專利名稱：高水頭、高流速下水力機械耐空蝕及磨蝕鐵基合金的制作方法
一、所屬領域本發(fā)明涉及一種可通過冶煉方法獲得的高水頭、高流速水力機械用新型耐空蝕及磨蝕鐵基合金材料，特別適用于水力機械中在高水頭、高流速下運行使用的水電站水輪機過流部件(如葉片)、船舶螺旋槳和高壓閥門等。
為了實現上述目的，本發(fā)明基本構思是在沖擊加載情況下，橡膠類等彈性材料具有高的緩沖能力，從而可保護儀器設備免受沖擊破壞，但在金屬表面粘貼橡膠類緩沖涂層不僅工藝要求高(如在真空中操作)，長期在水中浸泡易發(fā)生變質，而且與金屬母材間結合強度較低，界面進水不可避免，從而導致緩沖涂層從金屬母材上脫落。因此，橡膠類緩沖涂層難以在水中長期使用，尤其在高水頭、高流速工況下。此外，橡膠類等彈性材料強度和抗剪切能力等低，雖具有高的緩沖能力，但抗泥沙沖刷磨損(即沖蝕)性能差，在水中含泥沙(即渾水)的條件下也難以解決水力機械使用壽命問題。本發(fā)明的思路是賦予金屬具有類似于橡膠的特性，即研制一種有類橡膠特性的金屬材料，該材料不僅在氣泡潰滅產生的高速射流沖擊下具有橡膠類等彈性材料良好的抗沖擊緩沖能力，而且不存在結合界面，具有較好的沖蝕性能，從而獲得高的耐空蝕及磨蝕性能。
本發(fā)明的技術方案是選用鐵基合金，在鐵基金屬材料中添加合金元素使其獲得類橡膠特性。其主要化學成分見表1。實驗結果表明，本發(fā)明研制的鐵基合金在高水頭電站(如100米以上)，相對水流速度在40米/秒以上時效果特別顯著，其抗空蝕、磨蝕性能力分別比0Cr13Ni5Mo提高4-8倍和3倍以上，是生產制造高水頭、高流速水電站水輪機過流部件(如葉片)、船舶螺旋槳和高壓閥門等理想的抗空蝕及磨蝕材料，具有十分顯著的技術經濟效果。
表1類橡膠特性鐵基合金主要化學成分(質量分數，％)
生產制造高水頭、高流速水輪機過流部件(如葉片)、船舶螺旋槳和高壓閥門等可用砂型等常用方法鑄造，但需用真空熔煉等方法冶煉以避免發(fā)生氧化。
實施例按本發(fā)明的技術方案，按表1選擇主要化學成分制作的兩種類橡膠特性鐵基合金，其配方分別為配方1)化學成分(質量分數，％)C＜0.1；Cr 6.5；Mn 26.5；Si 5.5；Cu 0.8 Fe其余配方2)化學成分(質量分數，％)C＜0.1；Cr 9.5；Mn 20.5；Si 6；Cu 1.2 Fe其余配方3)化學成分(質量分數，％)
C＜0.1；Cr 6.7；Mn 25.5 Si 6.5；Cu 1 Fe其余配方4)化學成分(質量分數，％)C＜0.1；Cr 10.5；Mn 19.5；Si 5.5 Cu 1.2 Fe其余配方5)化學成分(質量分數，％)C＜0.1；Cr 7.5；Mn 26；Si 6；Cu 0.9 Fe其余配方6)化學成分(質量分數，％)C＜0.1；Cr 10；Mn 20；Si 5.8；Cu 1.1 Fe其余配方7)化學成分(質量分數，％)C＜0.1；Cr 6.8；Mn 26.3；Si 6.4；Cu 1.2 Fe其余配方8)化學成分(質量分數，％)C＜0.1；Cr 9.8；Mn 20.4；Si 6.2；Cu 1.2 Fe其余結果表明，在本發(fā)明范圍內的上述配方，都可制備出類橡膠特性鐵基合金。并在模擬水輪機葉片工況的高速旋轉園盤實驗機上和水輪機葉片用材料0Cr13Ni5Mo在45米/秒流速下分別進行清水空蝕、渾水(含沙量為5.6Kg/米3)磨蝕對比試驗，結果如

圖1和圖2所示。
從圖1和圖2中可見，雖然不同材料的清水空蝕失重及渾水磨蝕失重隨時間延長而逐漸增加，但兩種類橡膠特性鐵基合金失重均比0Cr13Ni5Mo低得多。若用材料的失重表示其耐空蝕及磨蝕性能，并設0Cr13Ni5Mo的相對耐空蝕、磨蝕性能為1。表1和表2表明兩種類橡膠特性鐵基合金耐空蝕性能分別是0Cr13Ni5Mo的7.51倍、5.37倍；耐磨蝕性能為0Cr13Ni5Mo的3.35倍和3.09倍。
表1試驗48小時不同材料的清水空蝕失重及其相對耐空蝕性能
表2試驗12小時不同材料的渾水磨蝕失重及其相對耐磨蝕性能
基于本發(fā)明的技術方案，對所設計的兩種類橡膠特性鐵基合金(材料1、材料2)及材料0Cr13Ni5Mo在高速水流下分別用高速旋轉園盤進行系統(tǒng)性的空蝕、磨蝕模擬對比試驗。結果表明，兩種類橡膠特性的鐵基合金空蝕、磨蝕造成的失重不僅遠低于材料0Cr13Ni5Mo，而且水流速度愈高(相應于水頭愈高)效果愈明顯。本發(fā)明的耐空蝕及磨蝕鐵基合金材料是提高水輪機過流部件(如葉片)、船舶螺旋槳和高壓閥門等在高水頭、高流速工況下使用壽命的理想材料，對解決目前我國大型水電站(如長江三峽、黃河小浪底和劉家峽等)水輪機葉片等過流部件使用壽命具有特別重要的現實意義。
權利要求
1.一種具有類橡膠特性的高水頭、高流速水力機械用耐空蝕及磨蝕鐵基合金，該材料選用鐵基合金，通過冶煉合金化的方法使其獲得良好的耐空蝕及磨蝕性能，添加合金元素及其主要成分范圍為配方1化學成分(質量分數，％)C＜0.1；Cr 6.5-7.5；Mn 25.5-26.5；Si 5.5-6.5；Cu 0.8-1.2 Fe其余；配方2化學成分(質量分數，％)C＜0.1；Cr 9.5-10.5；Mn 19.5-20.5；Si 5.5-6.5；Cu 0.8-1.2 Fe 其余。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高水頭、高流速水力機械用耐空蝕及泥沙沖蝕的鐵基合金材料,通過冶煉的方法在鐵基合金中添加一定量合適的合金元素使其具有類橡膠特性,既有高的抗沖擊緩沖特性,又有較好的抗沖蝕能力,從而獲得良好的耐空蝕及磨蝕性能。實驗表明本發(fā)明研制的鐵基合金在40米/秒以上水流速度(相當于100米以上高水頭電站)時效果特別顯著,其耐空蝕及磨蝕性能分別比0Cr13Ni5Mo提高4－8倍和3倍以上,是水電站過流部件(如水輪機葉片)、船舶螺旋槳和高壓閥門等在高水頭、高流速工況下使用的理想耐空蝕及磨蝕材料。
文檔編號C22C38/38GK1377986SQ0211441
公開日2002年11月6日 申請日期2002年1月16日 優(yōu)先權日2002年1月16日
發(fā)明者朱金華, 王再友 申請人:西安交通大學