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(ma)氏體(ti)不銹鋼(gang)。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(dui)焊用藥芯焊絲配方(fang)設計
E410NiMo藥芯焊(han)絲所用鋼帶(dai)為ER430鋼帶(dai)，其(qi)化(hua)學成(cheng)分(fen)見(jian)表(biao)5-73。藥粉主要有礦石(shi)粉和(he)金屬(shu)粉組成(cheng)，其(qi)主要成(cheng)分(fen)見(jian)表(biao)5-74。
二(er)、幾種焊接方法對比的試樣制備(bei)與分(fen)析
選(xuan)水輪(lun)機(ji)母材為ZG06Cr13Ni5Mo鋼，并將定(ding)義為0＃試(shi)樣(yang)，其主要成(cheng)分見表5-75。用E410NiMo藥芯焊(han)絲堆焊(han)3層，按表5-76堆焊(han)參(can)數所制備的(de)堆焊(han)的(de)試(shi)樣(yang)編號為1＃、2和3＃試(shi)樣(yang)。
其(qi)他焊(han)(han)接方法的堆(dui)焊(han)(han)參數(shu)見表5-77，將D410NiMo鋼帶的堆(dui)焊(han)(han)試樣編號(hao)為4＃，G227焊(han)(han)條的堆(dui)焊(han)(han)試樣編號(hao)為5＃。
1. 不同堆焊方法試樣與母材試樣化學成分進行對比
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(ding)堆焊層試樣的硬度
采用(yong)TH600布氏硬(ying)(ying)度儀進行測定，要求在(zai)每個(ge)(ge)試(shi)樣堆(dui)焊(han)(han)層上(shang)測量(liang)5個(ge)(ge)點，取(qu)平均值，測定結(jie)果見表5-79。從試(shi)驗數據可知(zhi)，水輪機母(mu)材的(de)(de)硬(ying)(ying)度較各種焊(han)(han)材熔敷(fu)金屬的(de)(de)硬(ying)(ying)度偏(pian)低，與熱處理(li)過的(de)(de)藥(yao)(yao)芯焊(han)(han)絲堆(dui)焊(han)(han)試(shi)件硬(ying)(ying)度相當。藥(yao)(yao)芯焊(han)(han)絲的(de)(de)熔敷(fu)金屬的(de)(de)鐵(tie)素體含量(liang)低于水輪機母(mu)材、焊(han)(han)帶和焊(han)(han)條的(de)(de)熔敷(fu)金屬的(de)(de)鐵(tie)素體含量(liang)。
3. 各堆(dui)焊層(ceng)的組織(zhi)分(fen)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. 磨粒磨損對比試(shi)驗(yan)
采用MLS-225型濕式橡膠輪(lun)磨(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)損(sun)試(shi)(shi)驗機(ji)。材(cai)料(liao)的耐磨(mo)(mo)性(xing)能(neng)用磨(mo)(mo)損(sun)失(shi)去(qu)質(zhi)量(liang)來衡(heng)量(liang)，算出(chu)磨(mo)(mo)損(sun)前后試(shi)(shi)件的平均質(zhi)量(liang)差(cha)。與試(shi)(shi)驗時用水輪(lun)機(ji)母材(cai)相(xiang)(xiang)比。對(dui)比件失(shi)去(qu)的質(zhi)量(liang)與測(ce)量(liang)件失(shi)去(qu)的質(zhi)量(liang)之比來衡(heng)量(liang)該(gai)堆焊層的相(xiang)(xiang)對(dui)耐磨(mo)(mo)性(xing)。相(xiang)(xiang)對(dui)磨(mo)(mo)損(sun)率＝對(dui)比材(cai)料(liao)的磨(mo)(mo)損(sun)量(liang)／0＃試(shi)(shi)樣(yang)材(cai)料(liao)的磨(mo)(mo)損(sun)量(liang)。試(shi)(shi)驗結果(guo)見表5-80。
試驗結果表明，在上(shang)述磨(mo)(mo)損條件下(xia)，各種堆(dui)焊(han)方法熔(rong)敷金屬(shu)的(de)(de)耐(nai)磨(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)損性(xing)能比(bi)母材(cai)(cai)好，熱(re)處理對材(cai)(cai)料耐(nai)磨(mo)(mo)性(xing)能的(de)(de)影響不大，而控(kong)制層間溫度對提(ti)高(gao)熔(rong)敷金屬(shu)的(de)(de)耐(nai)磨(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)損性(xing)能有較好的(de)(de)改善作用。總體來看，藥(yao)芯焊(han)絲熔(rong)敷金屬(shu)的(de)(de)耐(nai)磨(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)損性(xing)能優(you)于其他堆(dui)焊(han)方法。
5. 沖蝕磨損對(dui)比試驗(yan)
為了(le)模擬水(shui)輪機(ji)在實際(ji)工(gong)作時(shi)所遭(zao)受的含沙(sha)水(shui)流沖蝕磨損情況，采(cai)用北京工(gong)業大學自(zi)制的水(shui)沙(sha)沖蝕磨損試驗(yan)機(ji)來測(ce)定(ding)試樣的耐(nai)含沙(sha)水(shui)流磨蝕的能力(li)。
試樣(yang)尺寸為(wei)57mm×25mm×10mm，將(jiang)試樣(yang)裝在試樣(yang)臺上(shang)，按試驗機(ji)的(de)(de)(de)(de)運行(xing)步驟進行(xing)試驗。每(mei)沖(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)2h后(hou)停機(ji)，取(qu)出(chu)試樣(yang)并放入(ru)盛有丙酮溶液的(de)(de)(de)(de)燒(shao)杯中(zhong)，在超(chao)聲波清(qing)洗(xi)儀中(zhong)清(qing)洗(xi)3～5min，干燥后(hou)采用BS224S電子天平進行(xing)試樣(yang)質(zhi)量(liang)測量(liang)，精確到0.0001g。材料的(de)(de)(de)(de)耐(nai)(nai)磨(mo)(mo)性(xing)能(neng)用磨(mo)(mo)損(sun)(sun)前后(hou)失去(qu)質(zhi)量(liang)的(de)(de)(de)(de)平均值來考(kao)核。一共進行(xing)8h，對(dui)(dui)比(bi)藥(yao)芯(xin)(xin)焊(han)(han)(han)絲試件和(he)其(qi)他(ta)堆(dui)焊(han)(han)(han)方(fang)(fang)(fang)法試件失去(qu)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)與母材失去(qu)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)之比(bi)來衡量(liang)該方(fang)(fang)(fang)法的(de)(de)(de)(de)相對(dui)(dui)耐(nai)(nai)磨(mo)(mo)性(xing)。相對(dui)(dui)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)率＝對(dui)(dui)比(bi)材料的(de)(de)(de)(de)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)／0號(hao)試件的(de)(de)(de)(de)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)。試驗結果見表(biao)5-81。從表(biao)中(zhong)可知，各種焊(han)(han)(han)接方(fang)(fang)(fang)法熔敷(fu)金屬耐(nai)(nai)沖(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)能(neng)與母材相當(dang)。熱處理(li)對(dui)(dui)藥(yao)芯(xin)(xin)焊(han)(han)(han)絲堆(dui)焊(han)(han)(han)層耐(nai)(nai)沖(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)能(neng)影(ying)響(xiang)不大，而控制層間溫(wen)度能(neng)較明顯地提高藥(yao)芯(xin)(xin)焊(han)(han)(han)絲熔敷(fu)金屬的(de)(de)(de)(de)耐(nai)(nai)沖(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)能(neng)。總體(ti)上(shang)可以認(ren)為(wei)，除焊(han)(han)(han)帶的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)接方(fang)(fang)(fang)法外，焊(han)(han)(han)條和(he)藥(yao)芯(xin)(xin)焊(han)(han)(han)絲的(de)(de)(de)(de)耐(nai)(nai)沖(chong)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)性(xing)堆(dui)焊(han)(han)(han)層較好。
通過上述試驗可以認為，用(yong)藥(yao)芯焊絲堆焊磨損的(de)水輪機是可行的(de)，如果層間溫度控制在150～200℃，堆焊熔敷金(jin)屬的(de)耐磨粒磨損和耐沖蝕磨損性能為最佳。
