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(yi)、E410NiMo堆焊用(yong)藥芯焊絲配方設計
E410NiMo藥(yao)芯焊絲所用鋼帶為(wei)ER430鋼帶，其化學成分見表5-73。藥(yao)粉(fen)主要有礦石粉(fen)和金屬粉(fen)組成，其主要成分見表5-74。
二(er)、幾種焊接方(fang)法對比的試樣制備與分析(xi)
選水輪機母(mu)材為ZG06Cr13Ni5Mo鋼(gang)，并將定(ding)義為0＃試樣(yang)，其主要(yao)成分見表5-75。用E410NiMo藥芯(xin)焊絲堆焊3層，按(an)表5-76堆焊參(can)數所(suo)制備的堆焊的試樣(yang)編號為1＃、2和3＃試樣(yang)。
其他(ta)焊(han)接方法的(de)堆(dui)焊(han)參數(shu)見表5-77，將D410NiMo鋼帶的(de)堆(dui)焊(han)試樣編(bian)(bian)號為(wei)4＃，G227焊(han)條的(de)堆(dui)焊(han)試樣編(bian)(bian)號為(wei)5＃。
1. 不同堆焊方法試樣與母材試樣化學成分(fen)進行對(dui)比(bi)
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(ceng)試樣的硬度(du)
采用TH600布氏硬(ying)度(du)儀進(jin)行測(ce)定(ding)，要求在每個試(shi)樣(yang)堆焊(han)層(ceng)上測(ce)量(liang)(liang)5個點，取(qu)平均值，測(ce)定(ding)結果見表(biao)5-79。從試(shi)驗數據(ju)可知，水(shui)(shui)輪機母(mu)材的硬(ying)度(du)較各(ge)種焊(han)材熔敷金屬的硬(ying)度(du)偏低(di)，與(yu)熱處理過的藥芯(xin)焊(han)絲堆焊(han)試(shi)件(jian)硬(ying)度(du)相當。藥芯(xin)焊(han)絲的熔敷金屬的鐵(tie)素體含(han)量(liang)(liang)低(di)于水(shui)(shui)輪機母(mu)材、焊(han)帶和焊(han)條的熔敷金屬的鐵(tie)素體含(han)量(liang)(liang)。
3. 各堆焊層的組織(zhi)分析
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. 磨粒磨損(sun)對比試驗
采用MLS-225型濕式橡膠輪(lun)磨(mo)(mo)粒(li)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)機。材料的(de)耐磨(mo)(mo)性能(neng)用磨(mo)(mo)損(sun)(sun)失去質(zhi)量(liang)(liang)(liang)來衡(heng)量(liang)(liang)(liang)，算出(chu)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)前后(hou)試(shi)(shi)件(jian)的(de)平均質(zhi)量(liang)(liang)(liang)差(cha)。與試(shi)(shi)驗(yan)(yan)時用水(shui)輪(lun)機母材相比(bi)(bi)。對比(bi)(bi)件(jian)失去的(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)與測量(liang)(liang)(liang)件(jian)失去的(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)之比(bi)(bi)來衡(heng)量(liang)(liang)(liang)該堆焊(han)層的(de)相對耐磨(mo)(mo)性。相對磨(mo)(mo)損(sun)(sun)率＝對比(bi)(bi)材料的(de)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)(liang)(liang)／0＃試(shi)(shi)樣材料的(de)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)(liang)(liang)。試(shi)(shi)驗(yan)(yan)結果見表5-80。
試驗(yan)結果表明，在上(shang)述磨損(sun)條(tiao)件下(xia)，各(ge)種堆(dui)焊方法(fa)熔敷(fu)金屬的(de)耐磨粒磨損(sun)性能(neng)比母材(cai)好，熱處理對(dui)材(cai)料耐磨性能(neng)的(de)影(ying)響(xiang)不(bu)大，而控制層間溫度對(dui)提高熔敷(fu)金屬的(de)耐磨粒磨損(sun)性能(neng)有(you)較好的(de)改善作用(yong)。總體來看，藥芯焊絲熔敷(fu)金屬的(de)耐磨粒磨損(sun)性能(neng)優于(yu)其他堆(dui)焊方法(fa)。
5. 沖(chong)蝕磨損(sun)對比試(shi)驗
為了(le)模擬水(shui)輪機(ji)(ji)在(zai)實際工作時所遭(zao)受的(de)含沙水(shui)流沖蝕(shi)磨(mo)損(sun)(sun)情況，采用北(bei)京(jing)工業大學自制(zhi)的(de)水(shui)沙沖蝕(shi)磨(mo)損(sun)(sun)試驗機(ji)(ji)來測定試樣(yang)的(de)耐含沙水(shui)流磨(mo)蝕(shi)的(de)能力。
試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)尺寸(cun)為57mm×25mm×10mm，將試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)裝在試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)臺上，按試(shi)(shi)(shi)驗機的(de)(de)運行步驟進行試(shi)(shi)(shi)驗。每沖(chong)(chong)蝕磨(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)2h后(hou)停機，取出試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)并放入(ru)盛有丙酮溶液的(de)(de)燒杯中，在超聲波清(qing)洗儀中清(qing)洗3～5min，干(gan)燥后(hou)采用(yong)BS224S電子天平進行試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)測量(liang)(liang)(liang)，精確到0.0001g。材(cai)料的(de)(de)耐磨(mo)性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)用(yong)磨(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)前后(hou)失(shi)去質(zhi)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)平均值來考(kao)核。一共進行8h，對比(bi)藥芯焊(han)(han)(han)絲(si)(si)試(shi)(shi)(shi)件(jian)和其(qi)他堆焊(han)(han)(han)方(fang)法(fa)試(shi)(shi)(shi)件(jian)失(shi)去的(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)與母材(cai)失(shi)去的(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)之比(bi)來衡量(liang)(liang)(liang)該方(fang)法(fa)的(de)(de)相對耐磨(mo)性(xing)(xing)(xing)(xing)。相對磨(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)率＝對比(bi)材(cai)料的(de)(de)磨(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)量(liang)(liang)(liang)／0號試(shi)(shi)(shi)件(jian)的(de)(de)磨(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)量(liang)(liang)(liang)。試(shi)(shi)(shi)驗結果見(jian)表(biao)5-81。從表(biao)中可知，各(ge)種焊(han)(han)(han)接方(fang)法(fa)熔(rong)敷金(jin)(jin)屬(shu)耐沖(chong)(chong)蝕磨(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)與母材(cai)相當。熱(re)處理對藥芯焊(han)(han)(han)絲(si)(si)堆焊(han)(han)(han)層(ceng)耐沖(chong)(chong)蝕磨(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)影響不大，而控制層(ceng)間(jian)溫(wen)度能(neng)(neng)較明顯地提高藥芯焊(han)(han)(han)絲(si)(si)熔(rong)敷金(jin)(jin)屬(shu)的(de)(de)耐沖(chong)(chong)蝕磨(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)。總(zong)體上可以(yi)認(ren)為，除焊(han)(han)(han)帶的(de)(de)焊(han)(han)(han)接方(fang)法(fa)外(wai)，焊(han)(han)(han)條和藥芯焊(han)(han)(han)絲(si)(si)的(de)(de)耐沖(chong)(chong)磨(mo)損(sun)(sun)(sun)(sun)性(xing)(xing)(xing)(xing)堆焊(han)(han)(han)層(ceng)較好。
通過上(shang)述試驗可以認為，用藥芯焊絲堆(dui)焊磨損的水輪機(ji)是可行的，如果層間溫度控制在(zai)150～200℃，堆(dui)焊熔敷金屬(shu)的耐磨粒(li)磨損和(he)耐沖(chong)蝕磨損性能為最佳(jia)。
