一种金属水轮机转轮表面纳米碳化钨强化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械处理方法，特别是一种金属水轮机转轮表面纳米碳化钨(WC)强化方法。即采用电火花沉积纳米碳化钨(WC)的强化方法在金属水轮机转轮表面形成高强度耐磨沉积层，该方法可广泛应用于水利行业金属水轮机转轮。
【背景技术】
[0002]我国是世界上水力资源极为丰富的国家，水电已成为我国重点发展的可再生能源之一，水力可开发的电能力3.8亿kw，年发电量1.9万亿kw.h，相当于11亿吨原煤的发电量。但同时我国的河流泥沙含量大，长江及其支流以沙粒硬度高为特点，黄河则以含沙量大为特征，目前已经运行的100多座大中型水电站中，有严重泥沙磨损的约占40%，在黄河干支流上这一数值更是高达66.3%，黄河三门峡河段的年输沙量近16亿t，为世界之最，对水轮机过流部件的磨蚀更为突出，据估计，在已运行的水电站中，约有1/5?1/4的水轮机叶片遭受不同程度的泥沙危害，每年因水轮机过流部件(主要为叶片)磨蚀破坏而停运或检修引起的电能损失约20?30亿kw.h，年消耗检修费及设备更新费达数亿元之巨。如黄河上、中游的刘家峡、盐锅峡、青铜峡、天桥、三门峡等水电站的水轮机不同程度地遭受泥沙磨蚀破坏，特别是距小浪底最近的三门峡，破坏最为严重，经过一个汛期的运行，转轮叶片的破坏程度趋于报废，被迫汛期停运，每年造成直接与间接的经济损失更无法估计。因此如何解决水轮机过流部件的磨蚀问题已经成为工程建设中的关键技术之一。
[0003]目前，制造水轮机转轮的材料代表性的有普通碳钢、低合金钢、普通不锈钢和高强度不锈钢。国内一般的水轮机转轮通常为铸钢、(^5(:11合金钢、1(^18則91^不锈钢、260013則510不锈钢、0013則510不锈钢、260016則510不锈钢、6乂561則13-4￥1、ZG0Crl3Ni4Mo不锈钢、00Crl3Ni4Mo等不锈钢等材料制成的。国内外目前防止水轮机转轮叶片磨损的主要方式是碳化钨喷涂水轮机磨蚀防护、环氧金刚砂涂层防护、聚氨脂弹性涂层防护、抗磨焊条堆焊防护等。碳化钨表面热喷涂前处理一般采用喷砂，有环境污染，涂层加工困难，涂层与基体之间的结合属于机械结合，涂层易疲劳剥落。环氧金刚砂砂浆涂层与水轮机转轮叶片的结合方式也属于机械结合，在强汽蚀区，如叶片进水边背面、间隙空化带、出水边和中环中下部等处的防护材料基本脱落。聚氨脂弹性涂层防护中聚氨脂的抗磨性能虽然较好，但机械强度较差，易于被划伤，一旦局部被划伤，相邻区域就会被撕裂;强空化区空化击穿，使粘接层被破坏，造成涂层脱落。
[0004]因此，如何更好的对水轮机转轮进行表面处理是本领域技术人员一直在研究解决的技术问题。
【发明内容】
[0005]针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种金属水轮机转轮表面电火花沉积纳米碳化钨(WC)强化方法，对金属水轮机转轮叶片进行电火花沉积纳米WC强化处理，有效解决水轮机转轮叶片的表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐冲击性等性能，延长金属水轮机转轮的使用寿命的问题。
[0006]本发明解决的技术方案是，用电火花沉积方法把WC-Co硬质合金纳米晶粉末和亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒沉积在水轮机转轮叶片表面上，形成陶瓷硬质合金沉积层，步骤是:
(1)、将WC-Co制成WC-Co硬质合金纳米晶粉末和直径为4?6_的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒作为电火花沉积材料，WC-Co纳米晶粉末粒度为50?10nm;
所述的WC-Co的重量百分比为:WC 90-94%Xo 10-6%；
(2)、除去水轮机转轮叶片的油污和氧化物，然后用聚乙烯醇把WC-Co硬质合金纳米晶粉末混合成糊状预置在要沉积的水轮机转轮叶片表面，厚度0.8-1.2mm，晾干；
(3)、再用DL-4000D型电火花沉积堆焊机，把直径4?6mm的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒作为阳极，在氩气保护下，与被沉积的WC-Co硬质合金纳米晶粉末的金属水轮机转轮叶片作为阴极之间产生火花放电，在10—5?10—6 s内电极与水轮机转轮叶片接触的部位达到10000?28000 °C的高温，将亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒、WC-Co硬质合金纳米晶粉末和水轮机转轮叶片熔融在一起，冷却凝固，形成一层电火花沉积纳米合金沉积层；
所述的DL-4000D型电火花沉积堆焊机的沉积枪夹持的电极采用旋转方式，沉积枪转速为2500r/min，输出功率为2900?4200W，输出电压为150?180V，放电频率为1800?2000Hz，沉积速率为I?3min/cm2，电极伸长度为I?3mm，氩气保护下，氩气流量9?12L/min，在水轮机转轮叶片表面往复多次形成厚20-100μπι高强度的复合沉积层。
[0007]本发明方法简单，水轮机转轮叶片硬度超高，高致密性，耐磨性能大大提高，使用寿命长，经济效益巨大。
【具体实施方式】
[0008]以下结合实施例对本发明的【具体实施方式】作详细说明。
[0009]本发明在具体实施中可由以下实施例给出。
[0010]实施例1
本发明方法在实施中，也可由以下步骤给出:
(I )、将WC-Co制成WC-Co硬质合金纳米晶粉末和直径为4.5?5.5_的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒作为电火花沉积材料，WC-Co纳米晶粉末粒度为60?90nm(纳米，以下同)；
所述的WC-Co的重量百分比为:WC 91-93%、Co 9-7%；
(2)、除去水轮机转轮叶片的油污和氧化物，然后用聚乙烯醇把WC-Co硬质合金纳米晶粉末混合成糊状预置在要沉积的水轮机转轮叶片表面，厚度0.9-1.1mm，晾干；
(3)、再用DL-4000D型电火花沉积堆焊机，把直径4?6mm的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒作为阳极，在氩气保护下，与被沉积的WC-Co硬质合金纳米晶粉末的金属水轮机转轮叶片作为阴极之间产生火花放电，在10—5?10—6 s内电极与水轮机转轮叶片接触的部位达到10000?28000 °C的高温，将亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒、WC-Co硬质合金纳米晶粉末和水轮机转轮叶片熔融在一起，冷却凝固，形成一层电火花沉积纳米合金沉积层；
所述的DL-4000D型电火花沉积堆焊机的沉积枪夹持的电极采用旋转方式，沉积枪转速为2500r/min，输出功率为3000?4100W，输出电压为160?170V，放电频率为1850?1950Hz，沉积速率为1.5?2.5min/cm2，电极伸长度为1.5?2.5mm，氩气保护下，氩气流量10?IIL/min，在水轮机转轮叶片表面往复多次形成厚20-100μπι高强度的复合沉积层。
[0011]实施例2
本发明方法在实施中，还可由以下步骤给出:
(I )、将WC-Co制成WC-Co硬质合金纳米晶粉末和直径为5mm的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒作为电火花沉积材料，WC-Co纳米晶粉末粒度为75nm;
所述的WC-Co的重量百分比为:WC 92%,Co 8%；
(2)、除去水轮机转轮叶片的油污和氧化物，然后用聚乙烯醇把WC-Co硬质合金纳米晶粉末混合成糊状预置在要沉积的水轮机转轮叶片表面，厚度Imm，晾干；
(3)、再用DL-4000D型电火花沉积堆焊机，把直径5mm的亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒作为阳极，在氩气保护下，与被沉积的WC-Co硬质合金纳米晶粉末的金属水轮机转轮叶片作为阴极之间产生火花放电，在10—5?10—6 s内电极与水轮机转轮叶片接触的部位达到10000?28000 0C的高温，将亚微米WC-Co陶瓷硬质合金棒、WC-Co硬质合金纳米晶粉末和水轮机转轮叶片熔融在一起，冷却凝固，形成一层电火花沉积纳米合金沉积层；
所述的DL-4000D型电火花沉积堆焊机的沉积枪夹持的电极采用旋转方式，沉积枪转速为2500r/min，输出功率为3500W，输出电压为165V，放电频率为1900Hz，沉积速率为2min/cm2，电极伸长度为2mm，氩气保护下，氩气流量10.5L/min，在水轮机转轮叶片表面往复多次形成厚20-100μπι高强度的复合沉积层。
[0012]本发明经测试和实际应用，取得了非常满意的有益技术效果，有关资料如下:
沉积完成后，关闭电火花沉积设备电源和气源，沉积后，对水轮机转轮叶片表面的电火花沉积纳米WC硬质合金和亚微米WC-Co陶瓷硬质合金涂层不用其它处理直接作为叶片使用，提高了水轮机转轮叶片的生产效率。
[0013]电火花沉积WC-Co纳米和亚微米WC-Co陶瓷硬质合金涂层后的衍射峰在40°?50°和70°?80°的范围内主要的衍射峰出现了较为为明显的宽化衍射峰，说明涂层中出现的颗粒非常的细小或出现了一部分非晶。沉积层的主要相组成为Fe3W3C、C03W3(^PW2C。分别计算了这三种物质的平均晶粒尺寸:F e 3W3 C平均晶粒尺寸为8.7 8 9 nm，Co 3W3 C平均晶粒尺寸为8.696 nm, W2C平均晶粒尺寸为1.247 nm。说明电火花沉积后的合金涂层主要含有超细小的纳米晶颗粒和非晶颗粒。
[0014]电火花沉积后金属水轮机转轮叶片外表面产生厚度为&