水轮机表面稀土改性纳米复合抗磨蚀涂层关键技术

任务来源：

技术领域：水利工程建设与管理

技术来源：省部计划,自主研发。获发明专利3项：一种超高音速火焰喷枪(ZL201610466204.3)； 一种含 Re的抗高温碳化钨基金属陶瓷复合粉末、涂层及其制备工艺(ZL201610169159.5)；一种稀土掺杂纳米复合陶瓷涂层及其制备工艺(ZL201410186130.9)。出版专著2本：《表面工程与再制造技术——水力机械及水工金属结构表面新技术》(黄河水利出版社)；《表面工程与再制造技术——热喷涂替代电镀铬研究与应用》(中国水利水电出版社)。

技术原理

针对水轮机在服役过程中遭受的磨蚀问题，研究分析磨蚀的内在机制：泥沙冲蚀、汽蚀、磨损、腐蚀、疲劳等复杂的交互作用，在超高音速热喷涂技术、材料微结构设计以及制备稀土改性纳米配方等的研发基础上，解决关键技术难题，形成一种水轮机表面稀土改性纳米复合抗磨蚀涂层关键技术，最终有效解决水轮机表面的磨蚀问题，大幅提高了水轮机的表面性能及使用寿命。

技术特色

（1）喷枪结构创新设计。通过结构创新设计，大幅提高了喷枪的焰流速度，达到11Ma。显著提升了热喷涂过程中粒子速度、聚集度等，从而提高涂层与基体的结合力、降低涂层孔隙率(0.5%以下，显微镜400倍放大测试)。解决了普通超音速喷涂的焰流速度低(一般为 6～7Ma)、孔隙率高(一般在1～2%) 等关键技术问题。（2）稀土改性纳米抗磨蚀功能粉末配方及超高音速火焰热喷涂喂料开发。基于材料的微结构设计，运用纳米粉末技术、稀土改性技术及复合材料技术，获得新型的稀土改性纳米粉末配方，并进一步研究使得粉末配方、颗粒度、流动性等适合超高音速火焰喷枪,，成为新型的、稳定的喷涂喂料。（3）基于超高音速火焰喷涂技术及稀土改性纳米抗磨蚀功能粉末配方开发水轮机表面抗磨蚀涂层利用超高音速火焰喷涂技术及稀土改性纳米抗磨蚀功能粉末配方的研究基础，通过涂层的设计及工艺优化，不断完善粉末配方以及与超高音速火焰喷涂技术的匹配度，使得开发出最终的水轮机表面抗磨蚀涂层。可以解决普通热喷涂涂层与基体结合力较低，强韧性差，在高浓度、高速、高压泥沙冲击的下，表面涂层易产生剥落等问题。

技术指标

抗磨蚀涂层的性能指标为：结合强度≥125MPa，显微硬度>1350HV0.2，孔隙率<0.5%，抗磨损性能是基体(ZG000Cr15Ni5Mo)的120倍以上,耐磨蚀性能是基体(ZG00Cr13Ni5Mo)的20倍以上。

应用范围及前景

该技术可应用于水利水电行业的水轮机、水泵等水力机械，同时可用于航空航天、交通运输冶金、石油化工等领域。典型应用案例：案例1：水轮机表面稀土改性纳米复合抗磨蚀涂层关键技术已经成功应用到了国内外水轮机、水泵等水力机械中，成功解决了这些机械设备的磨损、磨蚀问题。在水利水电大型工程上，该项目成果已应用到新疆卡拉贝利、小浪底、万家寨-龙口、缅甸瑞丽江一级水电站等水利枢纽和大型水电站，以及红寺堡、东雷引黄泵站等水利工程设施，取得良好的抗磨蚀效果。案例2：项目成果还成功应用于杭州恒力泵业制造有限公司、常州东申泵业股份有限公司、安徽莱恩电泵有限公司等10余个企业的产品上，成功进行了产业化，大大提高了产品的竞争力。累计新增销售额近20亿元。获得了显著的经济、社会和环境效益。利用本项目技术成果，可延长设备使用寿命，大幅度实现节能减排，生态效益明显。

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陈小明

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水利部产品质量标准研究所 (水利部杭州机械设计研究所)

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