高水头、高流速下水力机械耐空蚀及磨蚀铁基合金制造技术

本发明专利技术公开了一种高水头、高流速水力机械用耐空蚀及泥沙冲蚀的铁基合金材料，通过冶炼的方法在铁基合金中添加一定量合适的合金元素使其具有类橡胶特性，既有高的抗冲击缓冲特性，又有较好的抗冲蚀能力，从而获得良好的耐空蚀及磨蚀性能。实验表明本发明专利技术研制的铁基合金在４０米／秒以上水流速度（相当于１００米以上高水头电站）时效果特别显著，其耐空蚀及磨蚀性能分别比０Ｃｒ１３Ｎｉ５Ｍｏ提高４－８倍和３倍以上，是水电站过流部件（如水轮机叶片）、船舶螺旋桨和高压阀门等在高水头、高流速工况下使用的理想耐空蚀及磨蚀材料。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
一、所属领域本专利技术涉及一种可通过冶炼方法获得的高水头、高流速水力机械用新型耐空蚀及磨蚀铁基合金材料，特别适用于水力机械中在高水头、高流速下运行使用的水电站水轮机过流部件(如叶片)、船舶螺旋桨和高压阀门等。
技术介绍
水轮机叶片、船舶螺旋桨和高压阀门等水力机械过流部件空蚀是因水流压力变化致使气泡形成和潰灭而产生的破坏，受水中泥沙含量、流动条件(如流速)和材料性质等因素的影响。若水中含有泥沙，则过流部件表面空蚀破坏因迭加泥沙冲刷磨损而加剧(通常称为磨蚀)。目前国内水轮机叶片材料主要为0Cr13Ni5Mo，其耐空蚀、磨蚀性能虽优于早先使用的材料，但水轮机叶片使用寿命仍然较低，有时甚至不到设计寿命的一半，远远不能满足要求，造成十分惊人的能源和材料损失。水轮机、船舶螺旋浆和高压阀门的空蚀、磨蚀问题不仅至今仍未得到很好解决，而且随着舰船、水轮机等流体机械不断向高速、大功率方向发展而变得更为突出，被俗称之为水轮机等水力机械的“癌症”。耐空蚀及磨蚀材料研究应用是提高力机械过流部件如水轮机叶片等使用寿命的最有效途径之一，高水头、高流速水力机械用耐空蚀及磨蚀材料研制是当今广大科技工作者和工程技术人员的重要研究课题。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题和不足，本专利技术目的是提供一种高水头、高流速水力机械用新型耐空蚀及磨蚀铁基合金材料，能大大提高水轮机叶片、船舶螺旋桨和高压阀门等水力机械过流部件在高水头、高流速工况下的使用寿命。为了实现上述目的，本专利技术基本构思是在冲击加载情况下，橡胶类等弹性材料具有高的缓冲能力，从而可保护仪器设备免受冲击破坏，但在金属表面粘贴橡胶类缓冲涂层不仅工艺要求高(如在真空中操作)，长期在水中浸泡易发生变质，而且与金属母材间结合强度较低，界面进水不可避免，从而导致缓冲涂层从金属母材上脱落。因此，橡胶类缓冲涂层难以在水中长期使用，尤其在高水头、高流速工况下。此外，橡胶类等弹性材料强度和抗剪切能力等低，虽具有高的缓冲能力，但抗泥沙冲刷磨损(即冲蚀)性能差，在水中含泥沙(即浑水)的条件下也难以解决水力机械使用寿命问题。本专利技术的思路是赋予金属具有类似于橡胶的特性，即研制一种有类橡胶特性的金属材料，该材料不仅在气泡潰灭产生的高速射流冲击下具有橡胶类等弹性材料良好的抗冲击缓冲能力，而且不存在结合界面，具有较好的冲蚀性能，从而获得高的耐空蚀及磨蚀性能。本专利技术的技术方案是选用铁基合金，在铁基金属材料中添加合金元素使其获得类橡胶特性。其主要化学成分见表1。实验结果表明，本专利技术研制的铁基合金在高水头电站(如100米以上)，相对水流速度在40米/秒以上时效果特别显著，其抗空蚀、磨蚀性能力分别比0Cr13Ni5Mo提高4-8倍和3倍以上，是生产制造高水头、高流速水电站水轮机过流部件(如叶片)、船舶螺旋桨和高压阀门等理想的抗空蚀及磨蚀材料，具有十分显著的技术经济效果。表1类橡胶特性铁基合金主要化学成分(质量分数，％) 生产制造高水头、高流速水轮机过流部件(如叶片)、船舶螺旋桨和高压阀门等可用砂型等常用方法铸造，但需用真空熔炼等方法冶炼以避免发生氧化。四附图说明图1是本专利技术的类橡胶特性铁基合金和0Cr13Ni5Mo在45米/秒流速下清水空蚀失重与时间的关系图；图2是本专利技术的橡胶特性铁基合金和0Cr13Ni5Mo在45米/秒流速下浑水磨蚀失重与时间的关系图。五具体实施例方式以下结合实施例对本专利技术作进一步的详细描述。实施例按本专利技术的技术方案，按表1选择主要化学成分制作的两种类橡胶特性铁基合金，其配方分别为配方1)化学成分(质量分数，％)C＜0.1；Cr 9.5；Mn 20.5；Si 6；Cu 1.2 Fe其余配方2)化学成分(质量分数，％) C＜0.1；Cr 10.5；Mn 19.5；Si 5.5；Cu 1.2 Fe其余配方3)化学成分(质量分数，％)C＜0.1；Cr 10；Mn 20；Si 5.8；Cu 1.1 Fe其余配方4)化学成分(质量分数，％)C＜0.1；Cr 9.8；Mn 20.4；Si 6.2；Cu 1.2 Fe其余结果表明，在本专利技术范围内的上述配方，都可以制备出类橡胶特性铁基合金。并在模拟水轮机叶片工况的高速旋转园盘实验机上和水轮机叶片用材料0Cr13Ni5Mo在45米/秒流速下分别进行清水空蚀、浑水(含沙量为5.6Kg/米3)磨蚀对比试验，结果如图1和图2所示。从图1和图2中可见，虽然不同材料的清水空蚀失重及浑水磨蚀失重随时间延长而逐渐增加，但该类橡胶特性铁基合金失重均比0Cr13Ni5Mo低得多。若用材料的失重表示其耐空蚀及磨蚀性能，并设0Cr13Ni5Mo的相对耐空蚀、磨蚀性能为1。表1和表2表明该类橡胶特性铁基合金耐空蚀性能分别是0Cr13Ni5Mo的5.37倍；耐磨蚀性能为0Cr13Ni5Mo的3.09倍。表1试验48小时不同材料的清水空蚀失重及其相对耐空蚀性能 表2试验12小时不同材料的浑水磨蚀失重及其相对耐磨蚀性能 基于本专利技术的技术方案，对所设计的该种类橡胶特性铁基合金及材料0Cr13Ni5Mo在高速水流下分别用高速旋转园盘进行系统性的空蚀、磨蚀模拟对比试验。结果表明，两种类橡胶特性的铁基合金空蚀、磨蚀造成的失重不仅远低于材料0Cr13Ni5Mo，而且水流速度愈高(相应于水头愈高)效果愈明显。本专利技术的耐空蚀及磨蚀铁基合金材料是提高水轮机过流部件(如叶片)、船舶螺旋桨和高压阀门等在高水头、高流速工况下使用寿命的理想材料，对解决目前我国大型水电站(如长江三峡、黄河小浪底和刘家峡等)水轮机叶片等过流部件使用寿命具有特别重要的现实意义。权利要求1.一种具有类橡胶特性的高水头、高流速水力机械用耐空蚀及磨蚀铁基合金，选用铁基合金，其特征在于，在铁基合金中添加合金元素，其主要成分范围为配方化学成分(质量分数，％)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。全文摘要本专利技术公开了一种高水头、高流速水力机械用耐空蚀及泥沙冲蚀的铁基合金材料，通过冶炼的方法在铁基合金中添加一定量合适的合金元素使其具有类橡胶特性，既有高的抗冲击缓冲特性，又有较好的抗冲蚀能力，从而获得良好的耐空蚀及磨蚀性能。实验表明本专利技术研制的铁基合金在40米/秒以上水流速度(相当于100米以上高水头电站)时效果特别显著，其耐空蚀及磨蚀性能分别比0Cr13Ni5Mo提高4－8倍和3倍以上，是水电站过流部件(如水轮机叶片)、船舶螺旋桨和高压阀门等在高水头、高流速工况下使用的理想耐空蚀及磨蚀材料。文档编号C22C38/38GK1521287SQ0313456公开日2004年8月18日 申请日期2002年1月16日 优先权日2002年1月16日专利技术者朱金华, 王再友 申请人:西安交通大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有类橡胶特性的高水头、高流速水力机械用耐空蚀及磨蚀铁基合金，选用铁基合金，其特征在于，在铁基合金中添加合金元素，其主要成分范围为：配方：化学成分（质量分数，％）Ｃ＜０．１；Ｃｒ９．５－１０．５；Ｍｎ１９．５－２０．５；Ｓｉ５．５－６．５；Ｃｕ０．８－１．２Ｆｅ其余。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱金华，王再友，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]