专利名称：水轮机组底环耐磨抗蚀涂层的激光熔覆工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发电设备部件的耐磨抗蚀方法，特别是涉及一种采用激光 熔覆技术的制备水轮机组底环耐磨抗蚀涂层的工艺，属于IPC国际专利分类表中的 C23C24/10 (2006. 01) I 技术领域。
背景技术：
水轮机组底环是水轮机组设备中的关键部件。水轮机过流部件的磨损和破坏一直 是水电站运行的难治之症。尤其随着环境破坏加剧，泥沙含量增多水轮机底环磨损破坏呈 加剧趋势。由于这种磨损和破坏使水轮机过流部件的形状和表面发生了变化，从而破坏了 水流对表面应有的绕流条件，一方面直接影响机组效率，一方面也成为进一步加剧零件破 坏的根源。水轮机底环磨损破坏的主要原因是泥沙磨损和气蚀联合作用。对水轮机底环采 取防护措施所用的材料必须从两方面着手一是寻找抗磨蚀性能好的合金材料，二是对过 流部位进行表面处理，以提高其抗磨蚀性能。固溶强化型不锈钢碳钢的抗磨蚀性较低，但 其加工性，焊接性和力学性能指标均良好，而且价格便宜，水轮机底环的母材一般都用它制 作，在底环止漏环内环面及平面用塞焊法加装不锈钢抗磨板，在不锈钢抗磨板上用热喷涂 或电刷镀制备各种抗磨复层。由于涂层与基材之间为物理结合，结合力不高，在水轮机组长 期工作时经常发生涂层脱落，引起磨损破坏，影响机组效率。其实际使用效果并不明显。因此，选择适当的制备水轮机组底环耐磨抗蚀涂层的工艺，使水轮机组底环耐磨 抗蚀涂层与基体结合强度高、耐磨抗蚀性能好、合金涂层的厚度均勻，是当前亟待解决的课 题。激光熔覆技术作为一种先进的再制造技术，近年来得到了迅速推广和广泛应用。激光熔覆技术利用高能量激光束聚集能量极高的特点，瞬间将在基材表面预置或 与激光同步自动送置的、具有特殊物理、化学或力学性能的合金粉末完全熔化，同时基材部 分熔化，形成一种新的复合型材料，激光束扫描后快速凝固，获得与基体冶金结合的致密覆 层，以达到恢复几何尺寸和表面强化的目的。目前，关于利用激光熔覆工艺制备设备部件耐磨抗蚀合金涂层的专利和报道很 多例如，公开号为CN1202534的中国发明专利申请给出的《金属表面等离子喷涂后激光熔 覆制备陶瓷涂层的方法》，该方法是先在金属表面用等离子喷涂方法制备陶瓷涂层，然后在 激光照射的同时，将陶瓷粉末喷向涂层表面，对陶瓷涂层进行二次熔覆处理。公开号为CN1786272的中国发明专利申请给出的《激光熔覆镍基纳米WC/Co预涂 层的制备方法》，该制备方法包括下列步骤①按每克重的虫胶与10 20克重的无水乙醇 称量虫胶和无水乙醇，然后将所述的虫胶加入无水乙醇中制成粘结剂；②根据需要按每克 镍基纳米WC/Co粉末与0. 1毫升 0. 25毫升的粘结剂的比例，称量镍基纳米WC/Co粉末和 所述的粘结剂并混合，充分搅拌均勻制成预涂胶；③将上述预涂胶均勻地涂在待激光熔覆 处理的工件表面，制成预涂层；④烘干。采用自制的粘结剂制备镍基纳米WC/Co预涂层，然后再采用激光熔覆工艺，制备出了表面较平整，较细密、基本消除了裂纹与孔隙并与基体呈 冶金结合的镍基纳米WC/Co复合涂层。公开号为CN101338427的中国发明专利申请给出的《液压支架立柱缸筒、活塞杆 耐磨抗蚀涂层的激光熔覆工艺》，包括以下工艺过程首先立柱缸筒、活塞杆表面预处理室 温下对立柱缸筒、活塞杆表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净；然后合金粉末的选择和 自动送粉装置的调节选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的铁基合金粉 末，铁基合金粉末的成份中主要含有Fe、C、Cr、Ni、Mo、Si、N、Nb、Ta、B ；最后自动送粉装置 的调节调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉 量，使合金粉末涂层的厚度达到0. 6-1. 2mm。公开号为CN101338425的中国发明专利申请给出的《铁路道岔滑床板表面耐磨抗 蚀合金涂层激光熔覆工艺》，包括以下工艺过程首先滑床板表面预处理，即在室温下对滑 床板表面进行除油除锈，并用酒精清洗干净；然后是合金粉末的预置，即把待熔覆的铁基、 镍基或钴基合金粉末预置于上述处理后的滑床板表面，并用带有导轨的刮尺来调整预制合 金粉末，使之均勻分布在滑床板表面并具有适当的厚度，以满足熔覆后涂层厚度的要求；最 后是光熔覆强化滑床板，选用气体CO2激光器，工作台为数控机床，在滑床板表面进行激光 熔覆强化。公开号为CN101338428的中国发明专利申请给出的《镐形截齿齿体头部激光熔覆 耐磨涂层强化工艺》，包括以下工艺过程首先是截齿齿体头部表面预处理；然后是合金粉 末的选择和自动送粉装置的调整；最后是截齿头部激光熔覆耐磨合金涂层。现有技术给出的上述技术方案虽能利用激光熔覆工艺对部分设备部件进行防腐 耐磨涂层处理，并通过配制适当的熔覆材料克服了激光熔层存在的裂纹、气孔和微观结构 不均勻性的问题，取得一定的技术效果。但对其他特定的设备部件，例如像水轮机组底环这 样的特殊结构，现有的激光熔覆工艺已明显不能适应。经本申请人检索查证采用激光熔覆工艺完成水轮机组底环耐磨抗蚀涂层，国内 尚无先例，国外也没有见到相关报道。因此，寻找出适当的采用激光熔覆完成水轮机组底环 耐磨抗蚀涂层的工艺方法，仍需所属领域的技术人员进一步作出创造性的研究工作。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术对水轮机组底环耐磨抗蚀涂层处理难的课题，通 过反复研究改进，给出了一种新的水轮机组底环耐磨抗蚀涂层的激光熔覆工艺，该激光熔 覆工艺采用具有良好的抗腐蚀性和耐磨性的合金粉末作为激光熔覆合金材料，采取激光熔 覆方法将具有耐磨抗蚀性能的合金粉末均勻地熔覆在水轮机组底环止漏环内环面及平面 上，形成均勻致密的冶金结合涂层，耐蚀性能达到不锈钢的水平，熔覆层与基体形成牢固的 冶金结合，不产生剥落。本发明给出的技术方案是这种水轮机组底环耐磨抗蚀涂层的激光熔覆工艺，其 特点是包括有以下步骤(1)水轮机组底环表面预处理用高强度镍基焊丝在底环止漏环内环面及耐磨平面交接直角处焊一圈45°斜角 工艺圈；加工表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净。并对加工区域分区标号。用着色探伤法对底环止漏环内环面抗磨板及平面抗磨板加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、 气孔、夹杂等缺陷；(2)合金粉末的选择和自动送粉装置的调节选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的铁基合金粉末。铁基合 金粉末中的化学成份按重量百分比为C:0. 8%、Cr :16%、Ni 3%, Mo 1%, Si 1%, N 0. 8%,Nb 0. 8%,Ta 0. 3%,B 0. 3%，余量为 Fe。调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送 粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0. 2-1. 8mm。(3)光束调节选用10*lmm宽带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸长*宽 =(8-10)* (1-1. 5) mm(4)耐磨抗蚀涂层激光熔覆选用DL-HL-T5000型CO2激光器，工作台为SIMENS数控激光加工机。采用同步送 粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，加工时采用区域加工方式，加工止漏环内环面时高 功率聚焦激光束和自动送粉头沿底环轴向进给，加工环状平面时聚焦激光束和自动送粉头 沿底环径向进给，在止漏环内环面及平面加工表面形成均勻致密的激光熔覆层。熔覆工艺参数如下激光功率P = 3500 4500W聚焦矩形光斑尺寸长*宽=(8-10)* (1-1. 5)mm扫描速度V = 300-600mm/min搭接率40 50%涂层厚度0·2-1. 8mm。(5)熔覆后探伤检验用着色探伤法对底环止漏环内环面抗磨板及平面抗磨板加工部位进行检验，要求 加工部位无裂纹、气孔等缺陷；本发明的原理是采用具有优良的耐磨抗蚀性能、与水轮机组底环基体具有良好 冶金与力学相容的铁基合金粉末，在高功率激光束辐照工件表面的同时，采用自动送粉装 置同步向激光熔池送入合金粉末，合金粉末在熔池内发生快速熔化和凝固，形成均勻致密 的耐磨抗蚀熔覆层，熔覆层与基体形成牢固的冶金结合。熔覆层硬度可在HRC30-60内选 择，熔覆层厚度在0. 2-1. 8mm，硬度、厚度均勻分布。在上述技术方案选用DL-HL-T5000型CO2激光器和SIMENS数控激光加工机均为 现有的专业设备。与现有技术相比，本发明的有益效果是1、激光熔覆合金涂层均勻、致密，与基体形成牢固的冶金结合，涂层具有优良的耐 磨抗蚀性能，采用本发明技术制造的水轮机组显著提高了耐磨抗蚀性能和使用寿命。2、本发明可用于水轮机组底环制造和修复再制造。
具体实施例方式实施案例1
(1)水轮机组底环表面预处理用高强度镍基焊丝在底环止漏环内环面及耐磨平面交接直角处焊一圈45°斜角 工艺圈；室温下对水轮机组底环止漏环内环面及平面表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干 净。并对加工区域分区标号。用着色探伤法对底环止漏环内环面抗磨板及平面抗磨板加工 部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔、夹杂等缺陷；(2)合金粉末的选择和自动送粉装置的调节选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的铁基合金粉末，铁基合 金粉末中的化学成份按重量百分比为C 0.8%, Cr :16%, Ni 3%, Mo 1%, Si 1%, N 0. 8%,Nb 0. 8%,Ta 0. 3%,B 0. 3%，余量为 Fe。其制备方法将Fe、C、Cr、Ni、Mo、Si、N、Nb、Ta、B按上述重量百分比提取后放入中频感应炉内， 在氩气气氛下加热到1450-1550°C，使粉末完全融化并混合均勻，将熔融的金属液流注入水 雾化设备的漏包坩埚，在漏包坩埚的下方置有水雾化喷嘴，当熔融的金属液流通过导流嘴 流经喷嘴时，被喷嘴射出的高速水流击碎成小液滴、随后合金液滴落在水中凝固成粉末；调节自动送粉头使粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量使涂层厚度达到1. Omm0(3)光束调节选用10*lmm宽带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸长*宽 =8*1. 5mm(4)耐磨抗蚀涂层激光熔覆选用DL-HL-T5000型CO2激光器，工作台为SIMENS数控激光加工机。采用同步送 粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，加工时采用区域加工方式，加工止漏环内环面时高 功率聚焦激光束和自动送粉头沿底环轴向进给，加工环状平面时聚焦激光束和自动送粉头 沿底环径向进给，在底环止漏环内环面及平面外表面形成均勻致密的激光熔覆层。熔覆工艺参数如下激光功率P = 4000W;聚焦矩形光斑尺寸长*宽=8*1. 5mm扫描速度 V = 400mm/min ；搭接率45%。(5)熔覆后探伤检验用着色探伤法对底环止漏环内环面抗磨板及平面抗磨板加工部位进行检验，加工 部位无裂纹、气孔等缺陷；实施案例2 (1)水轮机组底环表面预处理用高强度镍基焊丝在底环止漏环内环面及耐磨平面交接直角处焊一圈45°斜角 工艺圈；室温下对水轮机组底环止漏环内环面及平面表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干 净。并对加工区域分区标号。用着色探伤法对底环止漏环内环面抗磨板及平面抗磨板加工 部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔、夹杂等缺陷；(2)合金粉末的选择和自动送粉装置的调节选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的铁基合金粉末，铁基合金粉末中的化学成份按重量百分比为C 0.8%, Cr :16%, Ni 3%, Mo 1%, Si 1%, N 0. 8%,Nb 0. 8%, Ta 0. 3%,B 0. 3%，余量为 Fe。其制备方法将Fe、C、Cr、Ni、Mo、Si、N、Nb、Ta、B按上述重量百分比提取后放入中频感应炉内， 在氩气气氛下加热到1450-1550°C，使粉末完全融化并混合均勻，将熔融的金属液流注入水 雾化设备的漏包坩埚，在漏包坩埚的下方置有水雾化喷嘴，当熔融的金属液流通过导流嘴 流经喷嘴时，被喷嘴射出的高速水流击碎成小液滴、随后合金液滴落在水中凝固成粉末。调节自动送粉头使粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量使涂层厚度达到1. 8mm。(3)光束调节选用10*lmm宽带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸长*宽
=10氺Imm(4)耐磨抗蚀涂层激光熔覆选用DL-HL-T5000型CO2激光器，工作台为SIMENS数控激光加工机。采用同步送 粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，加工时采用区域加工方式，加工止漏环内环面时高 功率聚焦激光束和自动送粉头沿底环轴向进给，加工环状平面时聚焦激光束和自动送粉头 沿底环径向进给，在底环止漏环内环面及平面外表面形成均勻致密的激光熔覆层。熔覆工艺参数如下激光功率P = 4000W ；聚焦矩形光斑尺寸长*宽=10*lmm扫描速度 V = 600mm/min ；搭接率45%。(5)熔覆后探伤检验用着色探伤法对底环止漏环内环面抗磨板及平面抗磨板加工部位进行检验，加工 部位无裂纹、气孔等缺陷。
权利要求
一种水轮机组底环耐磨抗蚀涂层的激光熔覆工艺，其特征在于包括有以下步骤(1)水轮机组底环表面预处理用高强度镍基焊丝在底环止漏环内环面及耐磨平面交接直角处焊一圈45°斜角工艺圈；加工表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净。并对加工区域分区标号。用着色探伤法对底环止漏环内环面抗磨板及平面抗磨板加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔、夹杂等缺陷；(2)合金粉末的选择和自动送粉装置的调节选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的铁基合金粉末。铁基合金粉末中的化学成份按重量百分比为C0.8％、Cr16％、Ni3％、Mo1％、Si1％、N0.8％、Nb0.8％、Ta0.3％、B0.3％，余量为Fe。调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0.2 1.8mm；(3)光束调节选用10*1mm宽带积分镜，并调节离焦量使聚焦激光光斑为矩形，光斑尺寸长*宽＝(8 10)*(1 1.5)mm；(4)耐磨抗蚀涂层激光熔覆选用DL HL T5000型CO2激光器，工作台为SIMENS数控激光加工机。采用同步送粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，加工时采用区域加工方式，加工止漏环内环面时高功率聚焦激光束和自动送粉头沿底环轴向进给，加工环状平面时聚焦激光束和自动送粉头沿底环径向进给，在止漏环内环面及平面加工表面形成均匀致密的激光熔覆层；熔覆工艺参数如下激光功率P＝3500～4500W聚焦矩形光斑尺寸长*宽＝(8 10)*(1 1.5)mm扫描速度V＝300 600mm/mi n搭接率40～50％涂层厚度0.2 1.8mm；(5)熔覆后探伤检验用着色探伤法对底环止漏环内环面抗磨板及平面抗磨板加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔等缺陷。
全文摘要
一种水轮机组底环耐磨抗蚀涂层的激光熔覆方法，其特点是首先用镍基焊丝在底环止漏环内环面及耐磨平面交接直角处焊斜角工艺圈，加工表面进行除油、除锈，并对加工区域分区标号，用着色探伤法对底环止漏环内环面抗磨板及平面抗磨板加工部位进行检验；然后选择铁基合金粉末，采用激光设备和调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0.2-1.8mm；最后用着色探伤法对底环止漏环内环面抗磨板及平面抗磨板加工部位进行检验。本发明的激光熔覆合金涂层均匀、致密，与基体形成牢固的冶金结合并具有优良的耐磨抗蚀性能。
文档编号C23C24/10GK101994115SQ200910013329
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月24日 优先权日2009年8月24日
发明者廖运生, 陶兴启, 黄旭东 申请人:沈阳大陆激光成套设备有限公司