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堆焊用(yong)藥(yao)芯焊絲配方設計
E410NiMo藥芯焊絲(si)所用鋼帶為ER430鋼帶，其(qi)化學成分見(jian)表5-73。藥粉主(zhu)要有礦石粉和(he)金屬粉組成，其(qi)主(zhu)要成分見(jian)表5-74。
二(er)、幾種焊接方法對比的試樣制備與分(fen)析
選水輪機母(mu)材為(wei)ZG06Cr13Ni5Mo鋼，并將定義為(wei)0＃試樣(yang)，其主(zhu)要成分見表(biao)5-75。用E410NiMo藥芯(xin)焊絲堆焊3層，按表(biao)5-76堆焊參數所制備的堆焊的試樣(yang)編號為(wei)1＃、2和3＃試樣(yang)。
其(qi)他焊接方(fang)法的堆(dui)焊參數見表5-77，將D410NiMo鋼帶的堆(dui)焊試樣(yang)編號為4＃，G227焊條的堆(dui)焊試樣(yang)編號為5＃。
1. 不同堆焊方法試樣(yang)與母材(cai)試樣(yang)化學成(cheng)分進(jin)行(xing)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(dui)焊層試樣的(de)硬(ying)度
采用(yong)TH600布氏硬(ying)度(du)儀進行測定(ding)，要求(qiu)在每個試(shi)(shi)樣(yang)堆焊(han)層上測量5個點，取平均值，測定(ding)結果見表5-79。從試(shi)(shi)驗數(shu)據可知，水輪(lun)機母材的(de)(de)硬(ying)度(du)較各種焊(han)材熔(rong)(rong)敷金屬(shu)(shu)的(de)(de)硬(ying)度(du)偏(pian)低(di)，與(yu)熱處(chu)理過的(de)(de)藥芯焊(han)絲(si)堆焊(han)試(shi)(shi)件硬(ying)度(du)相當。藥芯焊(han)絲(si)的(de)(de)熔(rong)(rong)敷金屬(shu)(shu)的(de)(de)鐵(tie)素(su)體含(han)量低(di)于(yu)水輪(lun)機母材、焊(han)帶和焊(han)條的(de)(de)熔(rong)(rong)敷金屬(shu)(shu)的(de)(de)鐵(tie)素(su)體含(han)量。
3. 各堆焊層的組織分析
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. 磨粒磨損對比(bi)試驗(yan)
采(cai)用MLS-225型濕(shi)式橡膠輪磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)試(shi)驗機。材料(liao)的(de)耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)性(xing)能用磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)失(shi)去質(zhi)量(liang)(liang)來衡(heng)量(liang)(liang)，算出(chu)磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)前后試(shi)件(jian)的(de)平均質(zhi)量(liang)(liang)差(cha)。與試(shi)驗時用水輪機母材相比(bi)。對(dui)比(bi)件(jian)失(shi)去的(de)質(zhi)量(liang)(liang)與測量(liang)(liang)件(jian)失(shi)去的(de)質(zhi)量(liang)(liang)之(zhi)比(bi)來衡(heng)量(liang)(liang)該堆焊層(ceng)的(de)相對(dui)耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)性(xing)。相對(dui)磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)率＝對(dui)比(bi)材料(liao)的(de)磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)(liang)／0＃試(shi)樣材料(liao)的(de)磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)(liang)。試(shi)驗結果見表5-80。
試驗結果表明，在上(shang)述磨(mo)損條件下，各種堆焊方(fang)(fang)法(fa)熔敷金屬(shu)(shu)的耐(nai)磨(mo)粒(li)(li)(li)磨(mo)損性(xing)(xing)能(neng)比母材好，熱處理對材料耐(nai)磨(mo)性(xing)(xing)能(neng)的影響(xiang)不大，而控制層間溫度對提高(gao)熔敷金屬(shu)(shu)的耐(nai)磨(mo)粒(li)(li)(li)磨(mo)損性(xing)(xing)能(neng)有較好的改善作用(yong)。總體(ti)來看，藥芯(xin)焊絲熔敷金屬(shu)(shu)的耐(nai)磨(mo)粒(li)(li)(li)磨(mo)損性(xing)(xing)能(neng)優(you)于其他堆焊方(fang)(fang)法(fa)。
5. 沖蝕磨損對比試驗
為了模擬水(shui)輪機在實際(ji)工(gong)作時所遭(zao)受的含沙(sha)(sha)水(shui)流沖蝕(shi)磨損情況(kuang)，采用北京(jing)工(gong)業大學自制的水(shui)沙(sha)(sha)沖蝕(shi)磨損試驗機來測定試樣的耐含沙(sha)(sha)水(shui)流磨蝕(shi)的能力。
試(shi)(shi)樣(yang)(yang)尺寸為(wei)57mm×25mm×10mm，將試(shi)(shi)樣(yang)(yang)裝在試(shi)(shi)樣(yang)(yang)臺上，按試(shi)(shi)驗機的(de)(de)(de)運(yun)行(xing)步驟(zou)進(jin)(jin)行(xing)試(shi)(shi)驗。每沖(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損2h后(hou)(hou)停(ting)機，取出試(shi)(shi)樣(yang)(yang)并放入盛(sheng)有(you)丙酮溶(rong)液的(de)(de)(de)燒杯中(zhong)，在超(chao)聲(sheng)波清(qing)洗儀中(zhong)清(qing)洗3～5min，干燥后(hou)(hou)采(cai)用BS224S電子天平進(jin)(jin)行(xing)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)測量(liang)(liang)，精確到0.0001g。材料(liao)的(de)(de)(de)耐(nai)(nai)磨(mo)(mo)性(xing)(xing)能(neng)用磨(mo)(mo)損前(qian)后(hou)(hou)失去(qu)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)平均值來(lai)考核。一共進(jin)(jin)行(xing)8h，對(dui)比(bi)藥(yao)芯(xin)焊(han)(han)絲(si)試(shi)(shi)件(jian)和其他堆焊(han)(han)方(fang)法(fa)(fa)試(shi)(shi)件(jian)失去(qu)的(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)與母(mu)材失去(qu)的(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)之比(bi)來(lai)衡量(liang)(liang)該方(fang)法(fa)(fa)的(de)(de)(de)相對(dui)耐(nai)(nai)磨(mo)(mo)性(xing)(xing)。相對(dui)磨(mo)(mo)損率＝對(dui)比(bi)材料(liao)的(de)(de)(de)磨(mo)(mo)損量(liang)(liang)／0號試(shi)(shi)件(jian)的(de)(de)(de)磨(mo)(mo)損量(liang)(liang)。試(shi)(shi)驗結果(guo)見表5-81。從表中(zhong)可(ke)(ke)知(zhi)，各種焊(han)(han)接(jie)方(fang)法(fa)(fa)熔敷(fu)(fu)金屬(shu)(shu)耐(nai)(nai)沖(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損性(xing)(xing)能(neng)與母(mu)材相當。熱(re)處理對(dui)藥(yao)芯(xin)焊(han)(han)絲(si)堆焊(han)(han)層(ceng)耐(nai)(nai)沖(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損性(xing)(xing)能(neng)影響不大，而(er)控制層(ceng)間溫度(du)能(neng)較明顯地提高(gao)藥(yao)芯(xin)焊(han)(han)絲(si)熔敷(fu)(fu)金屬(shu)(shu)的(de)(de)(de)耐(nai)(nai)沖(chong)蝕(shi)磨(mo)(mo)損性(xing)(xing)能(neng)。總體上可(ke)(ke)以認為(wei)，除(chu)焊(han)(han)帶的(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)方(fang)法(fa)(fa)外，焊(han)(han)條和藥(yao)芯(xin)焊(han)(han)絲(si)的(de)(de)(de)耐(nai)(nai)沖(chong)磨(mo)(mo)損性(xing)(xing)堆焊(han)(han)層(ceng)較好。
通(tong)過(guo)上述(shu)試驗可(ke)以認為(wei)，用藥芯焊絲堆焊磨(mo)損的水輪機是可(ke)行的，如果層間溫度控(kong)制在(zai)150～200℃，堆焊熔敷(fu)金屬(shu)的耐(nai)(nai)磨(mo)粒磨(mo)損和耐(nai)(nai)沖(chong)蝕磨(mo)損性能為(wei)最佳。
