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(han)用藥芯焊(han)絲配方設計
E410NiMo藥芯焊絲所用鋼帶為ER430鋼帶，其(qi)化(hua)學(xue)成分(fen)(fen)見表5-73。藥粉主要有(you)礦石(shi)粉和金屬粉組成，其(qi)主要成分(fen)(fen)見表5-74。
二、幾種焊(han)接方(fang)法對比的試樣(yang)制備與分析
選水(shui)輪機(ji)母(mu)材為ZG06Cr13Ni5Mo鋼，并將定義為0＃試樣(yang)(yang)，其主要成(cheng)分見表5-75。用E410NiMo藥芯(xin)焊(han)(han)絲堆(dui)(dui)焊(han)(han)3層，按表5-76堆(dui)(dui)焊(han)(han)參數所制備的堆(dui)(dui)焊(han)(han)的試樣(yang)(yang)編(bian)號為1＃、2和(he)3＃試樣(yang)(yang)。
其(qi)他焊(han)(han)(han)接方法的(de)堆焊(han)(han)(han)參數見表5-77，將(jiang)D410NiMo鋼帶的(de)堆焊(han)(han)(han)試樣編(bian)(bian)號為4＃，G227焊(han)(han)(han)條(tiao)的(de)堆焊(han)(han)(han)試樣編(bian)(bian)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(han)層(ceng)試樣的硬度
采(cai)用TH600布氏硬度(du)儀進行測定，要求在每個試(shi)樣堆焊(han)層(ceng)上測量5個點(dian)，取平均值，測定結果見(jian)表5-79。從試(shi)驗數(shu)據(ju)可知，水輪(lun)機母材(cai)的(de)(de)硬度(du)較各種焊(han)材(cai)熔(rong)敷(fu)金屬的(de)(de)硬度(du)偏(pian)低，與熱處(chu)理(li)過的(de)(de)藥芯焊(han)絲堆焊(han)試(shi)件硬度(du)相當。藥芯焊(han)絲的(de)(de)熔(rong)敷(fu)金屬的(de)(de)鐵素體含(han)量低于水輪(lun)機母材(cai)、焊(han)帶和焊(han)條的(de)(de)熔(rong)敷(fu)金屬的(de)(de)鐵素體含(han)量。
3. 各堆焊層的組織分析(xi)
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)粒磨(mo)損對比試(shi)驗(yan)
采用MLS-225型濕式(shi)橡膠輪磨(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)損(sun)(sun)試(shi)驗機。材(cai)料的(de)耐(nai)磨(mo)(mo)性能用磨(mo)(mo)損(sun)(sun)失去質(zhi)量(liang)來衡(heng)量(liang)，算出磨(mo)(mo)損(sun)(sun)前后試(shi)件的(de)平均質(zhi)量(liang)差。與試(shi)驗時用水(shui)輪機母材(cai)相比。對比件失去的(de)質(zhi)量(liang)與測量(liang)件失去的(de)質(zhi)量(liang)之比來衡(heng)量(liang)該堆焊(han)層(ceng)的(de)相對耐(nai)磨(mo)(mo)性。相對磨(mo)(mo)損(sun)(sun)率＝對比材(cai)料的(de)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)／0＃試(shi)樣材(cai)料的(de)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)量(liang)。試(shi)驗結果見表(biao)5-80。
試驗結果表明(ming)，在上(shang)述(shu)磨損條件下，各種堆焊方法熔敷金屬(shu)的(de)耐(nai)磨粒(li)(li)磨損性能比母材好，熱處(chu)理(li)對材料耐(nai)磨性能的(de)影(ying)響不大(da)，而控制層間溫度對提高(gao)熔敷金屬(shu)的(de)耐(nai)磨粒(li)(li)磨損性能有較好的(de)改(gai)善作用。總體來(lai)看，藥(yao)芯(xin)焊絲熔敷金屬(shu)的(de)耐(nai)磨粒(li)(li)磨損性能優于其(qi)他(ta)堆焊方法。
5. 沖蝕磨(mo)損對比試驗
為了模擬(ni)水(shui)輪機在(zai)實際(ji)工作(zuo)時所遭(zao)受的(de)含(han)沙(sha)水(shui)流(liu)沖(chong)(chong)蝕(shi)磨損情況，采(cai)用北京工業大(da)學自制的(de)水(shui)沙(sha)沖(chong)(chong)蝕(shi)磨損試驗機來測定試樣的(de)耐含(han)沙(sha)水(shui)流(liu)磨蝕(shi)的(de)能力。
試(shi)樣(yang)(yang)尺寸為57mm×25mm×10mm，將試(shi)樣(yang)(yang)裝(zhuang)在(zai)試(shi)樣(yang)(yang)臺(tai)上，按(an)試(shi)驗(yan)(yan)機的(de)(de)運(yun)行(xing)步驟進(jin)行(xing)試(shi)驗(yan)(yan)。每沖蝕磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)2h后(hou)停機，取(qu)出(chu)試(shi)樣(yang)(yang)并放入盛(sheng)有丙(bing)酮(tong)溶(rong)液的(de)(de)燒杯中(zhong)，在(zai)超聲波清洗(xi)儀中(zhong)清洗(xi)3～5min，干燥后(hou)采用BS224S電子天(tian)平進(jin)行(xing)試(shi)樣(yang)(yang)質量(liang)測(ce)量(liang)，精確(que)到0.0001g。材料的(de)(de)耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)用磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)前(qian)后(hou)失(shi)去質量(liang)的(de)(de)平均值來(lai)(lai)考核(he)。一(yi)共進(jin)行(xing)8h，對(dui)比藥(yao)(yao)芯焊絲(si)試(shi)件(jian)和其他(ta)堆(dui)焊方法試(shi)件(jian)失(shi)去的(de)(de)質量(liang)與母(mu)材失(shi)去的(de)(de)質量(liang)之比來(lai)(lai)衡量(liang)該方法的(de)(de)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)(sun)(sun)率＝對(dui)比材料的(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)量(liang)／0號試(shi)件(jian)的(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)量(liang)。試(shi)驗(yan)(yan)結果(guo)見表(biao)5-81。從(cong)表(biao)中(zhong)可知(zhi)，各種焊接方法熔敷(fu)金(jin)(jin)屬耐(nai)沖蝕磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)與母(mu)材相(xiang)當。熱處理對(dui)藥(yao)(yao)芯焊絲(si)堆(dui)焊層(ceng)耐(nai)沖蝕磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)影響不大，而控(kong)制層(ceng)間溫度能(neng)(neng)(neng)較(jiao)明顯地提高藥(yao)(yao)芯焊絲(si)熔敷(fu)金(jin)(jin)屬的(de)(de)耐(nai)沖蝕磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)。總(zong)體上可以認為，除焊帶的(de)(de)焊接方法外，焊條(tiao)和藥(yao)(yao)芯焊絲(si)的(de)(de)耐(nai)沖磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)(sun)性(xing)(xing)堆(dui)焊層(ceng)較(jiao)好。
通過上述試(shi)驗可以認為，用藥芯焊絲堆(dui)焊磨(mo)損的水輪機是可行的，如果層(ceng)間溫度控制在150～200℃，堆(dui)焊熔敷金屬的耐磨(mo)粒磨(mo)損和耐沖(chong)蝕磨(mo)損性能為最(zui)佳(jia)。
