水力机械抗汽蚀表面防护技术的应用现状及展望
Abstract： There are often wear and cavitation problems of the flow passage components of hydraulic machinery， which affects the normal use of hydraulic machine and causes huge economic losses. This paper discusses the two problems， and analyzes cavitation mechanism of the material and application and prospects of surface protection technology in anti-cavitation erosion of hydraulic machinery.
Key words： hydraulic machinery；anti-cavitation；surface protection technology；application status；prospect
中图分类号：TG174 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）11-0106-02
0 引言
水力机械设备是构成水电站的主要装置，可以将水力能源转化为电力能源。水力机械能否良好地运行不仅直接与水电站的运行状况相联系，还关系到整个电力系统运行状态的稳定性和运营效益。相关调研发现，国内目前运营中的水电站，半数以上都存在水力机械的过流部件尤其是转轮的磨损和汽蚀的问题。汽蚀破坏缩短了检修周期，使检修工作量增加了，既对电力生产产生了严重的影响又造成了大量的人力、物力、财力的浪费。因此，提高水力机械的运行可靠性，延长其使用寿命，是当前亟待解决的问题。
1 材料的汽蚀机理
水力机械的金属材料出现磨损和汽蚀现象时，其损伤程度因其材料性能和运行环境而异。根据有关实验研究表明，涂层材料和整体材料在抗汽蚀机理方面存在着较大的差异性；不同整体材料也有不同的抗汽蚀机理。对于金属材料来说，其金属屈服极限加大，汽蚀凹坑的平均深度会变浅。屈服极限高的金属材料，冲击脉冲能量主要消耗于弹性变形；屈服极限低的金属材料，冲击脉冲能量主要消耗于塑性变形。随着金属屈服强度的变化，汽蚀凹坑数也呈现出同样的变化趋势。
对相关研究成果进行分析，发现：整体材料的汽蚀过程可以在大体上分成四个步骤，即孕育、升高、稳定及衰退阶段。对于热喷涂层来说，其涂层结构多孔、呈层状、粒子会发生氧化作用。氧化物和孔隙对于裂纹的产生和扩展会起到促进作用，如果热喷涂层的层次与层次之间没有足够的结合强度，裂纹就会一层一层逐步扩展直至脱落，最终导致材料报废，造成一部分经济损失。
2 表面涂层防护技术在水力机械中的应用
2.1 高速火焰喷涂防护技术
高速火焰喷涂可以制成高质量的涂层，采用这种工艺方法对水力机械进行抗汽蚀表面防护是近几年发展起来的。高速火焰喷涂而成的涂层具有接近铸态组织、材料氧化少、孔隙率低、基体结合强度比较高的优点。高速火焰喷涂工艺能够使机械设备的热变形控制在较小的范围内，汽蚀率也比较低，也不会影响到基体材料的结构组织。建材市场中有一种金属陶瓷应用十分广泛，其涂层主要由高速火焰喷涂制作而成。目前这种涂层也广泛应用在水力机械的抗汽蚀防护中，对水力机械起到了非常好的保护作用。
2.2 电镀涂层防护技术
稀土铬合金是电镀涂层的主要应用成分。电镀涂层在应用到水电站的水力机械中后，使其工作寿命比之前延长了2倍。电镀涂层在常温下即可加工，涂层表面光滑，硬度达到了HV1000，不存在变形的问题。所以，电镀涂层拥有良好的抗磨蚀性和抗汽蚀性。抗汽蚀电镀涂层也有一定的缺点，就是镀层比较薄，即使经过14-16个小时的电镀，其厚度仍旧在0.025-0.035厘米左右。电镀涂层在泥沙含量和水流量比较大的地方的使用性能仍旧不理想。
2.3 热处理和渗氮和渗铝
相关研究发现，将水力机械进行热处理，即低温淬火和低温回火之后，可以提高其抗磨损能力。另外，水力机械进行渗氮和渗铝处理之后，其部件的抗汽蚀性可以翻倍提高。但是其缺点是必须要整体进行渗氮和渗铝处理，不适合现场加工，受到了加工设备和空间的限制，只能在制造厂的车间内进行处理。
2.4 涂刷高分子材料
现在的水力机械部件防护涂层中应用比较广泛的高分子材料主要有陶瓷、橡胶、环氧树脂、复合尼龙、聚氨脂等。高分子材料在涂层中的使用比较有利的一面是：其韧性比较好，本身就具备着很好的抗汽蚀性；施工过程比较简单，对技术的要求比较低；需要的温度较低，不会引发热变形，从而避免发生双金属腐蚀。不利的一面是：基体与涂层的结合强度比较低，高分子材料涂层比较容易脱落，从而影响其使用效果。高分子材料涂层比较容易脱落，所以在其吊运、拆装的过程中都要采取相应的措施防止退层的脱落，给现场工作增加了难度。
2.5 喷熔
我国早在1985年左右就开始使用喷熔技术来提高水力机械的抗汽蚀功能了。喷熔所采用的材料主要是司太立合金和Ni基合金等合金粉末，也有少数的材料是金属陶瓷。
喷熔合金粉末拥有的优势在于：投资少、设备比较简单、效率比较高，适合现场进行修复施工；如果喷熔的质量比较好，那么基体与喷熔涂层的结合程度就会比较好，涂层表面也比较均匀，光滑平整，硬度也较高。 喷熔合金粉末拥有的劣势在于：质量和热变形不稳定。 喷熔的过程分为喷粉和重熔，在进行高温重熔之后，水力机械会产生比较严重的热变形。
为了避免产生热变形，一般会采用分块喷熔的方法，结果导致了块与块之间结合的程度较差，在机械的运行过程中这些部位容易形成裂纹并成为汽蚀源，汽蚀极易向基体进行扩展，从而造成严重损失。金属陶瓷主要由粘结金属相和金属碳化物构成，金属陶瓷拥有陶瓷与金属的双重特点，耐高温，弹性和硬度都比较大，抗磨损性和抗汽蚀性的效果都比较好。但是，金属陶瓷涂层也有相应的缺点，其脆性大，韧性也比较差，价格比较贵，表面打磨也比较困难。而且在人工实施氧乙炔喷熔方式制作的金属陶瓷涂层，其致密性与连续性比较低，涂层中的产生的孔隙比较容易导致裂纹的出现，而且其质量和热变形也很难控制。
2.6 堆焊
在我国，比较常用的水力机械抗汽蚀表面防护技术是堆焊法。其主要优势是现场施工比较方便、技术成熟、设备较为简单。缺点：其焊层比较厚、不均匀，且冲淡率较大，加工余量也比较大；要求水力机械的基体材料必须要有比较高的可焊性；工期比较长，费用较高，打磨与焊接的强度、难度比较大；易使转轮叶片产生热变形，对转轮原有尺寸、外形造成影响；补焊部位的金属晶体比较容易变粗，并形成双金属效应处理区，产生汽蚀。
3 纳米材料涂层的发展前景
通过分析产生磨损及汽蚀的原因，我们可以知道，水力机械的抗汽蚀表面防护技术的要求是：第一，表面涂层应该具备一定的耐腐蚀性；第二，表面涂层应该具备一定的显微硬度；第三，表面涂层应该具备一定的韧性；第四，表面涂层应该具备一定的强度，只有满足这几点要求，水力机械才能够具备良好的抗汽蚀效果。但是，目前的单一金属材料很难做到同时满足这几项要求。
纳米材料是介于宏观与微观中间的介观材料，所以有着其独特的性能。随着科学技术的发展，人们对纳米材料独特的性能有了更进一步的认识，有很多国家的研究人员都把研究重点放在了纳米材料和纳米材料的实际生产应用上。其中，有些学者的研究结果表明，纳米材料能够同时提高金属材料的韧性与硬度，这一特性满足了抗汽蚀材料的要求。
图1～3为武汉理工大学能源与动力工程学院有关WC-12Co金属陶瓷复合材料HVOF喷涂层抗汽蚀性能的最新研究进展，其中C表示微米WC-12Co涂层，N表示纳米结构WC-12Co涂层，165为水轮机钢ZG006Cr 16 Ni 5 Mo。图1的结果表明：相对于传统微米结构WC-12Co材料HVOF涂层，纳米结构WC-12Co材料HVOF涂层孔隙率更低，结构更致密，涂层中的WC颗粒分布均匀且较细小。
从图2中可以看出，纳米结构WC-12Co涂层的HV 0.2硬度值从1 379到1 693，而微米WC-12Co的HV 0.2硬度值从965到1 120，纳米结构WC-12Co涂层的显微硬度比微米WC-12Co涂层提高50%左右。
图3的结果表明：纳米结构WC-12Co材料HVOF涂层的汽蚀率仅为微米WC-12Co材料HVOF涂层的1/3，由此可见它的抗汽蚀性能已得到了显著提高，基本接近了目前抗汽蚀性能最优良的水轮机钢ZG006Cr 16 Ni 5 Mo。
4 结语
水力机械的抗汽蚀表面防护技术有很多，在这些技术的实际操作应用中都有其优势也有其劣势。如何高效利用其优点，减少其缺点带来的影响，是当前有关人员需要解决的问题。就目前来说，高速火焰喷涂纳米材料涂层的抗汽蚀效果比较优良，应该得到进一步的研究与应用。
