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(ti)不(bu)銹(xiu)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(yi)、E410NiMo堆焊用藥芯焊絲(si)配方設計
E410NiMo藥(yao)芯焊絲所(suo)用鋼(gang)帶(dai)為ER430鋼(gang)帶(dai)，其(qi)化學成分見表5-73。藥(yao)粉(fen)主要(yao)有礦石粉(fen)和金(jin)屬粉(fen)組成，其(qi)主要(yao)成分見表5-74。
二、幾種焊接方(fang)法對比的試樣制備與分(fen)析(xi)
選水輪機(ji)母材(cai)為ZG06Cr13Ni5Mo鋼，并將定義為0＃試樣，其主(zhu)要(yao)成分見表5-75。用E410NiMo藥(yao)芯焊(han)(han)絲堆焊(han)(han)3層，按表5-76堆焊(han)(han)參數所制備的(de)堆焊(han)(han)的(de)試樣編號為1＃、2和3＃試樣。
其他焊(han)(han)接方法的堆(dui)(dui)焊(han)(han)參數見表5-77，將D410NiMo鋼帶的堆(dui)(dui)焊(han)(han)試(shi)樣編號為4＃，G227焊(han)(han)條的堆(dui)(dui)焊(han)(han)試(shi)樣編號為5＃。
1. 不(bu)同堆(dui)焊方(fang)法試(shi)樣(yang)與母材試(shi)樣(yang)化(hua)學成(cheng)分進行對比(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TH600布氏硬(ying)度儀(yi)進行測(ce)定，要求(qiu)在每(mei)個試樣堆(dui)焊層(ceng)上測(ce)量(liang)5個點，取平均值，測(ce)定結果見表5-79。從試驗數據可知(zhi)，水輪機(ji)母材的(de)(de)硬(ying)度較(jiao)各種(zhong)焊材熔敷金(jin)屬(shu)的(de)(de)硬(ying)度偏低(di)，與熱處理過的(de)(de)藥芯(xin)焊絲(si)堆(dui)焊試件硬(ying)度相當。藥芯(xin)焊絲(si)的(de)(de)熔敷金(jin)屬(shu)的(de)(de)鐵素體含(han)量(liang)低(di)于水輪機(ji)母材、焊帶(dai)和焊條(tiao)的(de)(de)熔敷金(jin)屬(shu)的(de)(de)鐵素體含(han)量(liang)。
3. 各堆焊層的(de)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(mo)粒(li)磨(mo)損對(dui)比(bi)試(shi)驗(yan)
采用(yong)(yong)MLS-225型濕式(shi)橡膠(jiao)輪磨(mo)粒磨(mo)損(sun)試驗機。材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)耐磨(mo)性能用(yong)(yong)磨(mo)損(sun)失(shi)去質量來衡量，算出磨(mo)損(sun)前后試件(jian)(jian)的(de)(de)平均質量差。與試驗時(shi)用(yong)(yong)水輪機母材(cai)(cai)相(xiang)比(bi)。對比(bi)件(jian)(jian)失(shi)去的(de)(de)質量與測(ce)量件(jian)(jian)失(shi)去的(de)(de)質量之比(bi)來衡量該(gai)堆焊層(ceng)的(de)(de)相(xiang)對耐磨(mo)性。相(xiang)對磨(mo)損(sun)率＝對比(bi)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)磨(mo)損(sun)量／0＃試樣材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)磨(mo)損(sun)量。試驗結果見表(biao)5-80。
試驗結(jie)果表明(ming)，在上述(shu)磨(mo)損條件下(xia)，各(ge)種堆焊(han)(han)方法熔(rong)敷(fu)金屬(shu)的(de)(de)耐(nai)磨(mo)粒磨(mo)損性(xing)能比母材好，熱(re)處理對材料耐(nai)磨(mo)性(xing)能的(de)(de)影響不大(da)，而控制(zhi)層間溫(wen)度對提高熔(rong)敷(fu)金屬(shu)的(de)(de)耐(nai)磨(mo)粒磨(mo)損性(xing)能有較好的(de)(de)改善作用。總體來看，藥芯焊(han)(han)絲熔(rong)敷(fu)金屬(shu)的(de)(de)耐(nai)磨(mo)粒磨(mo)損性(xing)能優(you)于其(qi)他堆焊(han)(han)方法。
5. 沖蝕磨損對比試驗
為了(le)模擬水輪機(ji)(ji)在實際工(gong)作時所遭(zao)受的含沙水流沖蝕(shi)磨損情況，采用北(bei)京工(gong)業大學自(zi)制的水沙沖蝕(shi)磨損試驗機(ji)(ji)來測定試樣的耐含沙水流磨蝕(shi)的能力。
試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)尺寸(cun)為(wei)57mm×25mm×10mm，將試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)裝在(zai)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)臺上(shang)，按試(shi)(shi)(shi)驗機的(de)運行(xing)(xing)步驟進(jin)行(xing)(xing)試(shi)(shi)(shi)驗。每沖(chong)(chong)蝕磨(mo)(mo)損2h后(hou)停機，取出試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)并放入盛有丙酮溶液的(de)燒(shao)杯中，在(zai)超聲波清洗(xi)儀中清洗(xi)3～5min，干燥后(hou)采用BS224S電子天(tian)平進(jin)行(xing)(xing)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)質(zhi)(zhi)量(liang)測量(liang)，精確到0.0001g。材料(liao)的(de)耐磨(mo)(mo)性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)用磨(mo)(mo)損前后(hou)失(shi)(shi)去(qu)質(zhi)(zhi)量(liang)的(de)平均值(zhi)來(lai)考核。一(yi)共(gong)進(jin)行(xing)(xing)8h，對(dui)(dui)(dui)比藥(yao)芯焊(han)(han)(han)(han)絲(si)試(shi)(shi)(shi)件和其他堆(dui)焊(han)(han)(han)(han)方法(fa)(fa)試(shi)(shi)(shi)件失(shi)(shi)去(qu)的(de)質(zhi)(zhi)量(liang)與(yu)母材失(shi)(shi)去(qu)的(de)質(zhi)(zhi)量(liang)之(zhi)比來(lai)衡量(liang)該方法(fa)(fa)的(de)相(xiang)對(dui)(dui)(dui)耐磨(mo)(mo)性(xing)(xing)(xing)(xing)。相(xiang)對(dui)(dui)(dui)磨(mo)(mo)損率＝對(dui)(dui)(dui)比材料(liao)的(de)磨(mo)(mo)損量(liang)／0號試(shi)(shi)(shi)件的(de)磨(mo)(mo)損量(liang)。試(shi)(shi)(shi)驗結果見表5-81。從(cong)表中可知(zhi)，各(ge)種焊(han)(han)(han)(han)接方法(fa)(fa)熔(rong)敷(fu)金(jin)屬耐沖(chong)(chong)蝕磨(mo)(mo)損性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)與(yu)母材相(xiang)當。熱處理對(dui)(dui)(dui)藥(yao)芯焊(han)(han)(han)(han)絲(si)堆(dui)焊(han)(han)(han)(han)層耐沖(chong)(chong)蝕磨(mo)(mo)損性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)影響不大(da)，而控制層間溫度(du)能(neng)(neng)(neng)較明顯地提高藥(yao)芯焊(han)(han)(han)(han)絲(si)熔(rong)敷(fu)金(jin)屬的(de)耐沖(chong)(chong)蝕磨(mo)(mo)損性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)。總(zong)體上(shang)可以認為(wei)，除焊(han)(han)(han)(han)帶的(de)焊(han)(han)(han)(han)接方法(fa)(fa)外，焊(han)(han)(han)(han)條和藥(yao)芯焊(han)(han)(han)(han)絲(si)的(de)耐沖(chong)(chong)磨(mo)(mo)損性(xing)(xing)(xing)(xing)堆(dui)焊(han)(han)(han)(han)層較好。
通過上述試驗可以(yi)認為(wei)，用(yong)藥芯焊絲堆焊磨損(sun)的水輪機是可行的，如果層間溫度控制在150～200℃，堆焊熔(rong)敷(fu)金屬的耐磨粒磨損(sun)和耐沖蝕磨損(sun)性能為(wei)最佳。
