[发明专利]一种提高水轮机过水部件耐气蚀能力的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用超音速喷涂保护技术在水轮机过水部件上喷涂金属合金，提高水轮机过水部件的耐气蚀能力的工艺。

背景技术

    水轮机的气蚀现象是水流在能量转换过程中产生的一种特殊现象。大约在本世纪初，发现轮船的高速金属螺旋桨在很短时间内就被破坏，后来在水轮机中也发生了转轮叶片遭受破坏的情况，气蚀现象就开始被人们发现和重视。

    水轮机的工作介质是液体。液体的质点并不像固体那样围绕固定位置振动，而是质点的位置迁移较容易发生。在常温下，液体就显示了这种特性。液体质点从液体中离析的情况取决于该种液体的汽化特性。例如，水在一个标准大气力作用下，温度达到100℃时，发生沸腾汽化，而当周围环境压力降低到0.24m水柱时，气蚀现象即可发生。

    由于液体具有气化特性，则当液体在恒压下加热，或在恒温下用静力或动方法降低其周围环境压力，都能使液体达到汽化状态。但在研究气蚀和空蚀时，对于由这两个不同条件形成的液体汽化现象在概念上是不同的。任何一种液体在衡定压力下加热，当液体温度高于某一温度时，液体开始汽化，形成汽泡，这称为沸腾。当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育形成空穴，这种现象称为气蚀。

    我们以前通常所讲的气蚀现象，实际上包括了气蚀和空蚀两个过程。气蚀乃是在液体中形成空穴使液相流体的连续性遭到破坏，它发生在压力下降到某一临界值的流动区域中。在空穴中主要充满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。当这些空穴进入压力较低的区域时，就开始发育成长为较大的气泡，然后，气泡被流体带到压力高于临界值的区域，气泡就将溃灭，这个过程称为气蚀。气蚀过程可以发生在液体内部，也可以发生固定边界上。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。空蚀是气蚀的直接后果，空蚀只发生在固体边界上。

    根据对气蚀现象的多年观测，认为气蚀和空蚀破坏主要是机械破坏，化学和电化作用是次要的。在机械作用的同时，化学和电化腐蚀加速了机械破坏过程。气蚀和空蚀在破坏开始时，一般是金属表面失去光泽而变暗，接着是变毛糙而发展成麻点，一般呈针孔状，深度在1~2mm以内；再进一步使金属表面十分疏松成海绵状，也称为蜂窝状深度为3mm到几十毫米。气蚀严重时，可能造成水轮机叶片的穿孔破坏。气蚀和空蚀的存在对水轮机运行极为不利，其影响主要表现在以下几方面：（1）破坏水轮机的过流部件，如导叶、转轮、转轮室、上下止漏环及尾水管等；（2）降低水轮机的出力和效率，因为气蚀和空蚀会破坏水流的正常运行规律和能量转换规律，并会增加水流的漏损和水力损失；（3）气蚀和空蚀严重时，可能使机组产生强烈的振动、噪音及负荷波动，导致机组不能安全稳定运行。（4）缩短了机组的检修周期，增加了机组检修的复杂性。气蚀和空蚀检修不仅耗用大量钢材，而且延长工期，影响电力生产。

    上世纪60年代初期，美国人J.Browning发明了超音速火焰喷涂技术，称之为Jet-Kote，并于1983年获得美国专利。近些年来，国外超音速火焰喷涂技术发展迅速，许多新型装置出现，在不少领域正在取代传统的等离子喷涂。在国内，武汉材料保护研究所、北京钢铁研究总院、北京钛得新工艺材料有限公司等也在进行这方面研究,并生产出有自己特色的超音速喷涂装置。   

   燃料气体(氢气,丙烷,丙烯或乙炔－甲烷-丙烷混合气体等)与助燃剂（O₂）以一定的比例导入燃烧室内混合，爆炸式燃烧，因燃烧产生的高温气体以高速通过膨胀管获得超音速。同时通入送粉气（Ar或N₂），定量沿燃烧头内碳化钨中心套管送入高温燃气中，一同射出喷涂于工件上形成涂层。   

    在喷涂机喷嘴出口处产生的焰流速度一般为音速的4倍，即约1520m/s，最高可高达2400m/s（具体与燃烧气体种类，混合比例，流量，粉末质量和粉末流量等有关）。粉末撞击到工件表面的速度估计为550-760m/s，与爆炸喷涂相当。Jet-Kote法之所以能有这么高的速度，关键在于按流体力学的原理合理设计制造了一个喷嘴，称之为Laval管的膨胀管。只要管子设计合理,则流体在速度低时，只要经过足够压缩,即可在管器某一截面(如AB)达到声速，过了这一截面后，将获得超音速。