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(shi)體不(bu)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堆焊用藥(yao)芯焊絲配方設計
E410NiMo藥芯焊絲所用(yong)鋼帶(dai)為ER430鋼帶(dai)，其化(hua)學成(cheng)分(fen)見(jian)表5-73。藥粉主要有礦石粉和金屬粉組成(cheng)，其主要成(cheng)分(fen)見(jian)表5-74。
二、幾種焊接方法對比的試樣制(zhi)備與分析
選(xuan)水輪機母材為ZG06Cr13Ni5Mo鋼，并將定義(yi)為0＃試樣(yang)，其主要成分見表(biao)5-75。用E410NiMo藥芯(xin)焊絲(si)堆(dui)焊3層，按表(biao)5-76堆(dui)焊參(can)數所制備的(de)堆(dui)焊的(de)試樣(yang)編號為1＃、2和3＃試樣(yang)。
其他焊(han)接方法(fa)的(de)堆(dui)焊(han)參數見表(biao)5-77，將D410NiMo鋼帶的(de)堆(dui)焊(han)試(shi)樣(yang)編號為4＃，G227焊(han)條(tiao)的(de)堆(dui)焊(han)試(shi)樣(yang)編號為5＃。
1. 不同堆焊(han)方法試樣與母材試樣化(hua)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(dui)焊層(ceng)試樣(yang)的硬度
采(cai)用(yong)TH600布氏硬度(du)儀進行測(ce)定，要求(qiu)在每個試樣(yang)堆(dui)焊(han)層上測(ce)量(liang)5個點，取平均值，測(ce)定結(jie)果見表5-79。從(cong)試驗數據(ju)可知，水(shui)輪(lun)機母材的(de)(de)(de)硬度(du)較各種焊(han)材熔(rong)敷(fu)金屬(shu)的(de)(de)(de)硬度(du)偏低，與熱處理(li)過的(de)(de)(de)藥(yao)芯焊(han)絲(si)堆(dui)焊(han)試件硬度(du)相當。藥(yao)芯焊(han)絲(si)的(de)(de)(de)熔(rong)敷(fu)金屬(shu)的(de)(de)(de)鐵素體含(han)量(liang)低于水(shui)輪(lun)機母材、焊(han)帶和焊(han)條的(de)(de)(de)熔(rong)敷(fu)金屬(shu)的(de)(de)(de)鐵素體含(han)量(liang)。
3. 各堆(dui)焊層的(de)組(zu)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. 磨粒磨損對比試(shi)驗(yan)
采用MLS-225型濕式(shi)橡膠輪(lun)磨(mo)粒磨(mo)損試(shi)驗(yan)(yan)機。材(cai)(cai)(cai)(cai)料的(de)耐(nai)磨(mo)性能用磨(mo)損失去(qu)質(zhi)(zhi)量(liang)來衡(heng)量(liang)，算出磨(mo)損前后(hou)試(shi)件(jian)(jian)的(de)平均質(zhi)(zhi)量(liang)差。與(yu)試(shi)驗(yan)(yan)時用水輪(lun)機母(mu)材(cai)(cai)(cai)(cai)相比。對比件(jian)(jian)失去(qu)的(de)質(zhi)(zhi)量(liang)與(yu)測量(liang)件(jian)(jian)失去(qu)的(de)質(zhi)(zhi)量(liang)之比來衡(heng)量(liang)該堆(dui)焊層的(de)相對耐(nai)磨(mo)性。相對磨(mo)損率＝對比材(cai)(cai)(cai)(cai)料的(de)磨(mo)損量(liang)／0＃試(shi)樣材(cai)(cai)(cai)(cai)料的(de)磨(mo)損量(liang)。試(shi)驗(yan)(yan)結果見(jian)表5-80。
試驗結果表(biao)明，在上(shang)述(shu)磨損(sun)條件下，各種堆焊(han)(han)方法熔敷金屬的(de)耐磨粒(li)(li)磨損(sun)性(xing)能(neng)比母材(cai)好，熱(re)處理對材(cai)料耐磨性(xing)能(neng)的(de)影響不大，而控制層間溫度對提高(gao)熔敷金屬的(de)耐磨粒(li)(li)磨損(sun)性(xing)能(neng)有較好的(de)改善作用。總體來看(kan)，藥芯焊(han)(han)絲熔敷金屬的(de)耐磨粒(li)(li)磨損(sun)性(xing)能(neng)優于其他堆焊(han)(han)方法。
5. 沖蝕磨損對比試驗(yan)
為了模擬水輪(lun)機在實(shi)際(ji)工作時(shi)所遭受的(de)含(han)沙(sha)(sha)水流(liu)沖(chong)蝕(shi)(shi)磨損(sun)(sun)情況，采用(yong)北京(jing)工業大學自(zi)制的(de)水沙(sha)(sha)沖(chong)蝕(shi)(shi)磨損(sun)(sun)試(shi)驗機來(lai)測定試(shi)樣的(de)耐含(han)沙(sha)(sha)水流(liu)磨蝕(shi)(shi)的(de)能力。
試(shi)樣(yang)尺寸為(wei)57mm×25mm×10mm，將試(shi)樣(yang)裝在試(shi)樣(yang)臺上，按試(shi)驗(yan)機的運行步(bu)驟進(jin)行試(shi)驗(yan)。每沖蝕(shi)磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)2h后停機，取(qu)出試(shi)樣(yang)并放入(ru)盛有丙酮溶液的燒杯中，在超(chao)聲(sheng)波清洗儀(yi)中清洗3～5min，干(gan)燥后采用(yong)BS224S電子天平進(jin)行試(shi)樣(yang)質量(liang)(liang)(liang)測量(liang)(liang)(liang)，精確(que)到0.0001g。材料的耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)性(xing)(xing)能用(yong)磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)前后失去質量(liang)(liang)(liang)的平均值來考核(he)。一共(gong)進(jin)行8h，對(dui)比藥(yao)芯(xin)(xin)焊(han)(han)(han)絲(si)試(shi)件(jian)和(he)其他堆焊(han)(han)(han)方(fang)法試(shi)件(jian)失去的質量(liang)(liang)(liang)與(yu)母材失去的質量(liang)(liang)(liang)之比來衡量(liang)(liang)(liang)該方(fang)法的相(xiang)對(dui)耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)性(xing)(xing)。相(xiang)對(dui)磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)率(lv)＝對(dui)比材料的磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)量(liang)(liang)(liang)／0號試(shi)件(jian)的磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)量(liang)(liang)(liang)。試(shi)驗(yan)結果(guo)見表5-81。從表中可知，各種焊(han)(han)(han)接方(fang)法熔敷金屬(shu)耐(nai)沖蝕(shi)磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)性(xing)(xing)能與(yu)母材相(xiang)當。熱處理對(dui)藥(yao)芯(xin)(xin)焊(han)(han)(han)絲(si)堆焊(han)(han)(han)層耐(nai)沖蝕(shi)磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)性(xing)(xing)能影響不(bu)大(da)，而控制層間(jian)溫度能較明顯地提高藥(yao)芯(xin)(xin)焊(han)(han)(han)絲(si)熔敷金屬(shu)的耐(nai)沖蝕(shi)磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)性(xing)(xing)能。總體上可以(yi)認為(wei)，除焊(han)(han)(han)帶(dai)的焊(han)(han)(han)接方(fang)法外(wai)，焊(han)(han)(han)條(tiao)和(he)藥(yao)芯(xin)(xin)焊(han)(han)(han)絲(si)的耐(nai)沖磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)性(xing)(xing)堆焊(han)(han)(han)層較好。
通(tong)過(guo)上述試驗(yan)可(ke)以認為(wei)，用藥芯焊絲堆(dui)焊磨(mo)(mo)損的(de)(de)水(shui)輪(lun)機是(shi)可(ke)行的(de)(de)，如果層間溫度(du)控(kong)制在150～200℃，堆(dui)焊熔(rong)敷(fu)金(jin)屬的(de)(de)耐(nai)磨(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)損和耐(nai)沖蝕磨(mo)(mo)損性能為(wei)最佳。
