CN102965665A

CN102965665A - 一种用于制备高温耐磨熔覆层的粉末材料及制备方法

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Publication number: CN102965665A
Application number: CN2012105266939A
Authority: CN
Inventors: 刘宗德; 刘再德; 王永田; 郑超
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2012-12-09
Filing date: 2012-12-09
Publication date: 2013-03-13

Abstract

一种用于制备高温耐磨熔覆层的粉末材料及制备方法，属于表面工程技术领域。组分及各组分含量重量百分数为： TiB₂粉:6-28%，Ni-Cr-Mo-Fe-Nb-B-Si-C合金粉末:余量；其中，Ni-Cr-Mo-Fe-Nb-B-Si-C合金粉的成分为：Cr:23-28%，Mo:1-3wt.%，Fe:2-4%， Nb:0.5-1%，B:3-4.5%，Si：3.5-4.5%，C: 0.5-1.3%，Ni:余量。制备方法包括：配制粉末原料，制备混合粉末，将混合粉末制成熔覆层用于循环流化床锅炉水冷壁管的防磨处理，或用于火电厂排粉机、引风机叶轮的防磨处理。采用激光熔覆技术制备TiB₂陶瓷颗粒增强耐磨熔覆层，其表面显微硬度可在1000-1200HV范围，可满足循环流化床水冷璧管高温耐磨的技术要求，显著延长水冷壁管的寿命。

Description

一种用于制备高温耐磨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熔覆层的粉末材料及制备方法；主要用于循环流化床锅炉水冷壁管的防磨处理，也可用于火电厂排粉机、引风机叶轮的防磨处理。

背景技术

磨损是引起循环流化床锅炉水冷壁管失效的主要原因。目前国内外普遍采用热喷涂技术对循环流化床锅炉水冷壁管进行防磨处理，所用的喷涂材料包括粉芯丝和粉末材料两大类。电弧喷涂用粉芯丝一般采用不锈钢带或铁带作为外皮，粉芯丝中的粉末材料主要采用碳化物、硼化物、氧化物等种类的陶瓷颗粒。由于成品粉芯丝外径一般为2-3mm，粉末材料在粉芯丝中所占重量百分数≤40%。超音速火焰喷涂、等离子喷涂所用高温耐磨类粉末材料主要有Cr₃C₂-NiCr、Fe-Cr-C、Fe-Cr-B-C等体系。但热喷涂技术存在涂层与基体为机械结合、涂层厚度受限制（一般涂层厚度为300-500μm）等局限性。当循环流化床锅炉燃用煤矸石等劣质煤时，由于煤中含有较多Al₂O₃（硬度约1900HV）、SiO₂(硬度900-1200HV)等高硬度杂质，将会对水冷璧管造成严重的高温冲蚀磨损。热喷涂法所制备涂层的结合强度和耐磨性难以满足循环流化床锅炉水冷壁管长寿命工作要求。

激光熔覆法制备的熔覆层具有晶粒细小、致密无空隙、稀释率低、与基体达到冶金结合、工件热变形极小等优点，这些优点是热喷涂技术所制备涂层所无法达到的。但目前适合于循环流化床锅炉水冷壁管防磨的激光熔覆用粉末材料体系较少，例如激光熔覆常用的Ni-Cr-B-Si、Ni-Cr-B-Si-C等体系的粉末所形成熔覆层的硬度为700-900HRC，其硬度显著低于煤中所含氧化物颗粒的硬度值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于制备高温耐磨熔覆层的粉末材料及制备方法，采用激光熔覆技术制备TiB₂陶瓷颗粒增强耐磨熔覆层，其表面显微硬度可在1000-1200HV范围，可满足循环流化床水冷璧管高温耐磨的技术要求，显著延长水冷壁管的寿命。

本发明是通过以下步骤来实现的。

用于制备高温耐磨熔覆层的混合粉末材料的组分及各组分含量（重量百分数）为：TiB₂粉（粒度-200+350目，纯度≥99.5%）：6-28 wt.%，Ni-Cr-Mo-Fe-Nb-B-Si-C合金粉末（粒度-140+325目）：余量；其中，Ni-Cr-Mo-Fe-Nb-B-Si-C合金粉的成分（重量百分数）为：

Cr:23-28wt.%，Mo:1-3wt.%，Fe:2-4wt.%，Nb:0.5-1wt.%，B:3-4.5wt.%，Si：3.5-4.5wt.%， C: 0.5-1.3wt.%，Ni:余量。

混合粉末中各组分作用如下：

TiB₂的作用是在熔覆层中形成弥散分布的高耐磨相，TiB₂的密度为4.52 g/cm³ 、熔点为2980℃、显微硬度高达32-34GPa、空气中抗氧化温度为1000℃。混合粉末经熔覆后可形成TiB₂、Fe₂₃(C,B)₆、Cr₂₃C₆、NbC、Ni₃SiTiB₂、Mo固溶于Ni所形成的固溶体等相；熔覆层中添加少量的Mo可改善陶瓷相与粘结相的润湿性，添加Nb可原位生成细小的高硬度NbC增强相；

所述Ni-Cr-Mo-Fe-Nb-B-Si-C合金粉末的制备方法为现有成熟工艺，其制作的原理是：将合金在熔炉中熔化，将熔体注入到气雾化区雾化得到Ni-Cr-Mo-Fe -Nb-B-Si-C合金粉末，将粉末筛分后得到所需粒度的Ni-Cr-Mo-Fe-Nb-B-Si-C合金粉末(-140+325目)。所述TiB₂粉末为成熟的工业产品。

本发明的制备方法包括以下步骤：

1、配制粉末原料

所述粉末原料的含量（重量百分数）范围如下：

TiB₂粉末（粒度-200+350目：是指粒度大于等于350目并小于等于200目，纯度≥99.5%）：6-28 wt.%，Ni-Cr-Mo-Fe-Nb-B-Si-C合金粉末（粒度-140+325目）：余量；其中，Ni-Cr-Mo-Fe-Nb-B-Si-C合金合金粉末的成分（重量百分数）为：Cr:23-28wt.%，Mo:1-3wt.%，Fe:2-4wt.%，Nb:0.5-1wt.%，B:3-4.5wt.%，Si：3.5-4.5wt.%， C: 0.5-1.3wt.%，Ni:余量。

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）将称取的粉末放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为110-120℃，干燥时间为3-4小时；

（3）利用干粉混料设备混合干燥后的粉末，混料时间为4-6小时，形成混合粉末；

（4）将混合粉末装入塑料桶密封储存。

3、将混合粉末制成熔覆层用于循环流化床锅炉水冷壁管的防磨处理，或用于火电厂排粉机、引风机叶轮的防磨处理。

制备熔覆层设备包括半导体直接输出激光器或二氧化碳激光器、螺杆式同步送粉器、数控机械臂和锅炉管熔覆工作台。如选用半导体直接输出激光器，其输出功率为1-3kW。如选用二氧化碳激光器，其输出功率为2-4kW。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步进直线运动、锅炉管作旋转运动的方法，在锅炉管外表面进行搭接熔覆，单层熔覆层厚度为500-1500μm。

本发明的优点为：利用高能量密度激光束熔化混合粉末，在水冷壁管外表面形成TiB₂陶瓷颗粒增强的耐磨熔覆层，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、熔覆层耐磨寿命长、工艺较简单等优点，可显著延长水冷壁管、风机叶轮的耐磨寿命。

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TiB₂含量为10wt.%时，靠近熔覆层表面区域的扫描电镜照片，图中弥散分布的深黑色颗粒为TiB₂，TiB₂颗粒直径在1-4μm范围；其中，TiB₂增强相1。

具体实施方式

实施例：在水冷壁管受热面制备TiB₂增强耐磨熔覆层

一、混合粉末的制备

1、配制粉末原料

所述粉末原料的配比如下：

TiB₂粉末（粒度-200+350目）：15 wt.%，Ni-Cr-Mo-Fe-Nb-B-Si-C合金粉末（粒度-140+325目）：余量；其中，Ni-Cr-Mo-Fe-Nb-B-Si-C合金合金粉末的成分为：Cr:24wt.%，Mo:1wt.%，Fe:3wt.%，Nb:0.6wt.%， B:3.5wt.%，Si：3.7wt.%，C: 1wt.%，Ni:余量。

Ni-Cr-Mo-Fe-Nb-B-Si-C合金粉末由气雾化方法制备。

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110℃，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5小时；

（4）将混合粉末用塑料桶密封存储。

二、耐磨熔覆层制备工艺

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2m。

制备耐磨熔覆层的工艺步骤为：

（1）利用电动砂轮手工对水冷壁管外表面进行除锈、平整处理；

（2）在水冷壁管受热面制备耐磨熔覆层。

制备熔覆层的设备主要由额定输出功率为2000W的高功率半导体直接输出激光器、螺杆式同步送粉器、数控机械臂和锅炉管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。熔覆时利用数控机械臂控制激光头作步进直线运动、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。由于仅需在水冷壁管受热面进行耐磨耐蚀防护，所需熔覆耐磨层的面积为水冷壁管外表面面积的42.5%。实施熔覆工艺时，通过行程开关控制激光器在水冷璧管所需熔覆的区域工作，而在不需要熔覆的区域激光器停止工作。熔覆时激光器输出功率为1.8kW，激光器光斑面积为8mm²，激光头水平步进移动距离3mm，水冷壁管旋转速度为0.06转/秒，所得熔覆层的平均厚度为800μm。

Claims

1.一种用于制备高温耐磨熔覆层的粉末材料，其特征在于，组分及各组分含量重量百分数为： TiB₂粉6-28%，Ni-Cr-Mo-Fe-Nb-B-Si-C合金粉末；余量；其中，Ni-Cr-Mo-Fe-Nb-B-Si-C合金粉的成分为：

Cr:23-28%，Mo:1-3%，Fe:2-4%，Nb:0.5-1%，B:3-4.5%，Si：3.5-4.5%， C: 0.5-1.3%，Ni:余量。

2.一种权利要求1所述的粉末材料的制备方法，其特征在于，工艺步骤为：

（1）配制粉末原料

所述粉末原料的重量百分数范围如下：

TiB₂粉末：6-28%，Ni-Cr-Mo-Fe-Nb-B-Si-C合金粉末：余量；其中，Ni-Cr-Mo-Fe-Nb-B-Si-C合金合金粉末的重量百分数为：Cr:23-28%，Mo:1-3%，Fe:2-4%，Nb:0.5-1%，B:3-4.5%，Si：3.5-4.5%， C: 0.5-1.3%，Ni:余量；

（2）制备混合粉末：

按步骤（1）各种粉末比例称取各种粉末；

将称取的粉末放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为110-120℃，干燥时间为3-4小时；

利用干粉混料设备混合干燥后的粉末，混料时间为4-6小时，形成混合粉末；

将混合粉末装入塑料桶密封储存待用；

（3）将混合粉末制成的熔覆层用于循环流化床锅炉水冷壁管的防磨处理，或用于火电厂排粉机、引风机叶轮的防磨处理。