1.本发明属于水轮机喷针技术领域，尤其涉及一种冲击式水轮机喷针及其制造方法。
背景技术：
2.冲击式水轮机是利用高压喷射水流的动能做功的水轮机，高水头水库的水通过压力管道引到水轮机，高压水经过水轮机喷管成为高速射出的水流，冲向水轮机的水斗，使水轮机旋转做功。喷射机构简称喷管，主要由喷嘴、喷针、喷针移动机构组成。通过喷针在喷管内的移动改变喷嘴出口大小，从而改变喷管出水流量以达到改变水轮机的功率。
3.喷针作为冲击式水轮机关键零部件，起到调节水量及负荷大小的关键作用，喷针的表面性能直接影响水轮机的运行效率和使用寿命，因此要求喷针表面具备高强度、高硬度、高耐磨性能，且使用寿命达到要求。
4.目前喷针表面强化现多采用喷焊或热喷涂工艺，而喷焊工艺存在喷焊层易剥落、裂纹、气孔、夹渣以及热变形等；热喷涂基材与喷涂层属于机械结合，结合强度低，喷涂层易脱落从而使表面耐磨性降低，使用寿命短。综上，现有两种工艺处理的喷针表面强度、硬度、耐磨综合性能均无法满足喷针长期使用的要求。
技术实现要素：
5.本发明的目的在于提供一种冲击式水轮机喷针，其熔覆层与基材的结合强度高，同时熔覆层具备高强度、高硬度及高耐磨性的特点。
6.为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种冲击式水轮机喷针，包括喷针基材和熔覆层，所述熔覆层熔覆在喷针基材表面，所述熔覆层采用铁基合金粉末熔覆而成，所述铁基合金粉末由c、cr、ni、v和fe组成，各组分按重量百分比含量为：c：0.5-0.8％，cr：14.0-17.0％，ni：1.0-4.0％，v：1.0-3.0％，其余为fe。
7.进一步，所述熔覆层厚度为1-1.5mm。
8.本发明还提供上述冲击式水轮机喷针的制造方法，包括如下步骤：
9.(1)喷针粗加工处理
10.通过机械加工将喷针基材进行加工至最终工作尺寸的喷针，并继续加工除去喷针工作表面1mm的厚度，得到最终工作尺寸向内1mm的喷针；
11.(2)铁基合金粉末的制备
12.铁基合金粉末由c、cr、ni、v和fe组成，各组分按重量百分比含量为：c：0.5-0.8％，cr：14.0-17.0％，ni：1.0-4.0％，v：1.0-3.0％，其余为fe，将铁基合金粉末放置在真空干燥箱中80℃条件下保温6小时后，加入送粉桶里准备激光熔覆；充分干燥后的铁基合金粉末可以避免在激光熔覆层中产生气孔，也可以防止熔覆层出现氢脆现象；
13.(3)采用激光熔覆技术在喷针表面制备熔覆层
14.将步骤(1)加工得到的最终工作尺寸向内1mm的喷针置于激光熔覆设备的两轴变
位机的回转轴上，并利用三爪卡盘进行装夹定位，然后通过机器人控制器进行编程，使两轴变位机上的喷针做回转运动，使机器人上的激光熔覆头沿喷针轴向直线运动，通过变位机和机器人的联动作用，并同轴输送步骤(2)制得的铁基合金粉末，利用铁基合金粉末对喷针外表面以螺旋线路径进行重复激光熔覆，在喷针表面制成熔覆层；
15.(4)喷针精加工处理
16.将步骤(3)制得的熔覆有熔覆层的喷针进行机械精加工处理。
17.进一步，所述步骤(1)中，喷针基材为2cr13马氏体不锈钢。
18.进一步，所述步骤(2)中，铁基合金粉末为球状颗粒，粒径为50-150μm。
19.进一步，所述步骤(3)中，激光熔覆工艺参数为：保护气流量12l/min，送粉器转速2.0r/min，激光功率1500w，激光扫描速度15mm/min。
20.进一步，所述步骤(3)中，制得的熔覆层厚度为1-1.5mm。
21.进一步，所述步骤(4)中，喷针精加工处理包括使得喷针的最终形状、工作尺寸精度和光洁度满足工作要求。
22.本发明冲击式水轮机喷针的制造方法采用激光熔覆技术在水轮机喷针工作表面制备与基材冶金结合的高强度、高硬度、高耐磨性强化熔覆层，解决原有喷焊或热喷涂表面处理存在的缺陷，提高喷针表面性能，延长使用寿命。
23.本发明的有益效果在于：
24.本发明采用特定成分的铁基合金粉末，添加适当的cr、ni、v等成分，不仅可大大增加熔覆层的强度，同时熔覆层的耐磨性能显著提升，通过合理控制成分配比，熔覆层的晶粒组织细小且致密，可制得同时具备高强度、高硬度、高耐磨性能的表面熔覆层，显著提高喷针的使用寿命，从而延长水电站维修和更换备件周期，提高发电效率，具备显著的经济效益和推广价值。
25.通过采用激光熔覆技术在喷针表面熔覆特定的铁基合金粉末，利用激光熔覆基材与熔覆层冶金结合的特点，相比原有喷焊或热喷涂，显著提高熔覆层与基材的结合强度，很好的解决喷涂层易脱落导致喷针失效的问题，同时能够很好地解决喷焊工艺喷焊层易剥落、裂纹、气孔、夹渣以及热变形等问题。
附图说明
26.图1为本发明一种冲击式水轮机喷针的结构示意图；
27.图2为本发明激光熔覆过程示意图；
28.图3为本发明着色探伤检测实验结果图；
29.图4为本发明金相结构检测实验结果图。
具体实施方式
30.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
31.说明书附图中的附图标记包括：1、喷针基材；2、熔覆层；3、两轴变位机；4、机器人；5、激光熔覆头；6、喷针。
32.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的
实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.实施例1
34.如图1所示，一种冲击式水轮机喷针，包括喷针基材1和熔覆层2，熔覆层2熔覆在喷针基材1体表面，熔覆层2厚度为1-1.5mm。熔覆层2采用铁基合金粉末熔覆而成，铁基合金粉末由c、cr、ni、v和fe组成，各组分按重量百分比含量为：c：0.5-0.8％，cr：14.0-17.0％，ni：1.0-4.0％，v：1.0-3.0％，其余为fe。
35.实施例2
36.一种冲击式水轮机喷针的制造方法，包括如下步骤：
37.(1)喷针粗加工处理
38.采用2cr13马氏体不锈钢作为喷针基材，通过机械加工将喷针基材进行加工至最终工作尺寸的喷针，并继续加工除去喷针工作表面1mm的厚度，得到最终工作尺寸向内1mm的喷针；
39.(2)铁基合金粉末的制备
40.铁基合金粉末由c、cr、ni、v和fe组成，各组分按重量百分比含量为：c：0.5-0.8％，cr：14.0-17.0％，ni：1.0-4.0％，v：1.0-3.0％，其余为fe；铁基合金粉末为球状颗粒，粒径为50-150μm，将铁基合金粉末放置在真空干燥箱中80℃条件下保温6小时后，加入送粉桶里准备激光熔覆，充分干燥后的铁基合金粉末可以避免在激光熔覆层中产生气孔，也可以防止熔覆层出现氢脆现象；
41.(3)采用激光熔覆技术在喷针表面制备熔覆层
42.如图2所示，将步骤(1)加工得到的最终工作尺寸向内1mm的喷针6置于激光熔覆设备的两轴变位机3的回转轴上，并利用三爪卡盘进行装夹定位，然后通过机器人控制器进行编程，使两轴变位机3上的喷针6做回转运动，使机器人4上的激光熔覆头5沿喷针6轴向直线运动，通过变位机和机器人的联动作用，并同轴输送步骤(2)制得的铁基合金粉末，利用铁基合金粉末对喷针外表面以螺旋线路径进行重复激光熔覆，在喷针6表面制成厚度为1-1.5mm的熔覆层；激光熔覆工艺参数为：保护气流量12l/min，送粉器转速2.0r/min，激光功率1500w，激光扫描速度15mm/min；
43.(4)喷针精加工处理
44.将步骤(3)制得的熔覆有熔覆层的喷针进行机械精加工处理。喷针精加工处理包括使得喷针的最终形状、工作尺寸精度和光洁度满足工作要求。
45.实施例3着色探伤检测实验
46.具体步骤如下：
47.(1)用清洗剂将熔覆后的喷针表面的污物(浮渣、粉尘等)清洗干净，打开渗透通道；(2)采用渗透剂对已处理干净的喷针表面均匀喷涂后，渗透5-15分钟；(3)用清洗剂将喷针表面的渗透剂清洗干净；(4)将显像剂充分摇均后，对喷针保持距离150-300mm处均匀喷涂；(5)喷涂显像剂后，片刻即可观察缺陷，其中裂纹或气孔显示为红色纹路或斑点；(6)检测完毕，用清洗剂清洗去除显像剂。
48.检测结果如图3所示，其中箭头a所指的中间部分为采用本发明铁基合金粉末制得的熔覆层，箭头b和c所指的上下两部分则为采用市场上购买的其他铁基合金粉末制得的熔
覆层。从图3中可以看出采用本发明铁基合金粉末制得的熔覆层出现没有裂纹和气孔；而采用市场上购买的其他铁基合金粉末制得的熔覆层均有明显的裂纹和气孔。
49.实施例4硬度检测实验
50.将本发明实施例2中所制得的冲击式水轮机喷针进行硬度检测实验，具体步骤如下：
51.(1)通过线切割将熔覆层切割成10
×
10
×
10mm的小方块；(2)通过金相抛光机将方块熔覆面打磨成镜面；(3)通过维氏显微硬度计(满足gb/t4340.2)检测熔覆层硬度。
52.通过维氏显微硬度计检测熔覆层硬度结果可知，本发明制得的喷针熔覆层硬度高达到60-62hrc。
53.实施例5金相结构检测实验
54.将本发明实施例2中所制得的冲击式水轮机喷针进行金相结构检测实验，具体步骤如下：
55.(1)将实施例4中硬度检测后的方块的熔覆层和基材横截面通过金相抛光机打磨成镜面；(2)通过光学金相显微镜观察熔覆层和基材横截面的金相结构。
56.检测结果如图4所示，本发明熔覆层与基材形成冶金结合，晶粒组织细小且致密，综合性能好。
57.激光熔覆是指:通过同步或预置材料的方式，将外部材料添加至基体经激光辐照后形成的熔池中，并使二者共同快速凝固形成包覆层的工艺方法。激光熔覆按熔覆材料的供给方式可分为两大类，即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。预置式激光熔覆是将熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化，熔覆材料以粉或丝形式加入，其中以粉末的形式最为常用。同步式激光熔覆则是将粉末或丝材类熔覆材料经过喷嘴在熔覆过程中同步送入熔池中。熔覆材料以粉或丝形式加入，其中以粉末的形式最为常用。
58.激光熔覆的工艺参数主要有保护气流量，送粉器转速，激光功率，激光扫描速度。这些参数对熔覆层的裂纹、表面粗糙度、结合强度、硬度耐磨性以及熔覆零件的致密性等有很大影响。各参数之间也相互影响，是一个非常复杂的过程。
59.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
60.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效
果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。技术特征：
1.一种冲击式水轮机喷针，其特征在于：包括喷针基材和熔覆层，所述熔覆层熔覆在喷针基材表面，所述熔覆层采用铁基合金粉末熔覆而成，所述铁基合金粉末由c、cr、ni、v和fe组成，各组分按重量百分比含量为：c：0.5-0.8％，cr：14.0-17.0％，ni：1.0-4.0％，v：1.0～3.0％，其余为fe。2.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机喷针，其特征在于：所述熔覆层厚度为1～1.5mm。3.一种根据权利要求1或2所述的冲击式水轮机喷针的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)喷针粗加工处理通过机械加工将喷针基材进行加工至最终工作尺寸的喷针，并继续加工除去喷针工作表面1mm的厚度，得到最终工作尺寸向内1mm的喷针；(2)铁基合金粉末的制备铁基合金粉末由c、cr、ni、v和fe组成，各组分按重量百分比含量为：c：0.5-0.8％，cr：14.0-17.0％，ni：1.0-4.0％，v：1.0-3.0％，其余为fe，将铁基合金粉末放置在真空干燥箱中80℃条件下保温6小时后，加入送粉桶里准备激光熔覆；(3)采用激光熔覆技术在喷针表面制备熔覆层将步骤(1)加工得到的最终工作尺寸向内1mm的喷针置于激光熔覆设备的两轴变位机的回转轴上，并利用三爪卡盘进行装夹定位，然后通过机器人控制器进行编程，使两轴变位机上的喷针做回转运动，使机器人上的激光熔覆头沿喷针轴向直线运动，通过变位机和机器人的联动作用，并同轴输送步骤(2)制得的铁基合金粉末，利用铁基合金粉末对喷针外表面以螺旋线路径进行重复激光熔覆，在喷针表面制成熔覆层；(4)喷针精加工处理将步骤(3)制得的熔覆有熔覆层的喷针进行机械精加工处理。4.根据权利要求3所述的一种冲击式水轮机喷针的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中，喷针基材为2cr13马氏体不锈钢。5.根据权利要求3所述的一种冲击式水轮机喷针的制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中，铁基合金粉末为球状颗粒，粒径为50-150μm。6.根据权利要求3所述的一种冲击式水轮机喷针的制造方法，其特征在于：所述步骤(3)中，激光熔覆工艺参数为：保护气流量12l/min，送粉器转速2.0r/min，激光功率1500w，激光扫描速度15mm/min。7.根据权利要求3所述的一种冲击式水轮机喷针的制造方法，其特征在于：所述步骤(3)中，制得的熔覆层厚度为1-1.5mm。8.根据权利要求3所述的一种冲击式水轮机喷针的制造方法，其特征在于：所述步骤(4)中，喷针精加工处理包括使得喷针的最终形状、工作尺寸精度和光洁度满足工作要求。
技术总结
本发明具体公开了一种冲击式水轮机喷针及其制造方法，水轮机喷针，包括喷针基材和熔覆层，熔覆层熔覆在喷针基材表面，熔覆层采用铁基合金粉末熔覆而成，铁基合金粉末由C、Cr、Ni、V和Fe组成，各组分按重量百分比含量为：C：0.5-0.8％，Cr：14.0-17.0％，Ni：1.0-4.0％，V：1.0-3.0％，其余为Fe；制造方法，包括如下步骤：(1)喷针粗加工处理，(2)铁基合金粉末的制备，(3)采用激光熔覆技术在喷针表面制备熔覆层，(4)喷针精加工处理。本发明通过采用激光熔覆技术在喷针表面熔覆特定的铁基合金粉末，熔覆层与基材的结合强度高，同时熔覆层具备高强度、高硬度及高耐磨性的特点。高硬度及高耐磨性的特点。高硬度及高耐磨性的特点。
技术研发人员：唐定超 段虎明 刘从庆 刘成义 熊心亮 张超
受保护的技术使用者：重庆机电增材制造有限公司
技术研发日：2021.12.13
技术公布日：2022/4/5
声明：
“冲击式水轮机喷针及其制造方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：重庆机电增材制造有限公司
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2024年12月27日 ~ 29日 
