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(ti)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(yi)、E410NiMo堆焊用藥芯(xin)焊絲配方設計(ji)
E410NiMo藥芯焊絲(si)所用(yong)鋼帶為ER430鋼帶，其化(hua)學成分(fen)(fen)見表(biao)5-73。藥粉主要(yao)有礦石粉和金(jin)屬粉組成，其主要(yao)成分(fen)(fen)見表(biao)5-74。
二、幾種焊接方法對比的試樣制備與分析
選水輪機母材為ZG06Cr13Ni5Mo鋼，并將定(ding)義為0＃試(shi)樣，其主要成分見表5-75。用E410NiMo藥芯焊(han)(han)絲堆(dui)焊(han)(han)3層(ceng)，按表5-76堆(dui)焊(han)(han)參(can)數所制備的堆(dui)焊(han)(han)的試(shi)樣編號為1＃、2和3＃試(shi)樣。
其他焊(han)(han)(han)接方法的堆焊(han)(han)(han)參數見表5-77，將D410NiMo鋼(gang)帶的堆焊(han)(han)(han)試(shi)樣編(bian)號為(wei)4＃，G227焊(han)(han)(han)條(tiao)的堆焊(han)(han)(han)試(shi)樣編(bian)號為(wei)5＃。
1. 不同堆焊方法試樣(yang)與母材試樣(yang)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)堆焊層試樣(yang)的(de)硬(ying)度
采用(yong)TH600布氏(shi)硬(ying)(ying)(ying)度儀進行測定，要求(qiu)在每個試(shi)樣(yang)堆焊(han)(han)(han)層上測量5個點，取平均(jun)值，測定結(jie)果(guo)見表5-79。從試(shi)驗數據可知，水輪機母(mu)材(cai)的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)(ying)度較各種焊(han)(han)(han)材(cai)熔(rong)(rong)敷(fu)(fu)金(jin)屬的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)(ying)度偏低(di)，與熱處(chu)理過的(de)(de)(de)藥芯焊(han)(han)(han)絲堆焊(han)(han)(han)試(shi)件硬(ying)(ying)(ying)度相(xiang)當。藥芯焊(han)(han)(han)絲的(de)(de)(de)熔(rong)(rong)敷(fu)(fu)金(jin)屬的(de)(de)(de)鐵(tie)素體含(han)量低(di)于(yu)水輪機母(mu)材(cai)、焊(han)(han)(han)帶(dai)和焊(han)(han)(han)條的(de)(de)(de)熔(rong)(rong)敷(fu)(fu)金(jin)屬的(de)(de)(de)鐵(tie)素體含(han)量。
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)損對比試驗
采用MLS-225型濕式橡膠(jiao)輪磨粒磨損(sun)(sun)試(shi)驗機(ji)。材(cai)(cai)(cai)料(liao)的耐(nai)(nai)磨性(xing)能用磨損(sun)(sun)失(shi)(shi)去質量(liang)來衡量(liang)，算(suan)出磨損(sun)(sun)前后試(shi)件的平均質量(liang)差。與(yu)試(shi)驗時用水輪機(ji)母材(cai)(cai)(cai)相比。對(dui)比件失(shi)(shi)去的質量(liang)與(yu)測量(liang)件失(shi)(shi)去的質量(liang)之比來衡量(liang)該堆焊層的相對(dui)耐(nai)(nai)磨性(xing)。相對(dui)磨損(sun)(sun)率＝對(dui)比材(cai)(cai)(cai)料(liao)的磨損(sun)(sun)量(liang)／0＃試(shi)樣材(cai)(cai)(cai)料(liao)的磨損(sun)(sun)量(liang)。試(shi)驗結(jie)果(guo)見表5-80。
試(shi)驗結果表(biao)明(ming)，在上述磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)條件下，各種堆焊(han)方法(fa)熔敷(fu)(fu)金屬的(de)耐磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)性(xing)(xing)能比母(mu)材好，熱處理對(dui)材料耐磨(mo)(mo)(mo)(mo)性(xing)(xing)能的(de)影響不大，而控制層間溫度對(dui)提高(gao)熔敷(fu)(fu)金屬的(de)耐磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)性(xing)(xing)能有較好的(de)改善作用(yong)。總(zong)體來(lai)看(kan)，藥芯焊(han)絲熔敷(fu)(fu)金屬的(de)耐磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)性(xing)(xing)能優于其他堆焊(han)方法(fa)。
5. 沖蝕磨損對比(bi)試(shi)驗
為(wei)了模擬水(shui)輪機(ji)在實際工(gong)作時所遭受的含(han)沙水(shui)流沖(chong)蝕磨(mo)損情(qing)況，采用北京(jing)工(gong)業大學自制的水(shui)沙沖(chong)蝕磨(mo)損試(shi)驗(yan)機(ji)來測(ce)定試(shi)樣的耐含(han)沙水(shui)流磨(mo)蝕的能力。
試(shi)(shi)(shi)樣尺寸為57mm×25mm×10mm，將試(shi)(shi)(shi)樣裝在試(shi)(shi)(shi)樣臺上(shang)，按試(shi)(shi)(shi)驗機(ji)的(de)(de)(de)(de)運行(xing)步驟進行(xing)試(shi)(shi)(shi)驗。每沖蝕(shi)磨(mo)損2h后(hou)(hou)停機(ji)，取出試(shi)(shi)(shi)樣并放入(ru)盛有(you)丙酮溶液的(de)(de)(de)(de)燒杯中，在超聲波清(qing)洗(xi)儀中清(qing)洗(xi)3～5min，干燥后(hou)(hou)采用BS224S電子天平(ping)進行(xing)試(shi)(shi)(shi)樣質量測量，精確到(dao)0.0001g。材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)耐(nai)(nai)磨(mo)性能用磨(mo)損前后(hou)(hou)失(shi)去(qu)(qu)質量的(de)(de)(de)(de)平(ping)均值來(lai)考核。一(yi)共(gong)進行(xing)8h，對(dui)(dui)比藥(yao)芯(xin)(xin)焊(han)絲(si)試(shi)(shi)(shi)件和其(qi)他堆焊(han)方(fang)法試(shi)(shi)(shi)件失(shi)去(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)質量與母材(cai)(cai)(cai)失(shi)去(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)質量之比來(lai)衡(heng)量該方(fang)法的(de)(de)(de)(de)相對(dui)(dui)耐(nai)(nai)磨(mo)性。相對(dui)(dui)磨(mo)損率＝對(dui)(dui)比材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)磨(mo)損量／0號(hao)試(shi)(shi)(shi)件的(de)(de)(de)(de)磨(mo)損量。試(shi)(shi)(shi)驗結(jie)果見表(biao)5-81。從表(biao)中可(ke)(ke)知，各種(zhong)焊(han)接(jie)方(fang)法熔敷(fu)金屬耐(nai)(nai)沖蝕(shi)磨(mo)損性能與母材(cai)(cai)(cai)相當。熱(re)處(chu)理(li)對(dui)(dui)藥(yao)芯(xin)(xin)焊(han)絲(si)堆焊(han)層耐(nai)(nai)沖蝕(shi)磨(mo)損性能影(ying)響不大，而控制層間溫度能較明(ming)顯地提高藥(yao)芯(xin)(xin)焊(han)絲(si)熔敷(fu)金屬的(de)(de)(de)(de)耐(nai)(nai)沖蝕(shi)磨(mo)損性能。總體上(shang)可(ke)(ke)以認(ren)為，除焊(han)帶的(de)(de)(de)(de)焊(han)接(jie)方(fang)法外，焊(han)條(tiao)和藥(yao)芯(xin)(xin)焊(han)絲(si)的(de)(de)(de)(de)耐(nai)(nai)沖磨(mo)損性堆焊(han)層較好。
通(tong)過(guo)上述試驗可(ke)以認為(wei)，用(yong)藥(yao)芯焊絲(si)堆焊磨損的水輪(lun)機(ji)是(shi)可(ke)行的，如果層(ceng)間溫度控制在150～200℃，堆焊熔敷金(jin)屬的耐磨粒磨損和耐沖蝕磨損性能(neng)為(wei)最佳(jia)。
