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、E410NiMo堆焊(han)用(yong)藥(yao)芯焊(han)絲(si)配(pei)方設計(ji)
E410NiMo藥(yao)芯焊絲所(suo)用鋼(gang)帶為ER430鋼(gang)帶，其(qi)化學成(cheng)(cheng)分(fen)見表5-73。藥(yao)粉(fen)主(zhu)要有礦石(shi)粉(fen)和金屬粉(fen)組成(cheng)(cheng)，其(qi)主(zhu)要成(cheng)(cheng)分(fen)見表5-74。
二、幾種焊接方法對比的試樣制備與分(fen)析
選水輪(lun)機(ji)母材(cai)為(wei)(wei)ZG06Cr13Ni5Mo鋼，并將定義(yi)為(wei)(wei)0＃試樣(yang)，其主要成分見表5-75。用E410NiMo藥芯焊絲堆焊3層，按表5-76堆焊參數所制備的堆焊的試樣(yang)編號為(wei)(wei)1＃、2和(he)3＃試樣(yang)。
其他焊(han)(han)接(jie)方(fang)法的(de)堆焊(han)(han)參數見表5-77，將D410NiMo鋼(gang)帶的(de)堆焊(han)(han)試樣編號(hao)為4＃，G227焊(han)(han)條的(de)堆焊(han)(han)試樣編號(hao)為5＃。
1. 不同堆焊方法試樣與(yu)母材(cai)試樣化(hua)學成分進(jin)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. 測定堆焊層試樣的硬(ying)度
采用(yong)TH600布(bu)氏硬度(du)儀進行測(ce)定(ding)，要求在每個(ge)試(shi)樣堆焊(han)層上測(ce)量5個(ge)點，取(qu)平均(jun)值，測(ce)定(ding)結(jie)果(guo)見表5-79。從試(shi)驗數據可知(zhi)，水輪(lun)(lun)機母材的(de)硬度(du)較各種焊(han)材熔(rong)敷(fu)金屬的(de)硬度(du)偏低，與熱處理(li)過的(de)藥芯焊(han)絲堆焊(han)試(shi)件硬度(du)相當。藥芯焊(han)絲的(de)熔(rong)敷(fu)金屬的(de)鐵(tie)素(su)(su)體含量低于(yu)水輪(lun)(lun)機母材、焊(han)帶(dai)和焊(han)條(tiao)的(de)熔(rong)敷(fu)金屬的(de)鐵(tie)素(su)(su)體含量。
3. 各堆焊(han)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(bi)試驗
采用MLS-225型(xing)濕式橡膠輪磨粒磨損試(shi)(shi)驗(yan)機(ji)(ji)。材料的(de)耐磨性能用磨損失去質量(liang)(liang)來衡量(liang)(liang)，算出磨損前后試(shi)(shi)件(jian)的(de)平均質量(liang)(liang)差(cha)。與(yu)試(shi)(shi)驗(yan)時(shi)用水輪機(ji)(ji)母材相比(bi)。對(dui)比(bi)件(jian)失去的(de)質量(liang)(liang)與(yu)測量(liang)(liang)件(jian)失去的(de)質量(liang)(liang)之比(bi)來衡量(liang)(liang)該堆焊層(ceng)的(de)相對(dui)耐磨性。相對(dui)磨損率＝對(dui)比(bi)材料的(de)磨損量(liang)(liang)／0＃試(shi)(shi)樣材料的(de)磨損量(liang)(liang)。試(shi)(shi)驗(yan)結(jie)果見表5-80。
試驗(yan)結果(guo)表(biao)明，在上(shang)述(shu)磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)條件下，各種(zhong)堆焊方法熔(rong)敷(fu)金屬的(de)(de)耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)能比母材好，熱處理對(dui)材料耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)性(xing)能的(de)(de)影響不大，而控制層間(jian)溫(wen)度對(dui)提(ti)高熔(rong)敷(fu)金屬的(de)(de)耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)能有較好的(de)(de)改善作用。總體(ti)來看(kan)，藥芯(xin)焊絲熔(rong)敷(fu)金屬的(de)(de)耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)能優(you)于其他(ta)堆焊方法。
5. 沖蝕磨損對比試驗
為了模擬(ni)水輪(lun)機在實際工(gong)作(zuo)時所遭受的(de)含沙(sha)(sha)(sha)水流(liu)沖蝕磨(mo)(mo)損(sun)情況，采用北(bei)京工(gong)業大學(xue)自制的(de)水沙(sha)(sha)(sha)沖蝕磨(mo)(mo)損(sun)試驗機來測定試樣的(de)耐含沙(sha)(sha)(sha)水流(liu)磨(mo)(mo)蝕的(de)能力。
試(shi)(shi)(shi)樣尺寸為(wei)57mm×25mm×10mm，將試(shi)(shi)(shi)樣裝在試(shi)(shi)(shi)樣臺上(shang)，按(an)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)機(ji)的運行(xing)步驟進行(xing)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)。每沖(chong)蝕磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)2h后停機(ji)，取出試(shi)(shi)(shi)樣并放(fang)入盛有丙酮溶液(ye)的燒杯(bei)中(zhong)，在超(chao)聲(sheng)波清洗儀中(zhong)清洗3～5min，干燥后采用BS224S電子天平進行(xing)試(shi)(shi)(shi)樣質(zhi)量(liang)測量(liang)，精確到0.0001g。材(cai)料(liao)的耐(nai)(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)性(xing)能(neng)用磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)前后失(shi)(shi)去質(zhi)量(liang)的平均值來考核。一共進行(xing)8h，對比(bi)藥(yao)芯(xin)焊(han)(han)(han)絲試(shi)(shi)(shi)件和(he)其(qi)他堆(dui)焊(han)(han)(han)方(fang)法(fa)試(shi)(shi)(shi)件失(shi)(shi)去的質(zhi)量(liang)與母(mu)材(cai)失(shi)(shi)去的質(zhi)量(liang)之比(bi)來衡量(liang)該(gai)方(fang)法(fa)的相對耐(nai)(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)性(xing)。相對磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)率＝對比(bi)材(cai)料(liao)的磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)／0號試(shi)(shi)(shi)件的磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)。試(shi)(shi)(shi)驗(yan)結(jie)果見(jian)表5-81。從表中(zhong)可(ke)知，各種(zhong)焊(han)(han)(han)接(jie)方(fang)法(fa)熔(rong)敷金(jin)屬(shu)耐(nai)(nai)沖(chong)蝕磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)能(neng)與母(mu)材(cai)相當。熱處(chu)理對藥(yao)芯(xin)焊(han)(han)(han)絲堆(dui)焊(han)(han)(han)層(ceng)(ceng)(ceng)耐(nai)(nai)沖(chong)蝕磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)能(neng)影響不(bu)大，而控(kong)制層(ceng)(ceng)(ceng)間溫度能(neng)較明(ming)顯地提高藥(yao)芯(xin)焊(han)(han)(han)絲熔(rong)敷金(jin)屬(shu)的耐(nai)(nai)沖(chong)蝕磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)能(neng)。總(zong)體(ti)上(shang)可(ke)以認為(wei)，除焊(han)(han)(han)帶的焊(han)(han)(han)接(jie)方(fang)法(fa)外(wai)，焊(han)(han)(han)條和(he)藥(yao)芯(xin)焊(han)(han)(han)絲的耐(nai)(nai)沖(chong)磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)堆(dui)焊(han)(han)(han)層(ceng)(ceng)(ceng)較好。
通(tong)過上述試驗可以(yi)認為(wei)，用藥芯焊絲堆(dui)焊磨(mo)損(sun)的(de)(de)水(shui)輪(lun)機(ji)是可行的(de)(de)，如果層間溫度控制在150～200℃，堆(dui)焊熔敷金(jin)屬的(de)(de)耐磨(mo)粒磨(mo)損(sun)和耐沖蝕磨(mo)損(sun)性能為(wei)最(zui)佳。
