一種金屬水輪機轉輪表面納米碳化鎢強化方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及機械處理方法，特別是一種金屬水輪機轉輪表面納米碳化鎢(WC)強化方法。即采用電火花沉積納米碳化鎢(WC)的強化方法在金屬水輪機轉輪表面形成高強度耐磨沉積層，該方法可廣泛應用于水利行業金屬水輪機轉輪。
【背景技術】
[0002]我國是世界上水力資源極為豐富的國家，水電已成為我國重點發展的可再生能源之一，水力可開發的電能力3.8億kw，年發電量1.9萬億kw.h，相當于11億噸原煤的發電量。但同時我國的河流泥沙含量大，長江及其支流以沙粒硬度高為特點，黃河則以含沙量大為特征，目前已經運行的100多座大中型水電站中，有嚴重泥沙磨損的約占40%，在黃河干支流上這一數值更是高達66.3%，黃河三門峽河段的年輸沙量近16億t，為世界之最，對水輪機過流部件的磨蝕更為突出，據估計，在已運行的水電站中，約有1/5?1/4的水輪機葉片遭受不同程度的泥沙危害，每年因水輪機過流部件(主要為葉片)磨蝕破壞而停運或檢修引起的電能損失約20?30億kw.h，年消耗檢修費及設備更新費達數億元之巨。如黃河上、中游的劉家峽、鹽鍋峽、青銅峽、天橋、三門峽等水電站的水輪機不同程度地遭受泥沙磨蝕破壞，特別是距小浪底最近的三門峽，破壞最為嚴重，經過一個汛期的運行，轉輪葉片的破壞程度趨于報廢，被迫汛期停運，每年造成直接與間接的經濟損失更無法估計。因此如何解決水輪機過流部件的磨蝕問題已經成為工程建設中的關鍵技術之一。
[0003]目前，制造水輪機轉輪的材料代表性的有普通碳鋼、低合金鋼、普通不銹鋼和高強度不銹鋼。國內一般的水輪機轉輪通常為鑄鋼、(^5(:11合金鋼、1(^18則91^不銹鋼、260013則510不銹鋼、0013則510不銹鋼、260016則510不銹鋼、6乂561則13-4￥1、ZG0Crl3Ni4Mo不銹鋼、00Crl3Ni4Mo等不銹鋼等材料制成的。國內外目前防止水輪機轉輪葉片磨損的主要方式是碳化鎢噴涂水輪機磨蝕防護、環氧金剛砂涂層防護、聚氨脂彈性涂層防護、抗磨焊條堆焊防護等。碳化鎢表面熱噴涂前處理一般采用噴砂，有環境污染，涂層加工困難，涂層與基體之間的結合屬于機械結合，涂層易疲勞剝落。環氧金剛砂砂漿涂層與水輪機轉輪葉片的結合方式也屬于機械結合，在強汽蝕區，如葉片進水邊背面、間隙空化帶、出水邊和中環中下部等處的防護材料基本脫落。聚氨脂彈性涂層防護中聚氨脂的抗磨性能雖然較好，但機械強度較差，易于被劃傷，一旦局部被劃傷，相鄰區域就會被撕裂;強空化區空化擊穿，使粘接層被破壞，造成涂層脫落。
[0004]因此，如何更好的對水輪機轉輪進行表面處理是本領域技術人員一直在研究解決的技術問題。

【發明內容】

[0005]針對上述情況，為克服現有技術之缺陷，本發明之目的就是提供一種金屬水輪機轉輪表面電火花沉積納米碳化鎢(WC)強化方法，對金屬水輪機轉輪葉片進行電火花沉積納米WC強化處理，有效解決水輪機轉輪葉片的表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和耐沖擊性等性能，延長金屬水輪機轉輪的使用壽命的問題。
[0006]本發明解決的技術方案是，用電火花沉積方法把WC-Co硬質合金納米晶粉末和亞微米WC-Co陶瓷硬質合金棒沉積在水輪機轉輪葉片表面上，形成陶瓷硬質合金沉積層，步驟是:
(1)、將WC-Co制成WC-Co硬質合金納米晶粉末和直徑為4?6_的亞微米WC-Co陶瓷硬質合金棒作為電火花沉積材料，WC-Co納米晶粉末粒度為50?10nm;
所述的WC-Co的重量百分比為:WC 90-94%Xo 10-6%；
(2)、除去水輪機轉輪葉片的油污和氧化物，然后用聚乙烯醇把WC-Co硬質合金納米晶粉末混合成糊狀預置在要沉積的水輪機轉輪葉片表面，厚度0.8-1.2mm，晾干；
(3)、再用DL-4000D型電火花沉積堆焊機，把直徑4?6mm的亞微米WC-Co陶瓷硬質合金棒作為陽極，在氬氣保護下，與被沉積的WC-Co硬質合金納米晶粉末的金屬水輪機轉輪葉片作為陰極之間產生火花放電，在10—5?10—6 s內電極與水輪機轉輪葉片接觸的部位達到10000?28000 °C的高溫，將亞微米WC-Co陶瓷硬質合金棒、WC-Co硬質合金納米晶粉末和水輪機轉輪葉片熔融在一起，冷卻凝固，形成一層電火花沉積納米合金沉積層；
所述的DL-4000D型電火花沉積堆焊機的沉積槍夾持的電極采用旋轉方式，沉積槍轉速為2500r/min，輸出功率為2900?4200W，輸出電壓為150?180V，放電頻率為1800?2000Hz，沉積速率為I?3min/cm2，電極伸長度為I?3mm，氬氣保護下，氬氣流量9?12L/min，在水輪機轉輪葉片表面往復多次形成厚20-100μπι高強度的復合沉積層。
[0007]本發明方法簡單，水輪機轉輪葉片硬度超高，高致密性，耐磨性能大大提高，使用壽命長，經濟效益巨大。
【具體實施方式】
[0008]以下結合實施例對本發明的【具體實施方式】作詳細說明。
[0009]本發明在具體實施中可由以下實施例給出。
[0010]實施例1
本發明方法在實施中，也可由以下步驟給出:
(I )、將WC-Co制成WC-Co硬質合金納米晶粉末和直徑為4.5?5.5_的亞微米WC-Co陶瓷硬質合金棒作為電火花沉積材料，WC-Co納米晶粉末粒度為60?90nm(納米，以下同)；
所述的WC-Co的重量百分比為:WC 91-93%、Co 9-7%；
(2)、除去水輪機轉輪葉片的油污和氧化物，然后用聚乙烯醇把WC-Co硬質合金納米晶粉末混合成糊狀預置在要沉積的水輪機轉輪葉片表面，厚度0.9-1.1mm，晾干；
(3)、再用DL-4000D型電火花沉積堆焊機，把直徑4?6mm的亞微米WC-Co陶瓷硬質合金棒作為陽極，在氬氣保護下，與被沉積的WC-Co硬質合金納米晶粉末的金屬水輪機轉輪葉片作為陰極之間產生火花放電，在10—5?10—6 s內電極與水輪機轉輪葉片接觸的部位達到10000?28000 °C的高溫，將亞微米WC-Co陶瓷硬質合金棒、WC-Co硬質合金納米晶粉末和水輪機轉輪葉片熔融在一起，冷卻凝固，形成一層電火花沉積納米合金沉積層；
所述的DL-4000D型電火花沉積堆焊機的沉積槍夾持的電極采用旋轉方式，沉積槍轉速為2500r/min，輸出功率為3000?4100W，輸出電壓為160?170V，放電頻率為1850?1950Hz，沉積速率為1.5?2.5min/cm2，電極伸長度為1.5?2.5mm，氬氣保護下，氬氣流量10?IIL/min，在水輪機轉輪葉片表面往復多次形成厚20-100μπι高強度的復合沉積層。
[0011]實施例2
本發明方法在實施中，還可由以下步驟給出:
(I )、將WC-Co制成WC-Co硬質合金納米晶粉末和直徑為5mm的亞微米WC-Co陶瓷硬質合金棒作為電火花沉積材料，WC-Co納米晶粉末粒度為75nm;
所述的WC-Co的重量百分比為:WC 92%,Co 8%；
(2)、除去水輪機轉輪葉片的油污和氧化物，然后用聚乙烯醇把WC-Co硬質合金納米晶粉末混合成糊狀預置在要沉積的水輪機轉輪葉片表面，厚度Imm，晾干；
(3)、再用DL-4000D型電火花沉積堆焊機，把直徑5mm的亞微米WC-Co陶瓷硬質合金棒作為陽極，在氬氣保護下，與被沉積的WC-Co硬質合金納米晶粉末的金屬水輪機轉輪葉片作為陰極之間產生火花放電，在10—5?10—6 s內電極與水輪機轉輪葉片接觸的部位達到10000?28000 0C的高溫，將亞微米WC-Co陶瓷硬質合金棒、WC-Co硬質合金納米晶粉末和水輪機轉輪葉片熔融在一起，冷卻凝固，形成一層電火花沉積納米合金沉積層；
所述的DL-4000D型電火花沉積堆焊機的沉積槍夾持的電極采用旋轉方式，沉積槍轉速為2500r/min，輸出功率為3500W，輸出電壓為165V，放電頻率為1900Hz，沉積速率為2min/cm2，電極伸長度為2mm，氬氣保護下，氬氣流量10.5L/min，在水輪機轉輪葉片表面往復多次形成厚20-100μπι高強度的復合沉積層。
[0012]本發明經測試和實際應用，取得了非常滿意的有益技術效果，有關資料如下:
沉積完成后，關閉電火花沉積設備電源和氣源，沉積后，對水輪機轉輪葉片表面的電火花沉積納米WC硬質合金和亞微米WC-Co陶瓷硬質合金涂層不用其它處理直接作為葉片使用，提高了水輪機轉輪葉片的生產效率。
[0013]電火花沉積WC-Co納米和亞微米WC-Co陶瓷硬質合金涂層后的衍射峰在40°?50°和70°?80°的范圍內主要的衍射峰出現了較為為明顯的寬化衍射峰，說明涂層中出現的顆粒非常的細小或出現了一部分非晶。沉積層的主要相組成為Fe3W3C、C03W3(^PW2C。分別計算了這三種物質的平均晶粒尺寸:F e 3W3 C平均晶粒尺寸為8.7 8 9 nm，Co 3W3 C平均晶粒尺寸為8.696 nm, W2C平均晶粒尺寸為1.247 nm。說明電火花沉積后的合金涂層主要含有超細小的納米晶顆粒和非晶顆粒。
[0014]電火花沉積后金屬水輪機轉輪葉片外表面產生厚度為&