水輪機作為水電站的核心設備，其轉輪的材質要具有耐氣蝕、耐泥沙磨損和抗斷裂性能，通常選用Cr13Ni5馬氏體不銹(xiu)鋼。長期使用后不可避免地出現磨損和腐蝕，針對水輪機的修復，堆焊是一種比較理想和簡便的方法。堆焊方法有焊條堆焊、焊帶堆焊和藥芯焊絲堆焊，將這幾種堆焊方法進行了對比試驗。認為藥芯焊絲堆焊具有調整方便、焊接效率高、熔合比低和焊接變形小等優點。
一、E410NiMo堆焊用藥芯焊絲配方(fang)設計
E410NiMo藥芯焊絲所用鋼(gang)帶(dai)為(wei)ER430鋼(gang)帶(dai)，其(qi)化學成(cheng)分見表5-73。藥粉主(zhu)要有(you)礦石粉和金(jin)屬粉組成(cheng)，其(qi)主(zhu)要成(cheng)分見表5-74。
二(er)、幾(ji)種焊接方法對比(bi)的試樣制備與分析
選水輪機母材為ZG06Cr13Ni5Mo鋼，并將定義(yi)為0＃試(shi)樣(yang)，其主要成分見表5-75。用E410NiMo藥芯(xin)焊絲堆焊3層(ceng)，按表5-76堆焊參數所制備的(de)堆焊的(de)試(shi)樣(yang)編號為1＃、2和3＃試(shi)樣(yang)。
其(qi)他焊(han)接方(fang)法(fa)的(de)堆(dui)焊(han)參(can)數見表5-77，將D410NiMo鋼帶(dai)的(de)堆(dui)焊(han)試(shi)樣編號為(wei)4＃，G227焊(han)條的(de)堆(dui)焊(han)試(shi)樣編號為(wei)5＃。
1. 不同堆焊(han)方法試(shi)樣與母材試(shi)樣化學成(cheng)分進行對比
將堆焊試件切割成57mm×25.5mm×5mm，銑平待檢表面，采用德國布魯克公司生產的Q8 Magellan 火花直讀光譜儀測定試樣的化學成分，見表5-78。從表中可以看出，研發的藥芯焊絲的C、Si、Mn、P、S、Cr等元素與母材接近，而Ni、Mo等元素含量高于母材。Mo的加入，能夠有效提高熔敷金屬的耐汽蝕性能，Ni可以提高鋼的力學性能且能改善耐蝕性和耐酸性。
2. 測定堆焊(han)層試樣的硬度(du)
采用(yong)TH600布氏硬度儀進行測(ce)定(ding)，要(yao)求在每個試(shi)樣(yang)堆(dui)焊(han)層上(shang)測(ce)量5個點，取平(ping)均值，測(ce)定(ding)結(jie)果見表(biao)5-79。從試(shi)驗數據可(ke)知，水(shui)輪機(ji)母材(cai)的(de)硬度較各種焊(han)材(cai)熔敷金屬的(de)硬度偏低，與熱(re)處理過(guo)的(de)藥芯焊(han)絲堆(dui)焊(han)試(shi)件硬度相當。藥芯焊(han)絲的(de)熔敷金屬的(de)鐵(tie)素(su)體(ti)含量低于水(shui)輪機(ji)母材(cai)、焊(han)帶和焊(han)條的(de)熔敷金屬的(de)鐵(tie)素(su)體(ti)含量。
3. 各堆焊層的組織分析(xi)
試樣為10mm×10mm×5mm，腐蝕液（質量分數）為HF 4%+HNO3 4%+H2O 92％，利用MPEG3型號顯微鏡進行觀察與圖像采集。所有堆焊方法下的熔敷金屬組織明顯比母材細密得多，且馬氏體的數量比母材多。因此，堆焊態下的熔敷金屬較母材有更好的耐磨蝕性能。
4. 磨(mo)粒磨(mo)損(sun)對比試驗
采用MLS-225型(xing)濕(shi)式橡膠輪(lun)磨粒(li)磨損(sun)試(shi)驗機(ji)。材(cai)料(liao)的(de)耐磨性能用磨損(sun)失(shi)去質量(liang)(liang)(liang)(liang)來衡(heng)量(liang)(liang)(liang)(liang)，算(suan)出磨損(sun)前后試(shi)件(jian)的(de)平(ping)均質量(liang)(liang)(liang)(liang)差。與試(shi)驗時用水輪(lun)機(ji)母材(cai)相(xiang)比。對(dui)(dui)比件(jian)失(shi)去的(de)質量(liang)(liang)(liang)(liang)與測量(liang)(liang)(liang)(liang)件(jian)失(shi)去的(de)質量(liang)(liang)(liang)(liang)之比來衡(heng)量(liang)(liang)(liang)(liang)該堆焊層(ceng)的(de)相(xiang)對(dui)(dui)耐磨性。相(xiang)對(dui)(dui)磨損(sun)率(lv)＝對(dui)(dui)比材(cai)料(liao)的(de)磨損(sun)量(liang)(liang)(liang)(liang)／0＃試(shi)樣(yang)材(cai)料(liao)的(de)磨損(sun)量(liang)(liang)(liang)(liang)。試(shi)驗結果見表5-80。
試(shi)驗(yan)結果表明，在上述(shu)磨損條件下(xia)，各種(zhong)堆焊(han)方(fang)法熔(rong)敷金屬(shu)的(de)耐(nai)磨粒(li)磨損性能比母材好(hao)，熱處(chu)理對(dui)(dui)材料耐(nai)磨性能的(de)影響不大，而(er)控制層間(jian)溫度對(dui)(dui)提(ti)高熔(rong)敷金屬(shu)的(de)耐(nai)磨粒(li)磨損性能有(you)較(jiao)好(hao)的(de)改(gai)善作用。總體來(lai)看，藥芯焊(han)絲(si)熔(rong)敷金屬(shu)的(de)耐(nai)磨粒(li)磨損性能優于其他堆焊(han)方(fang)法。
5. 沖(chong)蝕磨損對比試驗
為了模擬水(shui)(shui)輪機(ji)在實(shi)際工作時所遭受(shou)的(de)含沙(sha)(sha)水(shui)(shui)流沖蝕(shi)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)情(qing)況，采用北京工業大學自制(zhi)的(de)水(shui)(shui)沙(sha)(sha)沖蝕(shi)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)試驗機(ji)來測定試樣的(de)耐含沙(sha)(sha)水(shui)(shui)流磨(mo)(mo)(mo)蝕(shi)的(de)能力。
試(shi)(shi)(shi)(shi)樣尺寸為57mm×25mm×10mm，將試(shi)(shi)(shi)(shi)樣裝在試(shi)(shi)(shi)(shi)樣臺上，按試(shi)(shi)(shi)(shi)驗機(ji)的(de)(de)運行(xing)(xing)步(bu)驟進(jin)行(xing)(xing)試(shi)(shi)(shi)(shi)驗。每(mei)沖(chong)(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)2h后(hou)(hou)停機(ji)，取出(chu)試(shi)(shi)(shi)(shi)樣并放入盛有(you)丙(bing)酮溶液的(de)(de)燒(shao)杯中(zhong)，在超聲波清(qing)洗(xi)儀中(zhong)清(qing)洗(xi)3～5min，干燥后(hou)(hou)采用BS224S電子天(tian)平進(jin)行(xing)(xing)試(shi)(shi)(shi)(shi)樣質量(liang)(liang)測量(liang)(liang)，精確到0.0001g。材料(liao)的(de)(de)耐(nai)磨(mo)(mo)性(xing)能用磨(mo)(mo)損(sun)(sun)前后(hou)(hou)失去質量(liang)(liang)的(de)(de)平均(jun)值(zhi)來考核。一共進(jin)行(xing)(xing)8h，對(dui)比藥(yao)芯(xin)焊(han)絲(si)試(shi)(shi)(shi)(shi)件(jian)和其(qi)他堆焊(han)方(fang)法試(shi)(shi)(shi)(shi)件(jian)失去的(de)(de)質量(liang)(liang)與母(mu)材失去的(de)(de)質量(liang)(liang)之比來衡(heng)量(liang)(liang)該方(fang)法的(de)(de)相(xiang)對(dui)耐(nai)磨(mo)(mo)性(xing)。相(xiang)對(dui)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)率＝對(dui)比材料(liao)的(de)(de)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)(liang)／0號(hao)試(shi)(shi)(shi)(shi)件(jian)的(de)(de)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)(liang)。試(shi)(shi)(shi)(shi)驗結果(guo)見表5-81。從表中(zhong)可知，各種焊(han)接(jie)方(fang)法熔(rong)敷金屬(shu)耐(nai)沖(chong)(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)能與母(mu)材相(xiang)當(dang)。熱處理(li)對(dui)藥(yao)芯(xin)焊(han)絲(si)堆焊(han)層耐(nai)沖(chong)(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)能影響不大(da)，而控制層間溫度能較明顯地(di)提高藥(yao)芯(xin)焊(han)絲(si)熔(rong)敷金屬(shu)的(de)(de)耐(nai)沖(chong)(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)能。總體上可以認為，除(chu)焊(han)帶的(de)(de)焊(han)接(jie)方(fang)法外(wai)，焊(han)條(tiao)和藥(yao)芯(xin)焊(han)絲(si)的(de)(de)耐(nai)沖(chong)(chong)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)堆焊(han)層較好。
通(tong)過(guo)上述(shu)試驗可以認為，用藥(yao)芯焊絲堆焊磨損(sun)的水輪機(ji)是可行的，如果(guo)層間溫度控制在150～200℃，堆焊熔敷金(jin)屬的耐(nai)磨粒磨損(sun)和(he)耐(nai)沖蝕(shi)磨損(sun)性(xing)能為最(zui)佳(jia)。
