CN102277550A

CN102277550A - 一种制备镍基涂层用的粉芯丝材、涂层的制备方法及应用

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Publication number: CN102277550A
Application number: CN2011102322701A
Authority: CN
Inventors: 贺定勇; 周正; 赵晓舟; 李冉; 蒋建敏; 李晓延; 王智慧; 崔丽; 赵秋颖
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2011-08-15
Filing date: 2011-08-15
Publication date: 2011-12-14

Abstract

一种制备镍基涂层用的粉芯丝材、涂层的制备方法及应用，属于材料加工工程中的热喷涂领域。药芯成分原子百分比为：Cr：20-35at.％；B：30-55at.％；C：2.5-5.5at.％；Ni：余量；粉芯丝材外皮所用带材为Ni-Cr带；粉芯丝材填充率：32％。用电弧喷涂制备含Cr₂₃C₆陶瓷颗粒增强相镍基涂层时，需先对基体进行预处理，喷涂工艺：电压28-34V；电流160-220A；喷涂距离190-210mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。本发明可获得硬度高耐磨性好、耐腐蚀的涂层，提高废弃物资源化WTE垃圾焚烧炉中水冷壁管和过热器管服役稳定性。

Description

一种制备镍基涂层用的粉芯丝材、涂层的制备方法及应用

技术领域

本发明属于材料加工工程中的热喷涂领域，涉及一种粉芯丝材、涂层的制备方法及应用，特别涉及一种用电弧喷涂方法制备含Cr₂₃C₆陶瓷颗粒增强相镍基涂层的粉芯丝材、涂层的制备方法及应用，该发明主要应用耐热腐蚀、耐磨等工业领域。

背景技术

自21世纪开始，废弃物资源化(Waste-to-Energy，WTE)垃圾焚烧技术已成为现今处理固体废弃垃圾的主要发展趋势。

废弃物资源化WTE垃圾焚烧炉内过热器及水冷壁等易腐蚀部件的腐蚀形式主要是：活性氧化和熔盐腐蚀。活性氧化主要是由于飞灰颗粒中的金属氯化物在管壁上沉积、以及焚烧过程所产生的高浓度HCl所导致，而燃烧气氛中的氯则来源于城市垃圾中富含的有机物质和PVC材料。在温度达到450℃以上时，金属氯化物和HCl的氧化会产生高活性的Cl₂，极易扩散渗入表面氧化膜，并与氧化膜/金属基体界面处的Fe或者其它金属元素反应生成金属氯化物，在高温作用下挥发扩散至管壁表面，再次氧化将Cl₂释放出来从而构成循环腐蚀、减薄过程。同时，部分沉积的金属氯化物与燃烧气氛中的SO₂或SO₃等反应，易形成低熔点共晶盐，在高温下会熔化分解具有保护性的氧化膜，造成熔盐腐蚀。而近年来逐步提高的燃烧温度、以及气体与金属基材之间存在的温度梯度、由于城市垃圾物理化学性质不均所导致的温度波动、碱金属和重金属组份在沉积物中的出现等因素，都使得水冷壁管和过热器管等构件的腐蚀速率显著增加。影响WTE垃圾焚烧炉热能利用率及其运转效率。其解决方法通常为以高温合金作为服役材料或在传统材料表面制备具有耐热腐蚀、耐磨性涂层或制备耐蚀性熔敷金属的方法，以提高其服役可靠性。

等离子喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂等喷涂工艺设备复杂，成本高，不适宜原位大面积现场施工，且喷涂原材料粉体制备复杂。采用堆焊方法在过热器及水冷壁表面堆焊Inconel 625合金的放在在实际工作温度达到400-420℃时已不能对基体起到有效防护。而电弧喷涂因具有设备简单，操作方便，喷涂材料制备方便、经济，可以实现原位大面积喷涂等优点，已成为在实际应用领域制备耐热腐蚀涂层的主要制备方法。

经检索，目前并无采用电弧喷涂制备含Cr₂₃C₆陶瓷颗粒增强相镍基涂层相关技术的专利报道。

发明内容

本发明旨在获得一种用电弧喷涂制备含Cr₂₃C₆陶瓷颗粒增强相镍基涂层的粉芯丝材、涂层制备方法及应用。利用镍铬合金涂层具备耐蚀性及Cr₂₃C₆陶瓷颗粒增强相改善涂层耐磨骨架、增强耐磨性的特点，获得同时满足耐热腐蚀、耐磨损的涂层。提高WTE垃圾焚烧炉内易腐蚀、磨损部件服役稳定性，为获得更高热能利用率创造可能。

一种用电弧喷涂制备含Cr₂₃C₆陶瓷颗粒增强相镍基涂层的粉芯丝材，其特征在于：药芯成分原子百分比为：Cr：20-35at.％；B：30-55at.％；C：2.5-5.5at.％；Ni：余量；粉芯丝材外皮所用带材为Ni-Cr带；粉芯丝材填充率：32％。

所述粉芯丝材外皮所用带材为80Ni-20Cr带。

优选所述粉芯丝材药芯成分原子百分比为：Cr：25-35at.％；B：35-55at.％；C：3-5.5at.％；Ni：余量。

进一步优选所述粉芯丝材药芯成分原子百分比为：Cr：25-30at.％；B：35-50at.％；C：3-5at.％；Ni：余量。

采用本发明上述粉芯丝材制备一种含Cr₂₃C₆陶瓷颗粒增强相镍基涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，对基体表面进行预处理：基体表面经粒度180目砂纸预磨后，利用粒度为60目棕刚玉，气压0.4-0.6MPa，喷砂枪摆速度5mm/s，进行基体表面喷砂粗化；

步骤2，将本发明上述粉芯丝材进行粉芯丝材轧制，最终获得直径为2.0mm的粉芯丝材。

步骤3，采用电弧喷涂工艺制备涂层，喷涂工艺参数为：电压28-34V；电流160-220A；喷涂距离：190-210mm；压缩空气压力：0.5-0.6MPa。

步骤3所述喷涂工艺进行优化，将喷涂工艺参数设定为：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离：200mm；压缩空气压力：0.5-0.6MPa，制备涂层。

采用上述方法制备的一种含Cr₂₃C₆陶瓷颗粒增强相镍基涂层；将此涂层应用于废弃物资源化WTE垃圾焚烧炉中水冷壁管和过热器管上。

本发明所述方法制备的一种含Cr₂₃C₆陶瓷颗粒增强相镍基涂层在高温环境下具有在Na₂SO₄/NaCl腐蚀介质中的耐蚀性，该介质可较好模拟废弃物资源化WTE垃圾焚烧炉中易腐蚀部件的工作环境。同时该涂层具有硬度高、耐磨性好的特点。因此通过在废弃物资源化WTE垃圾焚烧炉中水冷壁管和过热器管制备本发明所述涂层，可改善上述部件高温腐蚀及磨损工况下的服役稳定性，延长其使用寿命。

本发明所述方法制备的一种含Cr₂₃C₆陶瓷颗粒增强相镍基涂层所具有的耐热腐蚀性、耐磨性是其自身组分所决定的。其作用为：

Ni、Cr元素：Ni元素的氧化物生成速度比Cr元素快，因此在形成Cr₂O₃氧化膜前，可生成大量的NiO和NiCr₂O₄，降低了氧化膜与合金界面的氧分压，促进涂层中的Cr形成具有良好耐蚀性的连续致密的Cr₂O₃氧化膜，伴随Ni元素所形成的NiO及尖晶石型化合物NiCr₂O₄，对涂层起到保护作用。

B元素：降低晶界化学能，增强晶粒间结合力、细化晶粒

C元素：与Cr元素发生反应形成Cr₂₃C₆金属陶瓷增强相，改善涂层耐磨骨架，提高涂层硬度，增强涂层耐磨性。

虽然涂层中的各个元素都是常规的元素，但是涂层的耐磨耐蚀性是通过各个元素的协同作用决定的，并不是单一元素决定的，也不是仅仅通过有限次试验就可以得到的。

本发明是提供一种电弧喷涂制备含Cr₂₃C₆陶瓷颗粒增强相镍基涂层用的粉芯丝材及涂层制备方法。该粉芯丝材经电弧喷涂在材料表面制备涂层后，涂层中含有Cr₂₃C₆陶瓷颗粒增强相，获得硬度高耐磨性好的涂层。提高WTE垃圾焚烧炉中易腐蚀、磨损部件的服役稳定性。

附图说明

图1实施例1-14涂层显微硬度变化规律；

图2实施例1-14涂层相对耐磨性变化规律；

图3实施例1-14涂层涂盐腐蚀210h后单位面积增重变化规律；

图4实施例13涂层XRD分析图谱；

图5实施例5、8、13、14涂层涂盐腐蚀实验曲线；

图6实施例5、8、13、14涂层显微硬度；

图7实施例5、8、13、14涂层相对耐磨性。

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明决非仅局限于所陈述的实施例。

各实施例中相同部分如下所述：

1.实施例中粉芯丝材外皮选用规格为12×0.3mm(宽度为12mm，厚度为0.3mm)的80Ni-20Cr带，粉芯丝材药芯成分在实施例中具体说明，通过已有粉芯丝材轧制技术，将粉芯丝材经逐道拉拔减径至2.0mm；2.基体选用SA213-T2(20×15×5mm、57×25×5mm)及采用Q235钢依照ASTM C633-79(1993年重新核准)中所规定的试件尺寸所制备的拉伸试样棒经粒度为180目砂纸预磨后，采用粒度为40-60目棕刚玉，气体压力0.4-0.6MPa，喷砂枪摆速度5mm/s，对试件进行喷砂粗化处理；3.喷涂工艺参数在实施例中具体说明，磨粒磨损、耐蚀性实验用涂层每次喷涂厚度不超过50μm，分多次喷涂到450μm；结合强度试验用涂层在同一实施例中，与磨粒磨损、耐蚀性实验涂层制备工艺参数相同，每次喷涂厚度不超过50μm，分多次喷涂到250μm。

实施例1

按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为：Cr：20at.％；B：30at.％；C：2.5at.％；Ni：余量。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28-30V；电流160-180A；喷涂距离190mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例2

按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为：Cr：20at.％；B：30at.％；C：2.5at.％；Ni：余量。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例3

按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为：Cr：20at.％；B：30at.％；C：2.5at.％；Ni：余量。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压32-34V；电流200-220A；喷涂距离210mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例4

按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为：Cr：25at.％；B：35at.％；C：3at.％；Ni：余量。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28-30V；电流160-180A；喷涂距离190mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例5

按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为：Cr：25at.％；B：35at.％；C：3at.％；Ni：余量。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例6

按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为：Cr：25at.％；B：35at.％；C：3at.％；Ni：余量。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压32-34V；电流200-220A；喷涂距离210mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例7

按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为：Cr：30at.％；B：50at.％；C：5at.％；Ni：余量。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28-30V；电流160-180A；喷涂距离190mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例8

按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为：Cr：30at.％；B：50at.％；C：5at.％；Ni：余量。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例9

按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为：Cr：30at.％；B：50at.％；C：5at.％；Ni：余量。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压32-34V；电流200-220A；喷涂距离210mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例10

按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为：Cr：35at.％；B：55at.％；C：5.5at.％；Ni：余量。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28-30V；电流160-180A；喷涂距离190mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例11

按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为：Cr：35at.％；B：55at.％；C：5.5at.％；Ni：余量。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例12

按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为：Cr：35at.％；B：55at.％；C：5.5at.％；Ni：余量。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压32-34V；电流200-220A；喷涂距离210mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例13

按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为：Cr：26.5at.％；B：40at.％；C：3.5at.％；Ni：余量。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa，涂层XRD分析图谱见图4。

实施例14

按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为：Cr：28at.％；B：45at.％；C：4.5at.％；Ni：余量。填充率：32％，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

各实施例所制备涂层性能检测如下所述：

1.实施例所制备涂层进行显微硬度测试试验中，采用HXD-1000数字式显微硬度计，载荷100g，持续时间15s，取10点显微硬度平均值；

2.对实施例所制备涂层进行耐磨损实验，采用MLS-225型湿砂橡胶轮式磨粒磨损试验机进行。试验参数如下：橡胶轮转速：240r/min、橡胶轮直径：178mm、橡胶轮硬度：60(绍尔硬度)、载荷100N、橡胶轮转数：预磨1000转、精磨2000转、磨料：粒度40-70目石英砂。材料耐磨性能用磨损的失重量来衡量。在实验前、后，将试件放入盛有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗3-5分钟，实验中用SA 213-T2钢作为对比试样，对比件失重量与测量件失重量之比作为该配方的相对耐磨性。即相对耐磨性ε＝标准试样失重量/试样失重量。

3.对实施例所制备涂层进行耐热腐蚀实验，仅选取涂层作为试样，对比试样选用SA 213-T2型钢材，规格：20×15×5mm；将所有试样进行250℃/20min预热后，利用Na₂SO₄+10wt.％NaCl混合盐所配置的浓度为16wt.％的溶液进行浸泡，取出后经120℃/2h用于烘干剩余水分，涂盐量：3-5mg/cm²，在800℃空气炉中进行涂盐腐蚀实验，每10h后取出，置于空气中冷却后称重，经210h循环试验后，获得其单位面积增重曲线及最终单位面积增重量，见图3、5。

4.对实施例所制备涂层进行结合强度测试，依照ASTM C633-79(1993年重新核准)标准所述进行，粘接剂选用上海市合成树脂研究所所制E-7型高温结构胶，胶体配比依照说明书提供，并经100℃/3h固化后进行结合强度测试，见表1。

5.对实施例所制备涂层进行孔隙率分析，采用Image Pro Plus 6.0图像分析软件，利用图像法分析涂层孔隙率，以评价涂层致密度。分别对每个实施例所制涂层的五张截面金相照片进行计算，并取其平均值，见表1。

通过综合考虑实施例1-14涂层孔隙率、结合强度、显微硬度、相对耐磨性及耐腐蚀性，实施例1-14涂层显微硬度变化规律见图1，实施例1-14涂层相对耐磨性变化规律见图2，实施例1-14涂层涂盐腐蚀210h单位面积增重变化规律见图3，对粉芯丝材药芯成分进行逐步优化，最终获得耐蚀性好、耐磨性好的涂层，应用于废弃物资源化WTE垃圾焚烧炉过热器管、水冷壁管部件防护，以提高上述部件服役稳定性。提高热能利用率及运转效率，实施例13涂层XRD图谱分析见图4，实施例5、8、13、14涂层涂盐腐蚀实验曲线见图5，实施例5、8、13、14涂层显微硬度见图6，实施例5、8、13、14涂层相对耐磨性见图7。

表1实施例1-14孔隙率及结合强度

Claims

1.一种用电弧喷涂制备含Cr₂₃C₆陶瓷颗粒增强相镍基涂层的粉芯丝材，其特征在于：药芯成分原子百分比为：Cr：20-35at.％；B：30-55at.％；C：2.5-5.5at.％；Ni：余量；粉芯丝材外皮所用带材为Ni-Cr带；粉芯丝材填充率：32％。

2.按照权利要求1的一种粉芯丝材，其特征在于：所述粉芯丝材外皮所用带材为80Ni-20Cr带。

3.按照权利要求1的一种粉芯丝材，其特征在于：药芯成分原子百分比为：Cr：25-35at.％；B：35-55at.％；C：3-5.5at.％；Ni：余量。

4.按照权利要求3的一种粉芯丝材，其特征在于：药芯成分原子百分比为：Cr：25-30at.％；B：35-50at.％；C：3-5at.％；Ni：余量。

5.一种采用权利要求1的任一粉芯丝材制备含Cr₂₃C₆陶瓷颗粒增强相镍基涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤2，将粉芯丝材轧制，最终获得直径为2.0mm的粉芯丝材；

6.按照权利要求5的方法，其特征在于，步骤3所述的喷涂工艺参数设定为：电压30-32V；电流180-200A；喷涂距离：200mm；压缩空气压力：0.5-0.6MPa。

7.采用权利要求5的方法所制备的一种含Cr₂₃C₆陶瓷颗粒增强相镍基涂层。

8.权利要求7的一种涂层应用于废弃物资源化WTE垃圾焚烧炉中水冷壁管和过热器管上。