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摘要：为了有效的减少由于工作导致汽蚀以及冲蚀磨损汽轮机叶片，出现降低汽轮机叶片出现损伤导致汽轮机叶片寿命缩减，频繁更替等问题，通过梯度技术得到水轮机表面涂层的梯度分布，并应用立式万能摩擦磨损试验机和德国蔡司研究级体视显微对涂层的耐磨性进行分析。通过耐磨分析数据表明，应用碳化硅为涂层的水轮机叶片具有更好的耐腐蚀性，其耐腐蚀性是没有涂层的四倍，极大的提高了水轮机叶片的耐腐蚀程度，增大了水轮机叶片的使用寿命。与此同时，应用梯度涂层技术是合理、可行的，对于涂层技术要做到由里到外涂层中的碳化硅含量和粒度是改变的，要随着碳化硅含量的增加而粒度要逐渐减少。
关键词：涂层梯度；耐磨性；水轮机；碳化硅
0前言
我国是一个水资源较为丰富的大国，水资源经济能够为40.2亿千瓦的装机容量，水利是我国重要的战略资源，但是水利技术的发展建立在河流落差较大的地形环境中，在河流落差较大的区域往往泥沙的含量也是特别高。在应用水轮机进行水利发电时，当泥沙在高速运转的水轮机表面流过时，会对水轮机表面产生巨大的破坏，对水轮机以及其他电器设备的安全造成巨大威胁，更严重的会威胁到整个电网的安全运行。当水轮机过流部件受到水流的冲击，造成严重磨损，会使得部件出现漏穿等缺陷，严重影响汽轮机的安全可靠性，甚至会降低汽轮机的效率等，并且由于造成汽轮机损坏要对其进行检修或者更换，频繁的检修或者更换对国家电网造成巨大损失，并且还会直接影响到电网的正常运行。据统计，我国目前有30%的水轮机组受到泥沙流的迫害，其中涉及到的机组达到了1.3万台。因此国内一些专家学者对汽轮机的耐腐蚀性进行了深入的探讨，目前主要应用的耐腐蚀性技术有三种，第一种是优化叶片技术、第二种是采用喷涂不锈钢层、第三种是减少水的含沙量。在实际工程应用中，最常用的的事喷涂技术，应用喷涂技术对表面进行喷涂，随着科技的发展，新的喷涂技术应运而生，例如互穿网络、梯度功能的涂层技术，甚至还有具有自我修复功能的复涂层技术等。涂层技术先是日本科学家提出的，美国科学家首先对其进行研究的。梯度涂层技术得到的材料分布呈现出阶梯状，不同于一般的负荷材料所呈现的均匀状。涂层技术在材料表面处理以及医学方面被广泛的应用[1]。
1实验
1.1实验材料
实验材料包含环氧树脂E-44、低分子量-60-聚酰胺、丙酮、碳化硅、流平剂以及消泡剂等等，其中碳化硅的种类有320目、600目以及800目。
1.2实验仪器以及设备
对于本实验所应用到的主要设备有，立式万能摩擦磨损试验机、BL-系列电子天平、BS-600+电子天平、烘箱、显微镜、玻璃棒、移液管、烧杯等。
1.3试样的研制
1.3.1涂层配方
涂层配方设计时，要结合梯度材料进行合理分配涂层走向，要按照从里到外的走向进行，并且填料要逐渐增加，同时填料粒度要逐渐减小。各个涂层的具体配方如表1所示。与此同时，用相同含量的320目以及600目碳化硅代替800目的碳化硅作为涂层，其目的是与800目的碳化硅涂层进行对比。
1.3.2涂层工艺
为了取得具有梯度的涂层，对涂层工艺进行严格的控制，防止某一个环节出错影响整个工艺，涂层工艺先后顺序应该是底层、中层1、中层2、面层，按照此顺序进行涂抹处理。为了方便识别，对所有的样品进行编号，一号为没有经过任何处理的普通钢，二号是800目的碳化硅作为面层的试样，三号是以面层为600目的碳化硅作为面层的试样，四号是以320目的碳化硅作为面层的试样[2]。
下一步是对叶片的固化，固化对叶片的性能有着关键性的作用，固化的结果直接影响着叶片的性能。由于叶片的涂层数目比较多，因此要对叶片进行固化时要考虑到叶片上的各个涂层。在全部涂层涂抹结束后，在室温下放置20个小时，让其有一个自然固化的过程，之后再用烤箱对其加温固化，在四十度下固化10个小时，在六十度下固化10个小时，在八十度下固化20个小时，在一百度下固化10个小时，最后炉冷却到室温。
1.4性能指标
本文主要通过立式万能摩擦磨损试验机对样品进行磨损，观察样品磨损后的微观结构，通过耐磨程度来表征梯度涂层技术。
1.4.1微观结构
应用显微镜对没有环氧树脂的碳化硅涂层复合物样品和具有环氧树脂的碳化硅涂层试验样品进行仔细分析比对，显微镜应用德国蔡司研究级视显微镜。
1.4.2摩擦磨损性能
本文通过应用三种不同目数的碳化硅制备试验样品还有一个没有任何涂层的试样，应用立式万能摩擦磨损试验机样品进行磨损。应用样品与金刚石磨头组成的摩擦副来检验样品的摩擦磨损性能。试验参数的设定为实验应力为80N，主轴转速为100r/min，试验时间为4分钟。对试验前后的摩擦副进行称重，并记录，通过实验前后的重量变化程度来表征其磨损性能。
2结果与讨论
通过磨损试验得到摩擦力与时间的关系以及平均摩擦力，1、2、3、4号试验样品的平均摩擦力为4.68、10.76、11.52、12.04。
综上所述，具有涂层的样品比没有涂层的样品平均摩擦力相差两倍，没有涂层的试样平均摩擦力最小，原因是涂层虽然应用碳化硅对涂层进行填补，但是应用环氧树脂和低分子量的聚酰胺作为固化剂这就增大了涂层表面的韧性，减少了其表面的强度。这样在涂层表面既有强度较硬的碳化硅又有质地较软的环氧树脂，这样就造成了涂层表面形成较大的摩擦因数，试验中使用恒定不变的应力，因此在有涂层的试样中产生的摩擦力比没有涂层的试样中的摩擦力要大，涂层随着粒度的增大平均摩擦力也随着增加。由于涂层表面碳化硅的含量相同，只是粒度不同，颗粒大的碳化硅在涂层表面会形成较为粗糙的表面，进而会形成较大的摩擦力[3]。
应用立式万能摩擦磨损试验机对试验样品进行摩擦损耗时，其摩擦力是滑动摩擦力，通过公式可计算出1、2、3、4号样品的滑动摩擦因数，分别为0.058、0.134、0.144、0.151.除此之外，在摩擦因数上也可以看出，在含量相同的情况下，摩擦系数随着粒度的增大而增大。
2.1微观结构
在显微镜下观察可以发现，一号试样表面呈现出犁沟，二号样品表面有犁沟，但是不是很多，三号样品犁沟很少，但是有粘连现象，四号样品犁沟很少。一号不同于其他三个样品是因为金属具有一定的硬度，且硬度分布较为均匀，因此才有犁沟出现。有粘连现象的出现是因为环氧树脂，随着粒度的增大，粘连现象也会加剧。由二到四号可以看出，摩擦后的表面逐渐增加粘连现象，说明本文设计的涂层能够有效的增加表层和基材的结合力，并且采用粒度较大的碳化硅来填充还可以节省成本[4]。
2.2磨损性能
立式万能摩擦磨损试验机对样品进行磨损，通过电子天平对各个样品的质量进行称重，应用磨损前后的质量变化来表征磨损性能，一号到五号的磨损质量分别为0.037、0.009、0.015、0.018、0g，其中的五号为金刚石小磨头。由以上数据可以看出有涂层的试样磨损小于没有涂层的试样，并且随着粒度的增大磨损性能逐渐增加。金刚石磨损为0表明其硬度较高且耐磨性好，因此它才没有出现磨损。有涂层的磨损量小于没有涂层的样品，其原因是因为碳化硅本身质地较硬，比没有涂层的钢板要硬，对材料有一定的保护作用，因此有涂层的磨损量比没有涂层的磨损量要低。在所有的涂层试样中，粒度的的涂层磨损最为严重，因为粒度大的试验有较大的摩擦力，进而造成粒度大的试样磨损量也较大。
3结束语
本文通过梯度技术得到梯度分布的涂层，通过摩擦磨损仪来测试试样的耐磨性能，通过德国蔡司研究级体视显微镜对试样磨损后的情况进行查看。得到以下结论。
在涂层试样制备的过程中必须按照工艺流程进行，切记梯度分布是由里到外。
二号到四号的试样耐磨性能比一号的耐磨性能要强，分别强4.11倍、2.46倍、2.05倍，通过数据充分的表明碳化硅的加入大幅度的提高了水轮机叶片的耐磨性能。
二号到四号试样随着碳化硅粒度的增大其耐磨性逐渐的减小，这说明随着涂层中的碳化硅粒度的增大，耐磨性能逐渐的下降。
结果表明，应用800目的碳化硅作为表面涂层具有更好的耐磨性，其耐磨性具有很大的提高，耐磨性能够达到没有碳化硅涂层的样品的四倍，极大的提升了水轮机叶片的耐磨性，这也说明了应用由里到外的梯度技术，碳化硅含量逐渐升高，粒度逐渐降低的涂层技术是合理有效的。
参考文献
[1]高雪,松黄,因慧,田宗军,等.钛合金表面激光熔敷等离子体喷涂Al2O3+13%TiO2涂层冲蚀磨损性能[J].中国激光,2010,(3): 858-862.
[2]曹永,宋文武,符杰,等.泥沙颗粒在冲击式水轮机斗叶内壁面的冲蚀磨损研究[J].水力发电,2014, 40(11):75-78.
[3]李健,高万振,卢进玉.我国的水力发电与摩擦学问题工程前沿第2卷摩擦学科学与程前沿[M].北京:高等教育出版社, 2005: 239-249
[4]庞佑霞,李彬,刘厚才,等.流体机械叶轮常用材料冲蚀与空蚀交互磨损特性研究[J].润滑与密封, 2013,38(12):51-53.
论文作者:周泽伟
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/13
标签：涂层论文; 磨损论文; 碳化硅论文; 试样论文; 样品论文; 水轮机论文; 粒度论文; 《电力设备》2017年第30期论文;