Ni3Al合金在水轮机叶片表面抗汽蚀的研究和应用.docx
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Ni3Al合金在水轮机叶片表面抗汽蚀的研究和应用
Ni3Al合金在水轮机叶片表面抗汽蚀的研究和应用
研究了Ni3Al基合金的抗汽蚀及泥沙磨蚀性能，试验出Ni3Al基合金手工电弧焊工艺，并在广西恶滩水电厂ZZ560-LH-800水轮机叶片上进行了工业性试验。
经1年运行考核，证明Ni3Al基合金的抗汽蚀性能优于普通不锈钢材料。
1 引言
水轮机是水电站的主机设备，其运行性能的好坏，直接影响到水电站乃至电力系统运行的技术经济水平。
根据对我国运行的水电站现场调查表明：
通流部件，特别是转轮的汽蚀破坏，是当前水轮机运行中最为突出的问题。
对于汽蚀问题，迄今为止，选择抗汽蚀性能高的材料制做水轮机转轮，或在过流面采取防护措施仍是改善水轮机汽蚀性能的有效手段之一。
然而，对于水轮机汽蚀损伤的修复，国内尚无理想的材料，为消除或减少汽蚀破坏对水轮机运行的严重不良影响，研究部门一直对抗汽蚀稳定性高的材料进行摸索研究。
冶金部北京钢铁研究总院承担国家863高技术新材料研究，研制出Ni3Al高温合金。
该合金为长程有序晶体，具有很强的形变硬化特性。
根据汽蚀产生的原理，该合金理论上可做抗汽蚀的防护材料，为此，广西电力试验研究院、冶金部钢研院和广西恶滩水电厂三家合作，致力于Ni3Al合金在水轮机抗汽蚀方面的应用性能研究。
2 试验内容
2.1 抗汽蚀性能试验
用Ni3Al、0Cr13Ni5Mo、18-8钢3种材料做成相同的试样进行24h汽蚀试验。
试样均匀地布置在Φ320mm的旋转圆盘试验机圆围上，转速为3000r/min，试样中心的线速度约为45m/s，试验介质为自来水，通过循环冷却水使试验介质保持室温，试样在试验前后均进行1h的100℃烘干处理，自然冷却后称重。
2.2 抗泥沙磨损试验
该试验把Ni3Al合金与18-8钢分别做成Φ12mm×100mm的圆棒，在回转式湿磨料磨损试验机上进行，线速度为10m/s，试验介质为自来水和石英砂，试验时间为36h。
2.3 浑水汽蚀试验
2.1及2.2试验不足以表明Ni3Al合金具有优良的抗汽蚀和抗磨蚀性能，为此，我们对Ni3Al材料做了进一步的浑水汽蚀试验。
浑水汽蚀试验在Φ35mm的圆盘试验机上进行，试件分布在Φ300mm的圆周上，转速2750r/min，试件中心线速度45m/s，浑水取自黄河，含沙量为8.5kg/m3，介质温度由循环冷却水保持在室温状态，每隔4h对试样烘干称重并进行显微观察。
2.4 焊接性能试验
一种新合金材料能否在工业上推广使用，第一个障碍就是可焊性问题，因此研究Ni3Al焊接性能是很有必要的。
考虑到现场实际情况及提高熔敷效率，焊接方法选用手工电弧焊法；为降低焊接残余应力且使焊缝具有一定的抗汽蚀能力，焊接材料选用奥氏体焊条。
3 试验结果及分析
3.1 抗汽蚀性能试验结果及分析
图1、2为3种材料抗汽蚀试验结果和硬度测试结果。
从图可看出，Ni3Al的汽蚀失重比0Cr13Ni5Mo不锈钢小1个数量级，比18-8钢小约14倍。
损伤部位的扫描电镜分析表明：
18-8钢及0Cr13Ni5Mo钢表面均出现明显的晶间断裂及疲劳破坏特征。
可以断定，上述两种钢已出现了较严重的汽蚀损伤，而损伤机制和通常说的由微射流引起的疲劳裂纹产生和扩展机制相一致，晶间断裂是由不断的微射流产生的小应力振幅疲劳引起的。
图1 几种材料的抗空蚀失重比较
图2 几种材料空蚀前后的表面硬度
---硬度增加；——原始硬度
硬度的变化可以解释Ni3Al何以具有优良的抗汽蚀性能。
由图2可看出，Ni3Al合金表面硬度的变化约为0Cr13Ni5Mo的2倍，约为18-8钢的8倍，明显提高的硬度提高了材料的抗微射流冲击疲劳的性能。
其次，材料的变形硬化能力是材料表面弹塑性变形功大小的反映，它能释放微射流的冲击能量。
3.2 抗泥沙磨损试验结果及分析
图3是两种材料的汽蚀体积损失随时间变化的曲线。
湿磨料磨损的主要机制为表面磨损和表面切削，材料是否表现出良好的抗泥沙磨损性能与硬度有很大的相关性，水中的石英砂对试棒表面形成较强的冲击，使Ni3Al合金表面产生强烈的形变硬化，造成Ni3Al合金耐磨性大大高于18-8钢。
图3 Ni3Al基合金和18-8不锈钢的空蚀
体积损失随时间的变化
3.3 浑水汽蚀试验结果及分析
图4是0Cr13Ni5Mo钢浑水汽蚀失重、单纯磨损（圆盘上无空蚀源）同Ni3Al合金的比较曲线，曲线表明：
在12h时，0Cr13Ni5Mo钢的浑水汽蚀失重与纯磨蚀失重相当，即汽蚀尚处孕育期，失重主要源于磨损。
经12h后，浑水汽蚀失重大于纯磨损失重，而且上升趋势超过纯磨损的失重上升趋势。
而Ni3Al比0Cr13Ni5Mo钢的浑水汽蚀失重要小。
3.4 焊接性能试验分析
表1是初始试焊材料的化学成份，表2为焊接工艺试验结果。
试验表明，常规的叶片汽蚀补焊材料不适合Ni3Al合金焊接。
试验中发现焊缝内部有大量的内壁氧化较严重的焊接热裂纹。
对于热裂纹的产生，其原因可归纳有两个：
①冶金因素。
由于焊缝熔池为非平衡凝固过程，快速冷却常在晶粒与晶粒间产生偏析，在晶粒边界上富集低熔共晶体。
②焊接应力。
焊接中由于工件受热不均匀，金属内部互相间有约束作用，因而产生内应力和内变形。
图4 0CrNi5Mo不锈钢浑水空蚀
和纯磨损时的失重情况
①0Cr13Ni5Mo浑水空蚀磨蚀；②0Cr13Ni5Mo纯磨损；
③Ni3Al浑水空蚀磨损
表1 试验焊接材料化学成份
材料
元素的百分比/%
C
Si
Mn
Cr
Mo
V
Ni
Nb
S
P
A132
≤0.08
≤0.8
0.5～2.5
18～21
9～11
8×C～1.0
≤0.03
≤0.035
A212
≤0.08
≤0.9
0.5～2.5
17～20
2～2.5
17～20
6×C～1.0
A302
≤0.10
≤0.9
1.0
15～18
≤0.6
≤0.03
≤0.035
A237
≤0.08
≤0.9
0.5～2.5
17～21
2～2.5
0.3～0.7
11～14
≤0.03
0.030
A102
≤0.08
≤0.9
0.5～2.5
18～21
9～11
≤0.03
0.035
M831A
≤0.03
≤0.8
1.0～1.5
16～18
1.0～1.5
5.5～6.5
≤0.02
≤0.020
根据试验结果以及热裂纹产生的原因，我们认为下步工艺试验应着重考虑以下问题：
①焊缝化学成份的控制。
参考Ni-Fe-Al三元平衡相图，控制焊缝成份减少熔池液相到固相结晶时间，缩短结晶区域，使得焊缝金属冷却时，在结晶间隔内的收缩量减少。
表2 焊接工艺试验结果
焊接材料
焊接电流/A
预热温度/℃
焊缝外观检查
焊缝纵断面检查
A132
A212
A302
100
90
100
＞200
有裂纹，靠近Ni3Al材料沿熔合线方向
焊缝内部大量热裂纹
A237
100
＞200
只有少量裂纹，靠近Ni3Al材料沿熔合线
焊缝内部大量热裂纹
A102
100
＞200
没有发现表面裂纹
焊缝内部大量热裂纹
M831A
90
＞200
未发现表面裂纹
焊缝内部大量热裂纹
②控制晶粒大小，防止过热。
通过细化晶粒，增加晶界以分散低熔共晶及杂质。
③控制焊接缝的形状系数，减少杂质在焊缝对接面上的堆集，提高焊缝的抗结晶裂纹能力。
另外，尽可能采用多层多道焊，既能细化晶粒，又使晶粒方向随着每一道焊道位置的不同而不断变化，分散杂质，从而提高焊缝抗结晶裂纹的能力。
根据以上分析结果，我们又采用了2815、407B、Ni818等十几种焊条进行试验，工艺上严格要求，最后得出试验结果：
使用Ni818焊条，在一定的焊接工艺及手法下，能成功地焊接Ni3Al合金。
表3是Ni818焊缝汽蚀试验结果，表明Ni818焊条也具有很高的抗汽蚀性能。
表3 Ni818焊缝汽蚀试验结果
材料
试验前重量/g
试验后重量/g
失重/g
Ni818
32.80350
32.78520
0.01830
4 试验结论
试验室模拟试验表明：
Ni3Al合金的抗汽蚀性能比OCr13Ni5Mo等水轮机用不锈钢高1个数量级以上，并具有优良的抗水沙冲击磨蚀性能。
而且使用Ni818焊条，在一定的焊接工艺下能解决Ni3Al合金的焊接问题。
5 Ni3Al合金在恶滩水电厂水轮机叶片上的运行试验
5.1 恶滩电厂简介
恶滩水电厂位于广西中部红水河下游，装机容量约62MW，为无调节轴流电站，水轮机由富春江水工机械厂生产，属转浆式，型号为ZZ560-LH-800,转轮直径8m，转速62.5r/min，材料为ZG20SiMn。
水轮机汽蚀损伤严重。
表4是恶滩电厂历年汽蚀统计表。
表4 恶滩电厂历年转轮汽蚀统计表
m2
位置
1991年
1992年
1993年
1994年
1995年
1996年
叶片
2.0
0.935
0.921
0.920
0.914
0.380
转轮室
2.973
6.142
0.622
5.2 试验位置
在1号叶片接近外径背面中部汽蚀最严重的地方焊上两块200mm×80mm×6mm的Ni3Al合金板，同样地在2号、4号叶片上相同位置分别焊上A102堆焊层及18-8钢进行比较。
5.3 试验结果
图5 1号叶片Ni3Al试验块
图5、图6、图7是机组运行一年后，3种材料的表面损伤情况，从图可看出，1号叶片上的Ni3Al合金试验板表面基本无汽蚀痕迹，显示出很好的抗汽蚀性能，而做为比较的A102堆焊层及18-8钢补焊层，其材料表面已明显的露出被汽蚀损伤的痕迹。
图6 2号叶片A102堆焊层
图7 4号叶片18-8钢补焊层
实践证明：
Ni3Al合金具有很高的抗汽蚀性能。
6 结束语
为提高水轮机的技术经济水平，当代水轮机的发展方向是，增大单机功率，提高应用水头，提高水轮机效率和比速。
一种型号的水轮机之所以不能应用到更高水头，一方面受转轮叶片系统结构强度的限制，而更重要的是受汽蚀的限制。
当汽蚀系数一定时，过大的挖深限制了一台性能良好的水轮机的应用水头。
欲提高水轮机效率，必须同时改善尾水管的动力特性，提高其恢复系数。
如不相应降低叶片的翼型汽蚀数，势必导致水轮机汽蚀系数的增大。
而欲提高水轮机比速，就必须提高水轮机的单位流量和单位转速，其结果都将导致汽蚀系数的增大。
提高单机功率则往往与上述三个因素有关，因而也就间接地同改善水轮机汽蚀性能存在一定的联系。
本研究经现场应用试验表明：
Ni3Al合金具有优良的抗汽蚀性能。
目前我国水轮机制造业较多应用普通碳钢、低合金钢、铸铁等金属材料生产水轮机，其抗汽蚀稳定性较低，如果广泛地应用Ni3Al合金作为水轮机抗汽蚀表面的保护材料，对加强水轮机运行的稳定性及可靠性，提高水轮机的技术经济水平具有深远的意义。
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