽蝕帶　葉片進水側正面沿葉片寬度方向長條區(qū)域寬約250ｍｍ　葉輪室300ｍｍ寬度汽蝕帶　葉片正面進水側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結果　至1993年5月拆泵檢查,每臺累計運行時間3288ｈ。未經(jīng)過處理的葉片汽蝕面積達到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　為驗證試驗結果,噴焊加工后,將葉片角度從原來-10°增至0～2°。至1996年12月檢查,平均每臺運行2860ｈ,葉片、葉輪室表面光滑,無汽蝕破壞痕跡　用Ｎｉ基碳化鎢二步法噴焊,至今效果良好,無汽蝕破壞痕跡　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)。噴焊過程中,經(jīng)采取措施,熱量對水泵油軸承無影響　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)場試驗及應用1990年開始我校在國內(nèi)開展了水泵過流部件表面噴焊防護材料和關鍵技術的試驗研究。通過不斷地改進材料配方,并完成了泵站泵實施的試驗工作,基本解決了大型軸流泵、混流泵葉片、葉輪室汽蝕區(qū)的嚴重破壞及大工件實施中的涂層脫殼、工件變形、裂紋等關鍵技術。1990～2000年工藝試驗研究內(nèi)容及取得的階段性成果見表2。由于大量的試驗研究工作在泵站泵上進行,成果經(jīng)多年驗證,已具備了推廣應用的條件。試驗研究和實際應用證明噴焊技術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研究
3 1　激光表面熔覆工藝的特點激光熔覆技術是指在被熔覆基體表面放置選擇的涂層材料后,經(jīng)過激光輻照使之和基體表面同時熔化,并快速凝固后形成稀釋度極低,與基體材料成冶金結合的表面涂層,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:（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,特別適合于對變形量有嚴格要求的葉輪、葉輪室;（3）光束瞄準,能進行選區(qū)熔覆和修復其它方法難以接近的加工區(qū)域;（4）工藝過程易于實現(xiàn)自動化,便于質量控制。
3 2　試驗研究結果[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,對鑄鐵和鑄鋼試樣進行了激光表面改性技術的研究。用Ｊ93025型磁致伸縮儀對試樣的抗汽蝕性能進行了測試。試驗結果表明,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密、均勻,熱影響區(qū)更窄。由于激光功率高,掃描作用時間短,涂層和基體表層加熱后熔化速度快,急速冷卻時過冷度大,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,形成細小均勻的顯微組織。組織細密可以提高晶界結合力,增強材料強度和韌性,不但減少了單位晶界上的雜質含量,而且在快速冷卻過程中成分偏析程度減少,從而在整體上保證了加工質量。（2）激光熔覆表面改性是利用激光束對熔池進行攪拌,使得熔池中氣體夾雜物能上浮析出,形成較為致密的涂層,保證了熔層的質量。而噴焊過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)生良好的冶金結合、加上速度快、光束瞄準加工靈活、自動化程度高等特點使得激光熔覆具有其它工藝方法所*的優(yōu)勢。隨著激光技術的成熟、價格的降低、材料研究的深入以及寬帶掃描激光設備的研制,激光熔覆技術將能為水泵抗汽蝕、磨損預防護和維修提供更好的解決方案。
4　結語表面保護技術可以節(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,延長其使用壽命。