[发明专利]一种水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层及其制备方法与应用，属于陶瓷复合涂层及金属材料表面处理技术领域。本发明陶瓷复合涂层制备原料包括：合金镀液、陶瓷粉料、铁基纳米合金粉末、环氧混合料；其中，所述陶瓷粉料按重量份数计包括：石英砂20‑25份、钙基膨润土8‑15份、氮化硅3‑5份、氮化钛2‑5份、硅酸锆1.75‑2.5份、碳化钨1.5‑4份；所述铁基纳米合金粉末中各组分元素按质量百分比为：Cr 10.4％‑11.8％、Co 3.7％‑9.5％、Ni8.2％‑10.0％、W 2.6％‑3.6％、Si 7.2％‑8.0％、Al 4.4％‑6.0％、Ti 4％‑6.2％、B1.5％‑2.4％、C 2.8％‑4％、RE 0.05％‑0.1％，余量为Fe；所述环氧混合料包括环氧树脂、聚酰亚胺微球、硅粉。本发明陶瓷复合涂层不仅与叶片基材具有高的结合强度并且能够为基材表面提供出色的抗冲击性能与抗腐蚀性能，能够有效延长转轮叶片的使用周期。

技术领域

本发明属于陶瓷复合涂层及金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层及其制备方法与应用。

背景技术

水轮机是一种把水流能量转换为旋转机械能的动力机械，水轮机是水力发电必不可少的重要组成部分，是充分利用清洁可再生能源实现节能减排的重要设备，而水轮机转轮是将水能转换为机械能的关键部件。

与此同时，水轮机转轮也是水轮机中最容易受到损害的部位之一，水轮机转轮的轮毂与叶片是整个转轮的力学薄弱区，在水轮机机组运行中非常容易产生空蚀和裂纹等缺陷。当水轮机转轮内压力分布不均匀如转轮相对下游水位位置过高，高速水流流经低压区时，易于达到气化压力而产生气泡，当水流流至高压区时，由于压力增大，气泡凝结，水流质点以高速度向气泡中心撞击，以填充凝结产生的空隙，从而产生极大的水力冲击和电化学作用，使叶片受到剥蚀产生麻点及蜂窝性孔隙，甚至穿透形成孔洞；另外，水轮机运行过程中还会因水力自激振动引发交变荷载，交变荷载循环作用于叶片上导致叶片局部出现永久性损伤，随循环次数的增加损伤进一步扩大最终产生裂纹。作为水轮机中关键的组成部件，水轮机转轮的使用性能直接关系到水轮机机组的运行稳定性及寿命，解决水轮机转轮叶片容易产生空蚀、裂纹的问题已成为保证水轮机机组正常运行的关键。

针对上述缺陷，目前我国主要采用低碳马氏体不锈钢作为水轮机转轮的主要材料，以及在其表面采用堆焊、淬火等工艺方法制备保护涂层以增加转轮叶片的力学性能。然而，在实际运行过程中，人们发现此类保护涂层硬度或机械强度等性能仍存在不足，对转轮叶片基体材料的保护作用有限；另外此类保护涂层与转轮叶片基体材料的结合力较弱，在后续较短时间服役后局部即容易出现疲劳甚至脱落的现象，致使水轮机转轮的使用周期仍无法显著延长。

有鉴于此，需要研发设计一种更好的工艺手段对水轮机转轮叶片进行处理使其能够满足水轮机长时间的运行工作要求。

发明内容

针对目前水轮机转轮叶片所采用的低碳马氏体不锈钢及常规表面处理仍无法满足水轮机工作条件的问题，本发明的目的在于提供一种水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层及其制备方法与应用，旨在为水轮机转轮叶片基体材料提供更全面长效的保护作用，同时，本发明陶瓷复合涂层与水轮机转轮叶片基体材料结合强度高，能够显著延长水轮机转轮的使用周期。

本发明具体是通过如下技术方案实现的：

本发明提供了一种水轮机转轮叶片用陶瓷复合涂层，所述陶瓷复合涂层包括如下制备原料：合金镀液、陶瓷粉料、铁基纳米合金粉末、环氧混合料；

其中，所述陶瓷粉料按重量份数计包括：石英砂20-25份、钙基膨润土8-15 份、氮化硅3-5份、氮化钛2-5份、硅酸锆1.75-2.5份、碳化钨1.5-4份；

所述铁基纳米合金粉末中各组分元素按质量百分比为：Cr10.4％-11.8％、Co3.7％-9.5％、Ni8.2％-10.0％、W2.6％-3.6％、Si7.2％-8.0％、Al4.4％-6.0％、 Ti4％-6.2％、B1.5％-2.4％、C2.8％-4％、RE0.05％-0.1％，余量为Fe；