CN102634747B

CN102634747B - 用于制备高温耐磨耐蚀熔覆层的粉末材料及制备方法

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Publication number: CN102634747B
Application number: CN2012101283738A
Authority: CN
Inventors: 刘宗德; 王永田; 刘再德; 温鹏; 任威宇; 钟成圆
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: Beijing Guoneng Defeng Material Technology Co., Ltd.
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: CN102634747A

Abstract

一种用于制备高温耐磨耐蚀熔覆层的粉末材料及制备方法，属于表面工程技术领域。该粉末材料的组分及各组分含量为：NbC粉：8-15wt.％；TiC粉：3-8wt.％；Ti粉：1-1.5wt.％；VC粉：3-6wt.％；Ni-Cr-Mo系合金粉：余量。制备方法包括：配制粉末原料、制备混合粉末、制备熔覆层。优点在于，可同时满足锅炉管高温耐磨、耐氯腐蚀的技术要求，可显著延长水冷壁管、省煤器管和过热器管的寿命。

Description

用于制备高温耐磨耐蚀熔覆层的粉末材料及制备方法

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，特别是提供了一种用于制备高温耐磨耐蚀熔覆层的粉末材料及制备方法；利用激光束熔覆粉末材料，形成耐磨耐蚀熔覆层；适用于煤与生物质共燃的循环流化床锅炉水冷壁管、省煤器管以及过热器管的耐磨耐蚀表面处理。

背景技术

煤与生物质共燃是一种综合利用生物质能和煤炭资源、并同时降低污染排放的新型燃烧方式。利用煤与生物质共燃技术，可增加锅炉效率、减少燃料消耗、减少污染物(NOx、SO₂)和温室气体CO₂的排放。

由于循环流化床锅炉对燃料适应性强、可同时燃烧几种不同特性的燃料、燃料种类的选择和掺混比例比较灵活，因而利用循环流化床锅炉进行煤与生物质共燃具有明显的技术优势。

秸秆、稻壳锯末等生物质原料具有较高的氯含量，生物质燃烧后的灰份中含有大量的碱金属氯化物。当煤与氯含量较高的生物质共燃时，在一定的温度下对水冷壁管、省煤器管以及过热器造成严重氯腐蚀，严重影响了锅炉的安全经济运行。实际运行经验表明，当生物质掺烧热量不高于10％时，锅炉的腐蚀速率比纯煤运行时明显增加，但基本不影响运行。而当生物质掺烧热量大于10％时，腐蚀问题不容忽视。在煤与生物质共燃烟气中，当氯含量较高的生物质掺烧比例达到60％时，烟气中氯含量是单独燃用煤时的20倍，这样就使得过热器管、水冷壁管和省煤器管的高温氯腐蚀问题十分严重。

循环流化床锅炉的工作原理为：将煤(或煤与生物质燃料)和脱硫剂送入炉膛着火燃烧，同时进行脱硫反应，固体颗粒在上升烟气流的作用下向炉膛上部运动，对水冷壁和炉内布置的其他受热面放热；粗大粒子进入悬浮区域后在重力及外力作用下偏离主气流，从而贴水冷壁向下流动，造成水冷壁管的磨损。循环流化床锅炉水冷壁管的磨损主要集中在炉膛下部卫燃带与水冷壁管过渡区域、炉膛四周角落等区域和不规则区域。水冷壁管的平均磨损速率一般为0.685-2mm/年，一些燃用劣质煤电厂的水冷壁管运行寿命仅200多小时。

在燃烧煤的工况下，磨损是引起循环流化床锅炉水冷壁管失效的主要原因。当煤与生物质共燃时，水冷壁管及省煤气管在磨损、高温氯腐蚀的恶劣环境下工作，需要对水冷壁管、省煤器管进行耐磨、耐蚀表面防护。对过热器管而言，主要是进行高温氯腐蚀防护。

目前国内外主要采用热喷涂技术(主要是电弧喷涂)对循环流化床锅炉水冷壁管进行防磨处理。但热喷涂技术还存在如下局限性：

1、涂层与基体为机械结合，涂层在颗粒高速撞击下易脱落失效；

2、涂层厚度受限制，一般涂层厚度为300-500μm，厚的涂层(500-1500μm)易在热应力作用下剥落失效；

3、如对水冷壁管进行二次喷涂，由于难以通过喷砂去除原有涂层残留物中包含的硬质颗粒，导致二次喷涂的涂层结合强度低、防磨效果更差；

4、热喷涂涂层存在2-10％的孔隙率，即便涂封孔剂也易形成腐蚀通道，从而显著降低了涂层的整体耐磨耐蚀性。

激光熔覆技术为当今国内外各种加工技术中最先进的技术，具有能量密度高、稀释度低、工件热变形极小等特点。激光熔覆法制备的熔覆层具有组织致密、无气孔、与基体冶金结合、成分及厚度均匀等优点，这些优点是其它表面技术难以具备的。因此，利用激光熔覆技术在锅炉管外表面制备耐磨耐蚀熔覆层具有极大的技术优势。

Ni-Cr-Mo系、Ni-Fe-Cr-Mo系合金虽然具有优异的高温耐氯腐蚀性能，但其耐磨性较差；Fe-Cr-B-C系、Ni-Cr-B-Si系等合金具有较高的耐磨性，但其高温耐氯腐蚀性能差。现有用于电厂锅炉的耐磨耐蚀材料难以满足煤与生物质共燃工况下水冷壁管、省煤器管的耐磨、耐高温氯腐蚀要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于制备高温耐磨耐蚀熔覆层的粉末材料及制备方法，可同时满足锅炉管高温耐磨、耐氯腐蚀的技术要求，可显著延长水冷壁管、省煤器管和过热器管的寿命。

本发明采用高能量密度的激光熔覆技术，使熔覆层具有低的稀释率，从而可有效控制基体材料中Fe元素扩散对熔覆层耐蚀性的影响。所制备的陶瓷-金属复合材料熔覆层的表面显微硬度可在480-900HV范围，其耐磨耐蚀相对寿命可达基体材料的3倍以上。本发明是通过以下步骤来实现的。

用于制备高温耐磨耐蚀熔覆层的粉末材料的组分及各组分含量为：NbC粉(粒度-140+400目，纯度≥99.5％)：8-15wt.％；TiC粉(粒度-150+400目，纯度≥99.5％)：3-8wt.％；Ti粉(粒度-150+300目，纯度≥99.5％)：1-1.5wt.％；VC粉(粒度-140+400目，纯度≥99.5％)：3-6wt.％；Ni-Cr-Mo系合金粉(粒度-140+325目)：余量；其中，Ni-Cr-Mo系合金粉的成分为：Cr：22-28wt.％，Mo：13-20wt.％，Co：1-2wt.％，W：3-5wt.％，Ni：余量，且Cr与Mo的重量百分比之和≥37wt.％。

粉末原料中各组分作用如下：

Ni-Cr-Mo系合金粉末经熔覆后作为熔覆层中的连续相，其耐高温氯、硫腐蚀性能优异，与哈氏合金C22的耐蚀性相当。熔覆过程中，基体中的Fe元素向熔覆层扩散，导致熔覆层中Cr、Mo元素含量降低，从而使熔覆层的耐蚀性下降。为提高熔覆层的耐蚀性能，所述Ni-Cr-Mo系合金粉末中，Cr、Mo的总含量高于哈氏合金C系列中的对应值。

混合粉末中，NbC、TiC、VC的作用是在Ni-Cr-Mo系合金熔覆层中形成弥散分布的陶瓷颗粒增强体，使熔覆层具有较高的耐磨性；Ti的作用是与熔覆层中游离碳起反应生成细小弥散分布的TiC增强相，从而避免游离碳与Cr反应生成铬的碳化物。由于熔覆层中Ni-Cr-Mo系合金为连续相、陶瓷颗粒弥散分布，即便陶瓷颗粒因磨损而剥落或被腐蚀，熔覆层中也不会形成通向基体材料的腐蚀通道，从而使锅炉管基体材料在熔覆层的保护下免于腐蚀。

所述Ni-Cr-Mo系合金粉末的制备方法为现有成熟工艺，即其制作的原理是：将合金在熔炉中熔化，经中间包过渡，将熔体注入到气雾化区雾化得到Ni-Cr-Mo系合金粉末，将粉末筛分后得到所需粒度的Ni-Cr-Mo系合金粉末(用于送粉器的最佳粒度为-140+325目)。

本发明的制备方法包括以下步骤：

1、配制粉末原料

所述粉末原料的重量百分数范围如下：

NbC粉(粒度-140+400目：是指粒度大于400目并小于等于140目，纯度≥99.5％)：8-15wt.％；TiC粉(粒度-150+400目，纯度≥99.5％)：3-8wt.％；Ti粉(粒度-150+300目，纯度≥99.5％)：1-1.5wt.％；VC粉(粒度-140+400目，纯度≥99.5％)：3-6wt.％；Ni-Cr-Mo合金粉(粒度-140+325目)：余量；其中，Ni-Cr-Mo系合金粉末的成分为：Cr：22-28wt.％，Mo：13-20wt.％，Co：1-2wt.％，W：3-5wt.％，Ni：余量，且Cr与Mo的重量百分比之和≥37wt.％。

2、制备混合粉末的工艺

(1)按步骤1所述的各种粉末比例，称取所需的各种粉末；

(2)将粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为100-150℃，干燥时间为2-3小时；

(3)利用干粉混料设备(如V型混料机)混合粉末原料，形成混合粉末，混料时间为3-5小时；

(4)将混和后的混合粉末装入塑料袋密封储存。

3、制备熔覆层工艺

本发明的技术主要用于在循环流化床锅炉水冷壁管、省煤器管和过热器管外表面制备耐磨耐蚀熔覆层。

制备熔覆层设备包括光纤传输的Nd:YAG灯泵浦固体激光器或半导体直接输出激光器、螺杆式同步送粉器、数控机械臂和熔覆工作台。如选用Nd:YAG灯泵浦固体激光器，其波长为1064nm、光纤偶合、功率为700-1500W；如选用半导体直接输出激光器，其输出功率为1-4kW。激光熔覆工艺为已有成熟技术，熔覆时利用数控机械臂控制激光头作直线运动、锅炉管作旋转运动的方法，在锅炉管外表面进行螺旋搭接熔覆，单层熔覆层厚度为400-1000μm。采用多层熔覆方法，可使熔覆层厚度达到800-3000μm。

本发明的优点为：利用高能量密度激光束熔化混合粉末，在水冷壁管、省煤器管和过热器管外表面形成以Ni-Cr-Mo系合金为粘结相的陶瓷颗粒增强耐磨耐蚀熔覆层，熔覆层与基体达到冶金结合、稀释率低。本发明的方法具有制备成本较低、熔覆层耐磨耐腐蚀寿命长、工艺较简单等优点，可显著延长水冷壁管、省煤器管和过热器管外表面的耐磨耐蚀寿命。

附图说明

图1为熔覆层显微硬度随熔覆层深度变化曲线(x＝0表示熔覆层表面硬度)。

图2为水冷壁管断面及熔覆层所在位置示意图。其中，熔覆层1、水冷壁管基体2。

图3为熔覆层与基体结合界面的扫描电镜照片(侵蚀后)。其中，熔覆层3，基体4。

具体实施方式

实施例1：在水冷壁管受热面制备耐磨耐蚀熔覆层

一、混合粉末的制备

1、配制粉末原料

所述粉末原料的重量百分数范围如下：

NbC粉(粒度-140+300目，纯度≥99.5％)：10wt.％；TiC粉(粒度-150+300目，纯度≥99.5％)：4wt.％；Ti粉(粒度-150+300目，纯度≥99.5％)：1wt.％；VC粉(粒度-140+300目，纯度≥99.5％)：4wt.％；Ni-Cr-Mo系合金粉(粒度-140+325目)：余量；其中，Ni-Cr-Mo系合金粉的成分为：Cr：25wt.％，Mo：15wt.％，Co：1wt.％，W：3wt.％，Ni：余量；Ni-Cr-Mo系合金粉由现有成熟的气雾化方法制备。

2、混合粉末的制备工艺

(1)按步骤1所述的各种粉末比例，称取粉末原料所需的各种粉末；

(2)将粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为120℃，干燥时间为3小时；

(3)利用球磨机混合粉末原料，形成混合粉末，混料时间为3小时；

(4)将混合粉末用塑料袋密封存储。

二、熔覆层制备工艺

在循环流化床锅炉水冷壁管外表面制备耐磨耐蚀熔覆层，水冷壁管材料为20G钢，其外径57mm、管壁厚度6mm、长度为4m。

制备熔覆层的工艺步骤为：

(1)利用电动砂轮对水冷壁管外表面进行除锈处理；

(2)在水冷壁管受热面制备耐磨耐蚀熔覆层。

制备熔覆层的设备主要由输出功率为700W的Nd:YAG灯泵浦固体激光器、螺杆式同步送粉器、数控机械臂和熔覆工作台等部分组成。熔覆前将水冷壁管固定在可作旋转运动的熔覆工作台上。激光熔覆工艺为已有成熟技术，熔覆时利用数控机械臂控制激光头作直线运动、水冷壁管作旋转运动，在水冷壁管外表面进行螺旋搭接熔覆。熔覆时激光器工作电流为320A，激光头水平移动速度为0.072mm/s，水冷壁管旋转速度为0.04转/s，通过数控机械臂控制激光头出口处与水冷壁管外表面垂直距离不变(30mm)，所得单层熔覆层的平均厚度为400μm。采用2层熔覆方法，使熔覆层平均厚度达到800μm。

由于仅需在水冷壁管受热面进行耐磨耐蚀防护、且现场安装时水冷壁管由鳍片连接，所需熔覆的面积为水冷壁管外表面面积的43.3％。熔覆时，通过行程开关控制激光头在所需熔覆区域工作、而在其它不需熔覆部位激光头停止工作，水冷壁管熔覆区域断面图见图2。

实施例2：在省煤器管外表面制备耐磨耐蚀熔覆层

一、混合粉末的制备

1、配制粉末原料

所述粉末原料的重量百分数范围如下：

NbC粉(粒度-140+300目，纯度≥99.5％)：11wt.％；TiC粉(粒度-150+300目，纯度≥99.5％)：5wt.％；Ti粉(粒度-150+300目，纯度≥99.5％)：1.5wt.％；VC粉(粒度-140+300目，纯度≥99.5％)：4wt.％；Ni-Cr-Mo系合金粉(粒度-140+325目)：余量；其中，Ni-Cr-Mo系合金粉的成分为：Cr：27wt.％，Mo：13wt.％，Co：1wt.％，W：3wt.％，Ni：余量；Ni-Cr-Mo系合金粉由现有成熟的气雾化方法制备。

2、混合粉末的制备工艺

(4)将混合粉末用塑料袋密封存储。

二、熔覆层制备工艺

在循环流化床锅炉省煤器管外表面制备耐磨耐蚀熔覆层，省煤器管的材料牌号为SA210-C，其外径60mm、管壁厚度7.5mm、长度为4m。

制备熔覆层的工艺步骤为：

(1)利用电动砂轮对省煤器壁管外表面进行除锈处理；

(2)在省煤器管外表面制备耐磨耐蚀熔覆层。

制备熔覆层的设备主要由最大输出功率为4kW的半导体直接输出激光器(激光的光斑宽度为8mm)、螺杆式同步送粉器、数控机械臂和熔覆工作台等部分组成。熔覆前将省煤器管固定在可作旋转运动的熔覆工作台上。激光熔覆工艺为已有成熟技术，熔覆时利用数控机械臂控制激光头作直线运动、省煤器管作旋转运动，在省煤器管外表面进行螺旋搭接熔覆。熔覆时激光器功率为2.2kW，激光头水平移动速度为0.33mm/s，省煤器管旋转速度为0.064转/s，通过数控机械臂的垂直高度控制装置使激光器作用于省煤器外表面的光斑宽度为8mm，所得单层熔覆层的平均厚度为900μm。

Claims

1.一种用于制备高温耐磨耐蚀熔覆层的粉末材料，其特征在于，该粉末材料的组分及各组分含量为：NbC粉：8-15 wt.%；TiC粉：3-8 wt.%；Ti粉：1-1.5 wt.%；VC粉：3-6 wt.%；Ni-Cr-Mo系合金粉：余量；

所述的Ni-Cr-Mo系合金粉末的成分为：Cr:22-28wt.%，Mo:13-20wt.%，Co：1-2wt.%，W：3-5wt.%,Ni:余量，且Cr与Mo的重量百分比之和≥37wt.%。

2.一种利用权利要求1所述的的粉末材料制备高温耐磨耐蚀熔覆层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）配制粉末原料

组分及各组分含量为：NbC粉：8-15 wt.%；TiC粉：3-8 wt.%；Ti粉：1-1.5 wt.%；VC粉：3-6 wt.%；Ni-Cr-Mo系合金粉：余量；

（2）制备混合粉末

按步骤1所述的各种粉末比例，称取所需的各种粉末；

将粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为100-150℃，干燥时间为2-3小时；

利用干粉混料设备混合粉末原料，形成混合粉末，混料时间为3-5小时；

将混和后的混合粉末装入塑料袋密封储存；

（3）制备熔覆层

选用Nd:YAG灯泵浦固体激光器，其波长为1064nm、光纤偶合、功率为700-1500W；或选用半导体直接输出激光器，其输出功率为1-4kW；

熔覆时利用数控机械臂控制激光头作直线运动，锅炉管作旋转运动，在锅炉管外表面进行螺旋搭接熔覆，单层熔覆层厚度为400-1000μm；

采用多层熔覆，使熔覆层厚度达到800-3000μm。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，制备熔覆层设备包括光纤传输的Nd:YAG灯泵浦固体激光器或半导体直接输出激光器、螺杆式同步送粉器、数控机械臂和熔覆工作台。