《Journal of Manufacturing and Materials Processing》：Advanced Surface Protection Strategies for Refurbished Hydropower Components: A Critical Review of Chemical and Manufacturing Approaches
本论文对翻新水电部件的表面保护策略进行了批判性综述，重点阐述了连接损伤机制、基材条件、沉积路线、微观结构与服役性能的制造和材料加工逻辑。文献表明，空蚀、泥沙磨损、腐蚀及其协同相互作用因灵活和非设计工况的水电运行而加剧，使得翻新决策日益依赖于表面状态，而非纯粹的块体材料问题。热喷涂和激光熔覆仍是工业相关的主要路线，而冷喷涂及新兴的多主元合金、高熵合金和铁基非晶系统扩展了设计空间，以实现更低的热输入、更好的缺陷控制和改善的空蚀抗力。在所考虑的研究中，最一致的结论是硬度并非可靠的选择标准；孔隙率、界面完整性、开裂敏感性、残余应力以及容纳局部变形的能力决定实际耐久性。化学预处理、密封剂和混合精加工路线作为独立的水电解决方案尚不成熟，但它们是基材活化、涂层致密化和腐蚀缓解的重要使能技术。因此，本综述提出了一种面向翻新的框架，其中路线选择基于部件的初始损伤状态、基材容许热负荷、所需堆积厚度以及预期的空蚀/泥浆/腐蚀工况。
1 引言
水电（HP）是全球最大的可再生能源电力来源，在电网稳定性和低碳能源转型中发挥关键作用。水力涡轮机（HTs）越来越多地在瞬态和非设计工况下运行，而非稳态工况，这加剧了表面驱动的退化机制，特别是空蚀、泥沙磨损、腐蚀及其协同作用。延长现有水电资产寿命的战略重要性已使翻新和再制造方法成为替代整体部件更换的可持续选择。表面工程作为关键使能学科，通过先进涂层技术、化学表面处理和制造-based修复策略来增强翻新部件的耐久性和性能。
1.1 翻新在水电中的重要性
水电机组被要求以灵活、快速响应和非设计模式运行，以平衡具有更高比例间歇性可再生能源的电网。这种运行转变加剧了疲劳载荷、瞬态水动力应力、空蚀暴露和维护压力。翻新不仅是维护行动，而是战略性的寿命延长路径，其中表面恢复和再保护强烈影响剩余使用寿命、生命周期成本和运行可靠性。
1.2 水轮机翻新中保护的重要性
许多关键水电失效在表面引发或加速。空蚀坑、泥浆切割槽、腐蚀辅助裂纹核、粗糙度增长和涂层分层都会改变局部应力场和流体-表面相互作用，从而促进进一步损伤和性能损失。保护层最有效时能同时结合足够的硬度与韧性、低孔隙率和稳定的基材/涂层结合。
1.3 文献中的空白
现有文献包含关于灵活水电运行寿命缩短、泥沙侵蚀和涂层材料的综述，但缺乏集成损伤状态、热输入、基材冶金和现场约束的翻新导向决策框架。本综述通过将翻新视为过程-微观结构-性能-服役问题来填补这一空白，而非简单列出候选涂层。
1.4 本综述的范围和贡献
本批判性综述聚焦于翻新水电部件，通过循环翻新（CR）视角评估表面保护策略，涵盖服役损伤、基材条件、化学和界面稳定性、制造路线、性能及决策标准。
2 综述方法和分析框架
本手稿采用批判性综述方法，强调机制解释和过程-微观结构-性能-服役关系。分析逻辑从主导损伤机制开始，连接基材条件、保护路线选择、涂层/界面微观结构、服役性能和最终翻新决策。技术路线如图1所示，但此处仅作定向参考，详细讨论见后续章节。
2.1 文献检索策略
文献库通过针对水电部件、退化机制和先进表面保护技术的定向搜索构建，使用Scopus、Web of Science和IEEE Xplore等数据库。检索词涵盖HT、转轮、空蚀、泥浆磨损、涂层、热喷涂、高速氧燃料（HVOF）、高速空气燃料（HVAF）、冷喷涂、激光熔覆、高熵合金（HEA）/多主元合金（MPEA）、铁基合金等。截至2026年7月，最终语料包含100篇参考文献。
2.2 纳入和排除标准
纳入文献需满足至少一个条件：涉及水电相关损伤机制、报告保护或修复表面工程路线、建立过程-微观结构-服役性能联系、或提供可应用于水轮机部件的综述级综合。相邻领域研究仅在澄清可转移过程原理时考虑，纯块体合金研究被排除。
2.3 批判分析维度
每种保护策略按共同网格评估：目标退化模式、基材和预损伤状态、沉积路线、结合机制、特征缺陷、测量性能、后处理需求以及对修复规模、停机时间和合格性的影响。这种结构化定性比较允许跨过程解释，不应用数学归一化或重新计算。
2.4 综述结构和决策框架
合适的批判性综述框架应描绘决策序列而非简单分类。服役损伤和运行制度定义翻新需求，基材条件约束允许的过程窗口，选定的制造路线生成特征界面和缺陷状态，然后才能评估性能。图1作为结构骨干，每个技术章节遵循工作流元素。
2.5 证据水平解释
为区分证据等价性，综述区分四个验证级别：E1（直接现场或工业组件证据）、E2（水电相关实验室证据）、E3（相邻工业部门可转移过程证据）、E4（概念性、综述级或标准based证据）。这些级别在比较表和讨论中定性使用。
3 翻新水电部件中的退化环境
退化环境定义翻新的边界条件，因为空蚀、泥浆磨损、腐蚀、疲劳及其耦合形式作用于已服役改性的表面。部件位置、涡轮类型、水头、泥沙负担和运行灵活性决定主导损伤机制和基材状态。
3.1 部件类别和运行环境
最暴露的部件包括Francis和Kaplan机组的转轮和叶片、Pelton水斗以及喷嘴和针阀、导叶、固定导叶、磨损环、底环和迷宫区域。Pelton机组中，水斗切割口、分流器和边缘区域集中水蚀磨损，而喷射器退化影响喷嘴出口和针尖区域。
3.2 主要损伤机制
主要机制包括空蚀、泥沙或泥浆磨损、腐蚀、侵蚀-腐蚀和空蚀-腐蚀协同，以及疲劳辅助退化。空蚀由气泡溃灭、冲击波和微射流驱动，而泥沙磨损由颗粒冲击、微切割、犁削和粗糙度增长控制。这些机制常共存，联合损伤比孤立损伤更严重。
3.3 修复前部件表面状态
修复前，受损表面通常不是简单的磨损平面。报告形态包括空蚀坑、腐蚀坑、氧化物和腐蚀产物沉积、浅或深剥落、粗糙度增长、局部分层、裂纹网络、腐蚀辅助开裂和塑性变形近表面层。图2展示了典型转轮表面退化，强调预处理评估的重要性。
3.4 损伤驱动考虑因素用于翻新路线选择
路线选择必须匹配基材和损伤状态。薄保护涂层适用于几何完整区域，而深度损伤需要开挖和融合辅助重建。图3是损伤到翻新决策地图，将服务制度和损伤形态转化为候选路线族。
4 基材材料、受损表面状态和兼容性问题
基材不应被视为被动支撑结构。其合金类别、热处理状态、累积服役损伤和对热或机械加工的容忍度直接影响可接受维修窗口、结合质量和残余应力发展。基材表征应包含近表面损伤状态、先前热历史和预期结合机制。
4.1 常见水电基材合金
水轮机转轮、叶片和湿流通道部件通常由马氏体或马氏体-奥氏体不锈钢制造，CA6NM和13Cr4Ni等级尤为重要，因为它们提供强度、耐腐蚀性、可焊性和空蚀容忍度的实际平衡。这些合金在反复微射流冲击下经历局部塑性变形和应变硬化，随后裂纹形核导致疲劳驱动材料去除。
4.2 受损基材现象相关于再保护
再保护前，基材包含复杂损伤状态，如空蚀坑、塑性变形层、微裂纹、腐蚀产物和嵌入碎片。预处理评估应区分可移除表面粗糙度、机械改性表面层和结构相关缺陷。空蚀进展通过微射流冲击产生高应变率、位错积累和亚表面裂纹生长，最终导致材料剥落。
4.3 保护前表面准备
表面准备是决定性阶段，包括移除不稳定损伤材料、清洁和激活以消除氧化物和残留物，以及根据预期结合机制调整粗糙度。热喷涂附着性依赖于机械互锁、化学相互作用和物理力。适当的准备可减少嵌入颗粒和残余应力，提高涂层耐久性。
5 热喷涂-based保护策略用于翻新水电部件
热喷涂（TS）过程作为翻新解决方案而非仅涂层技术进行评估。其价值取决于沉积物流、表面准备需求、可达到的密度和附着力、精加工努力、检查负担以及与真实水电部件几何的兼容性。TS是工业成熟的主要保护族，可沉积硬质耐磨材料于大面积，同时保持热输入低于融合重建。
5.1 过程概述
最相关过程包括HVOF、HVAF、APS和arc喷涂。HVOF和HVAF因能沉积致密碳化物和金属陶瓷涂层而突出，具有低孔隙率和良好附着力。粒子温度-速度窗口决定缺陷种群和结合特性。
5.2 涂层族
主要TS涂层族包括WC-based金属陶瓷（如WC-CoCr）、铬碳化物系统（如Cr3C2-based）、Fe-based非晶涂层和Ni-based氧化物系统。涂层族选择应根据主导损伤模式，WC-based金属陶瓷适用于磨损和混合侵蚀，Cr3C2-based用于氧化或腐蚀环境，Fe-based非晶用于腐蚀和减少关键材料依赖。
5.3 过程-微观结构关系
喷涂涂层性能受沉积期间创建的微观结构特征控制：孔隙率、氧化物含量、脱碳、薄片内聚力、残余应力状态和涂层/基材界面完整性。孔隙作为损伤起始点，HVAF通常优于HVOF，因为较低火焰温度可减少脱碳并降低孔隙率。基材粗糙度必须优化而非简单最大化。
5.4 水电条件下的性能
在S135不锈钢上超声空蚀测试中，激光熔覆层重量损失最低，但TS路线中HVAF-WC-10Co-4Cr和Cr3C2-containing HVOF涂层优于多孔HVOF-WC-10Co-4Cr变体。关键发现是硬度最高涂层并非最佳性能，因为预存孔隙和弱裂纹路径控制失效。性能应联合判断，而非仅从硬度推断。
5.5 现场修复实用性
TS适用于大面积保护，但当热输入不希望时。其限制包括附着力非冶金性、对准备和参数敏感，以及严重空蚀可能导致分层。规范应定义材料、厚度、准备、孔隙率、附着力、精加工粗糙度和检查方法。
6 熔覆-based和融合辅助保护路线用于重建和局部翻新
熔覆和融合辅助路线在翻新需要重建局部丢失材料或恢复轮廓时相关。其优势需与稀释、残余应力、热影响损伤、加工需求和停机时间权衡。激光熔覆（LC）提供高功率密度、快速凝固、低稀释和冶金结合，但需控制热输入和重叠策略。
6.1 激光熔覆
LC在液压机械和湿流通道部件中受关注，因为能生成致密涂层和强冶金结合。性能受能量密度、粉末进给稳定性、重叠比、屏蔽、稀释和冷却速率控制。LC应通过过程窗口指定，而非仅名义合金成分。
6.2 高级激光变体和定向能量沉积逻辑
最强证据涉及传统LC，而非广泛先进光束变体。定向能量沉积逻辑允许局部修复选定损伤体积，恢复不规则表面，并通过进料设计定制成分。对于高价值水电部件，激光-based重建特别适合。
6.3 典型熔覆材料系统
文献涵盖Fe-based SMA涂层、CoCrNiAlTiNb HEA涂层、FeCrNiTiAlNb MPEA涂层和传统Co、Ni或碳化物系统。这些系统代表不同强化哲学，设计变量是硬度、韧性、裂纹抗力、腐蚀稳定性和基材兼容性的平衡。
6.4 熔覆层的空蚀和腐蚀抗力
优化熔覆层的空蚀改进显著。例如，Fe-Mn-Si-Cr-Ni SMA涂层质量损失率约为基材的13%，CoCrNiAlTiNb HEA在3000 W下质量损失2.35 mg，减少88.89%，FeCr30Ni25Al5Ti5Nb-based MPEA降低至1.35 mg。这些研究表明空蚀抗力依赖硬度与协调变形、裂纹抑制和致密结构，而非仅硬度。
6.5 翻新实践中的限制
LC并非普遍优越，稀释、HAZ形成、残余应力、裂纹管理和变形是实际约束。LC最适用于局部重建或轮廓恢复，对于大面积浅表层退化，TS或密封TS可能更合适。
7 冷喷涂和其他固态/低热输入路线用于基材保留翻新
低热输入路线在CR中吸引人，因为它们保留基材、限制热变形并便于重复干预。冷喷涂（CS）的固态沉积机制最小化基材加热和氧化，适用于热敏感或几何敏感部件。CS应视为基材保留修复路线，而非直接替代TS或TC。
7.1 为什么低热输入路线重要
在翻新水电部件中，低热输入有益于几何敏感或冶金脆弱基材。CS可添加材料或保护层，而不引入融合-based路线的热损伤。
7.2 冷喷涂用于恢复和保护
CS过程相关性受冲击结合、粒子间内聚力、保留厚度和后精加工条件控制。沉积质量受冲击速度、粒子变形性、基材硬度、表面激活和后沉积致密化影响。例如，AA6061基体增强Al-based准晶粒子减少孔隙率，细化微观结构，增加纳米硬度超过50%，并减少空蚀体积损失。
7.3 结合、喷丸、致密化和后处理
CS的有益响应来源于严重冲击-induced变形促进粒子间内聚力和基体强化。改善空蚀行为与更强粒子/粒子内聚力和损伤从弱边界块状脱离转向更渐近和均匀材料去除相关。评估应报告体积损失、裂纹形态、内聚力、界面条件、残余孔隙率和后处理需求。
7.4 与热喷涂和熔覆的比较利基
CS在低热负荷和基材保留为首要优先级时最强。其水电特定证据基础较窄，最可信的近期利基是局部恢复或混合翻新，尤其当传统TC会造成过高热负担时。
8 化学视角：表面保护和化学辅助表面改性路线
化学处理、密封剂、钝化和致密化步骤主要起界面调节和缺陷控制作用。它们与主要制造路线集成，改善表面激活、减少电解质路径、密封连接孔隙并增强TS、TC、CS或混合系统的耐久性。有机涂层系统仅在辅助屏障或密封选项时考虑。
8.1 化学转化和钝化策略
对于马氏体不锈钢基材，清洁、激活和钝化相关，因为水电损伤常受腐蚀辅助表面失稳加剧。化学调节减少污染并提高后续保护层可靠性。钝化仅在移除不稳定损伤层后有用。
8.2 无电/电化学沉积概念
电化学和无电路线作为薄中间层、粘合促进沉积或局部腐蚀屏障，但厚度和机械承载能力有限，不适用于严重空蚀或泥浆磨损。它们在混合系统中作为辅助层。
8.3 密封剂和后沉积致密化化学
后沉积密封和致密化是直接相关化学贡献。密封处理减少连接孔隙和电解质渗透，改善TS涂层耐腐蚀性。例如，磷酸盐-based pore-sealing路线改善arc-sprayed Al涂层耐腐蚀性。
8.4 优点和限制
化学辅助路线优点是低热负荷、有限变形风险和用于界面准备或孔隙密封。限制是证据不支持作为严重服务中厚空蚀抗性重建层的完整替代品。其价值体现在混合策略中。
9 新兴材料化学和涂层架构
新兴化学和混合架构应通过耐久性-可修复性-可持续性透镜判断。Fe-based非晶涂层结合高硬度和耐腐蚀性，减少Co或Ni依赖。HEA和MPEA涂层通过相架构控制延迟空蚀裂纹生长。功能梯度涂层管理基材和耐磨表面性能不匹配。多层和双工架构重新分配应力并修改腐蚀和磨损路径。密封辅助混合架构作为过程链，而非独立涂层标签。
9.1 Fe-based非晶涂层
Fe-based非晶涂层结合高硬度和耐腐蚀性，减少关键材料依赖。主要挑战是获得足够密度和界面完整性，并控制结晶、孔隙率、残余应力和脆性开裂。
9.2 高熵/多主元涂层
HEA和MPEA涂层是动态方向，激光熔覆CoCrNiAlTiNb和FeCrNiTiAlNb显示可调沉淀行为、硬度和空蚀响应。Nb微合金化细化晶粒，改善变形协调，减少空蚀质量损失。价值在于相架构控制，而非仅成分新颖性。
9.3 功能梯度涂层
功能梯度涂层管理性能不匹配，减少界面弹性或韧性不连续。但需要精确控制进料成分、稀释、孔隙率和厚度，证据基础较不成熟。
9.4 双工和多层架构
分层架构通过屏障层和定制外表面重新分配应力并修改腐蚀和磨损路径。多层设计仅在界面在反复水动力加载下稳定时有价值。每个额外界面引入潜在裂纹路径，需评估界面完整性和失败模式。
9.5 密封辅助和混合架构
密封辅助TS系统减少连接缺陷和电解质渗透，提高腐蚀抗力。混合过程链包括缺陷移除后LC，TS后化学密封，CS后精加工或顶层。每一步解决特定功能，但每个额外界面增加失败路径，需报告序列、热历史、互层兼容性和最终粗糙度。
10 保护后处理、精加工、检查和合格性
后处理和合格性直接影响停机时间、成本、可重复性和长期服务信心。损伤常起始于孔隙、裂纹、粗糙度峰值等缺陷，这些可通过精加工和检查影响。后处理是制造路线的一部分，而非单独最终操作。
10.1 精加工操作
研磨、抛光、轮廓恢复和粗糙度控制重要，因为空蚀和泥浆攻击对局部流扰动敏感。激光熔覆层需要加工或研磨恢复轮廓，TS层需要控制研磨减少粗糙度峰值而不暴露连接孔隙。精加工是性能关键步骤。
10.2 检查和质量控制
检查应结合厚度、硬度、附着力、孔隙率/裂纹分析、表面粗糙度和残余应力验证。分阶段检查逻辑：修复前分类损伤严重性，准备后验证表面清洁度和粗糙度，沉积后检查厚度、孔隙率和结合完整性，精加工后确认粗糙度和几何恢复。
10.3 文献中的合格性差距
文献中常见弱点是从短期属性数据到合格性导向证据的有限进展。最低证据包应包括初始基材条件、准备路线、涂层厚度、孔隙率或裂纹含量、附着力证据、精加工粗糙度、残余应力或HAZ评估，以及至少一个水电相关耐久性指标。
11 从循环翻新视角比较保护策略的批判性评估
表面保护应作为集成系统评估，涉及服役损伤、基材条件、制造路线、界面质量和生命周期考虑。比较不能简化为涂层硬度或短期质量损失排名。主导损伤机制定义主要需求，预处理表面定义可行干预，候选路线通过合格性证据、检查实用性、可再涂性、停机时间和生命周期价值过滤。
11.1 按退化机制的路线适用性
对于主导空蚀，最直接证据是密集激光熔覆系统和优化TS涂层。对于泥浆或混合颗粒侵蚀，HVOF/HVAF碳化物系统高度相关。对于腐蚀辅助条件，选择对孔隙率、密封、化学和界面稳定性敏感，Fe-based非晶、密封TS和混合屏障架构有吸引力。
11.2 按翻新约束的路线适用性
当部件轻微损伤且轮廓保留时，TS和密封TS是最实用选择。当存在局部腔体或深度损伤时，LC更可信。当基材热敏感时，CS有清晰角色。化学密封和致密化作为使能步骤。
11.3 制造和合格性平衡
使用TRL水平评估成熟度：HVOF/HVAF为最成熟大面积保护路线，LC局部重建成熟，CS有前景但较不成熟，混合/HEA/MPEA路线为较低成熟度选项。制造比较受结合模式和缺陷容忍控制。
11.4 实际循环翻新约束：成本、停机时间、可修复性和可再涂性
报告可测量路线级指标，如移除材料体积、涂层厚度、准备努力、沉积和后处理步骤数、部件拆卸或原位修复可能性、后加工需求、检查负担、预期可再涂性、维护间隔扩展和生命周期指标。TS和密封TS适合大面积，LC适合材料堆积，CS适合热敏感区域，化学处理作为辅助。
11.5 基于循环翻新的选择决策框架
决策序列：识别主导退化机制和预修复损伤类别，定义干预深度为保护、密封、表面再调节或体积重建，匹配热负荷和结合模式，通过合格性证据、检查实用性、可再涂性、停机时间和生命周期价值过滤候选路线。HVOF/HVAF最平衡，LC用于局部重建，CS用于热敏感，化学用于使能。
11.6 翻新决策框架的工程应用
框架作为工程门序列，而非自动排序。实际应用取决于部件几何、检查访问、允许热输入、准备深度、后加工负担、停机时间和未来移除或再涂能力。对于Francis或Kaplan转轮通道，密集HVOF/HVAF或密封TS可能实用；对于Pelton水斗轮廓损失，需要挖掘和LC/TC。
12 研究差距、合格性需求和未来方向
未来工作应超越孤立涂层性能研究，连接耐久性、界面稳定性、制造可行性、检查和生命周期效应。标准化混合模式测试应报告水化学、泥沙尺寸和浓度、冲击速度或角度、暴露时间、粗糙度演变和后测试裂纹路径。实验室测试与现场寿命的链接不足，基材感知修复设计需要编码合金等级、热处理状态、先前服务和准备路线。混合路线和循环设计作为优先前沿，数字和预测合格性集成检查数据、侵蚀监测和预测维护逻辑。
13 讨论
表面保护应视为翻新技术，其有效性取决于服务环境、基材状态、表面准备、涂层或重建路线、后处理、检查和生命周期目标如何连接成连贯修复链。
13.1 实验室到现场可转移性
大多数涂层研究提供机制证据而非直接现场寿命证据。实验室测试如超声空蚀、泥浆、腐蚀或附着力测试允许受控排名，但不应解释为直接寿命预测。可转移性差距分为五个级别：加载模式、规模、基材条件、过程实施和合格性不同。积极实验室结果应视为必要但非充分证据。
13.2 硬度、韧性、缺陷和界面控制失败
证据扩展了硬度不足的论点。在空蚀和泥浆环境中，材料去除由循环冲击、局部塑性变形、裂纹形核和传播控制，而非仅压痕抗力。硬涂层可能因孔隙、氧化物、弱薄片边界或连接缺陷而表现不佳。界面质量同样重要，残余应力状态影响空蚀抗力。
13.3 对翻新路线选择的影响
路线选择应从受损部件开始，而非涂层目录。框架结合损伤机制、基材条件、允许过程窗口、合格性证据和生命周期价值，使服务适用性、修复实用性和长期CR价值共同评估。
14 结论
先进表面保护策略应通过翻新导向逻辑选择，而非涂层硬度、名义成分或孤立实验室性能。关键变量是主导损伤机制、预修复基材条件、允许热输入、所需堆积厚度、涂层/界面缺陷状态和预期CR价值。TS仍是大面积保护最成熟路线，LC用于局部重建，CS用于基材保留，化学作为使能步骤。新兴HEA、MPEA、Fe-based非晶、梯度和多层系统应通过可修复性、可检查性、界面稳定性和生命周期性能判断。主要挑战是缺乏水电相关合格性协议，未来工作应关注混合翻新链、组合空蚀-泥浆-腐蚀测试、长期现场验证和生命周期based决策标准。
