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(bu)銹(xiu)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堆焊用藥芯焊絲配方設計
E410NiMo藥芯焊絲所用鋼(gang)帶為ER430鋼(gang)帶，其化學成分見(jian)表(biao)5-73。藥粉主要有礦石粉和(he)金屬(shu)粉組成，其主要成分見(jian)表(biao)5-74。
二(er)、幾種(zhong)焊(han)接(jie)方法對(dui)比的試樣制備與分(fen)析
選(xuan)水輪機母材為ZG06Cr13Ni5Mo鋼，并(bing)將定義為0＃試樣(yang)，其主要成分見表5-75。用E410NiMo藥芯焊絲堆焊3層，按(an)表5-76堆焊參數(shu)所(suo)制備的(de)堆焊的(de)試樣(yang)編號(hao)為1＃、2和3＃試樣(yang)。
其他(ta)焊接方法的堆(dui)(dui)焊參數(shu)見表5-77，將D410NiMo鋼帶的堆(dui)(dui)焊試樣(yang)編(bian)(bian)號為(wei)4＃，G227焊條的堆(dui)(dui)焊試樣(yang)編(bian)(bian)號為(wei)5＃。
1. 不同(tong)堆焊(han)方(fang)法試樣與母材試樣化學成分(fen)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. 測定堆焊層(ceng)試(shi)樣的硬度
采用TH600布氏硬(ying)(ying)(ying)度(du)儀進(jin)行(xing)測定(ding)，要求在每個試(shi)(shi)樣(yang)堆焊層上測量(liang)5個點，取平均值，測定(ding)結(jie)果見表5-79。從試(shi)(shi)驗數據可知，水輪機(ji)母材(cai)的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)(ying)度(du)較各種焊材(cai)熔敷(fu)(fu)金屬的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)(ying)度(du)偏低，與熱處理過的(de)(de)(de)藥(yao)芯(xin)焊絲(si)堆焊試(shi)(shi)件硬(ying)(ying)(ying)度(du)相當。藥(yao)芯(xin)焊絲(si)的(de)(de)(de)熔敷(fu)(fu)金屬的(de)(de)(de)鐵素(su)體含(han)量(liang)低于水輪機(ji)母材(cai)、焊帶和焊條(tiao)的(de)(de)(de)熔敷(fu)(fu)金屬的(de)(de)(de)鐵素(su)體含(han)量(liang)。
3. 各(ge)堆(dui)焊層(ceng)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(sun)對比(bi)試(shi)驗
采用MLS-225型(xing)濕(shi)式橡膠(jiao)輪(lun)磨(mo)(mo)粒(li)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)試(shi)驗(yan)機。材(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)(de)耐磨(mo)(mo)性能用磨(mo)(mo)損(sun)(sun)失(shi)(shi)去(qu)質(zhi)量來(lai)衡量，算(suan)出磨(mo)(mo)損(sun)(sun)前(qian)后試(shi)件的(de)(de)(de)平(ping)均質(zhi)量差。與試(shi)驗(yan)時用水輪(lun)機母材(cai)(cai)(cai)相(xiang)比(bi)。對(dui)(dui)比(bi)件失(shi)(shi)去(qu)的(de)(de)(de)質(zhi)量與測量件失(shi)(shi)去(qu)的(de)(de)(de)質(zhi)量之比(bi)來(lai)衡量該堆焊層的(de)(de)(de)相(xiang)對(dui)(dui)耐磨(mo)(mo)性。相(xiang)對(dui)(dui)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)率＝對(dui)(dui)比(bi)材(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)(de)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)量／0＃試(shi)樣(yang)材(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)(de)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)量。試(shi)驗(yan)結(jie)果見表5-80。
試驗結果表(biao)明(ming)，在(zai)上(shang)述(shu)磨(mo)損(sun)條件下，各種堆焊方(fang)法熔(rong)敷金(jin)屬(shu)的(de)(de)耐(nai)磨(mo)粒(li)(li)磨(mo)損(sun)性(xing)能(neng)比母材好，熱處理對材料耐(nai)磨(mo)性(xing)能(neng)的(de)(de)影響不大，而控制層間(jian)溫度對提(ti)高熔(rong)敷金(jin)屬(shu)的(de)(de)耐(nai)磨(mo)粒(li)(li)磨(mo)損(sun)性(xing)能(neng)有較好的(de)(de)改善作用。總體來看，藥芯焊絲熔(rong)敷金(jin)屬(shu)的(de)(de)耐(nai)磨(mo)粒(li)(li)磨(mo)損(sun)性(xing)能(neng)優于其他(ta)堆焊方(fang)法。
5. 沖蝕磨(mo)損對比試驗
為(wei)了模擬水(shui)(shui)輪機在實際工作時所遭受的(de)(de)含(han)沙水(shui)(shui)流沖蝕磨(mo)(mo)損(sun)情況，采用北京工業大學(xue)自制的(de)(de)水(shui)(shui)沙沖蝕磨(mo)(mo)損(sun)試驗機來測(ce)定試樣的(de)(de)耐含(han)沙水(shui)(shui)流磨(mo)(mo)蝕的(de)(de)能力。
試(shi)(shi)(shi)樣(yang)尺寸(cun)為57mm×25mm×10mm，將試(shi)(shi)(shi)樣(yang)裝在試(shi)(shi)(shi)樣(yang)臺上，按(an)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)機(ji)的運行(xing)(xing)步(bu)驟進行(xing)(xing)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)。每(mei)沖(chong)(chong)(chong)蝕(shi)磨(mo)損(sun)2h后(hou)停機(ji)，取出(chu)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)并(bing)放入盛有丙酮溶液的燒(shao)杯中，在超(chao)聲波(bo)清洗儀中清洗3～5min，干燥后(hou)采(cai)用BS224S電子天平進行(xing)(xing)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)質(zhi)量(liang)(liang)測量(liang)(liang)，精(jing)確(que)到0.0001g。材料的耐(nai)(nai)磨(mo)性(xing)能(neng)用磨(mo)損(sun)前后(hou)失(shi)去(qu)質(zhi)量(liang)(liang)的平均值(zhi)來(lai)考核。一共進行(xing)(xing)8h，對比(bi)藥(yao)芯(xin)焊絲(si)試(shi)(shi)(shi)件和其他堆(dui)焊方法試(shi)(shi)(shi)件失(shi)去(qu)的質(zhi)量(liang)(liang)與(yu)母材失(shi)去(qu)的質(zhi)量(liang)(liang)之比(bi)來(lai)衡量(liang)(liang)該方法的相(xiang)對耐(nai)(nai)磨(mo)性(xing)。相(xiang)對磨(mo)損(sun)率＝對比(bi)材料的磨(mo)損(sun)量(liang)(liang)／0號試(shi)(shi)(shi)件的磨(mo)損(sun)量(liang)(liang)。試(shi)(shi)(shi)驗(yan)結果見表5-81。從表中可(ke)知，各種焊接方法熔(rong)敷(fu)金屬耐(nai)(nai)沖(chong)(chong)(chong)蝕(shi)磨(mo)損(sun)性(xing)能(neng)與(yu)母材相(xiang)當(dang)。熱處理(li)對藥(yao)芯(xin)焊絲(si)堆(dui)焊層耐(nai)(nai)沖(chong)(chong)(chong)蝕(shi)磨(mo)損(sun)性(xing)能(neng)影響不大，而控制層間(jian)溫度能(neng)較明(ming)顯(xian)地提高藥(yao)芯(xin)焊絲(si)熔(rong)敷(fu)金屬的耐(nai)(nai)沖(chong)(chong)(chong)蝕(shi)磨(mo)損(sun)性(xing)能(neng)。總體上可(ke)以認為，除焊帶的焊接方法外，焊條和藥(yao)芯(xin)焊絲(si)的耐(nai)(nai)沖(chong)(chong)(chong)磨(mo)損(sun)性(xing)堆(dui)焊層較好。
通過(guo)上述試驗(yan)可以認為，用藥芯焊(han)絲(si)堆焊(han)磨損(sun)的(de)(de)水輪機是可行的(de)(de)，如果層間溫度控制在150～200℃，堆焊(han)熔敷金(jin)屬的(de)(de)耐磨粒磨損(sun)和耐沖(chong)蝕磨損(sun)性能為最(zui)佳。
