CN103060737A

CN103060737A - 一种含纳米结构抗高温氧化腐蚀涂层用的粉芯丝材

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Publication number: CN103060737A
Application number: CN2013100015695A
Authority: CN
Inventors: 程江波; 王泽华; 张欣; 林尽染
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2013-01-05
Filing date: 2013-01-05
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2033-01-05
Also published as: CN103060737B

Abstract

一种含纳米结构抗高温氧化腐蚀涂层用的粉芯丝材，主要应用于电厂锅炉“四管”的抗高温氧化、热腐蚀。粉芯丝材由粉芯和外皮组成，外皮为430不锈钢钢带，其粉芯成分质量百分比：0.5%－2%B、15%-25%Cr、4%-9%Al、2%－5%Nb、1%－3%Mo、2%－4%W、余量Fe；粉芯填充率为30%-40%，粉芯丝材的直径为2mm。其制备方法为：将不锈钢钢带扎成U形，向U形槽中加粉系数为30%-40%；然后将U形槽合口，把粉末包覆其中。经拉丝模，逐渐拉拔、减径，最后丝材的直径为2.0mm。采用本发明研制粉芯丝材制备的涂层具有纳米结构，其纳米晶尺寸为20-75nm，孔隙率≤3%，结合强度为45~55MPa，涂层具有优异的抗高温氧化腐蚀性能。本发明可有效提高电厂锅炉“四管”在使役环境下的使用性能，延长服役寿命。

Description

一种含纳米结构抗高温氧化腐蚀涂层用的粉芯丝材

技术领域

本发明涉及一种含纳米结构抗高温氧化腐蚀涂层用的粉芯丝材，属于材料加工工程专业热喷涂领域。主要用于锅炉受热面管大面积防护的高速电弧喷涂材料。

背景技术

随着我国经济的高速增长，电力需求将越来越大。在电力结构中，我国火力发电设备占总装机容量的3/4以上。然而，在燃煤电厂，锅炉“四管”（水冷壁管、过热器管、再热器管、省煤器管）的高温氧化、硫化和热腐蚀以及由此造成的诸如爆管等故障一直是电力行业亟待解决的一个技术难题。例如，水冷壁管的高温腐蚀会导致水冷壁大面积减薄而发生频繁的爆漏，不但影响了电厂的安全运行，还造成了巨大的经济损失。采用电弧喷涂技术制备燃煤锅炉“四管”大面积防护涂层是一种简单、经济、有效的防护工艺，随着高速电弧喷涂技术的发展和新材料的不断研制成功，高速电弧喷涂在电站锅炉“四管”防腐耐磨方面必将有十分广泛的应用前景。

与晶态材料相比，亚稳态的非晶纳米晶涂层材料具有比传统材料更为独特而优异的性能，是很有发展前景的新型材料，采用非晶前驱体的纳米化得到的纳米晶粒之间的晶界干净，能够显著降低材料本征内应力；非晶化可以提高材料的耐蚀性能，非晶前驱体的部分纳米化可以提高材料的耐磨性能。由于电弧喷涂单个粒子的凝固速率为10^-7-10^-5K/s，具备了非晶形成的条件，只要材料成分设计合理，就能够得到纳米结构涂层。

高速电弧喷涂制备铁基非晶纳米晶合金涂层具有优质、高效、低成本的优势，国内外学者对此进行了大量研究，在非晶纳米晶涂层制备方面，据田浩亮等人在《材料科学与工艺》（2012 20(1): 108-113）上报道，利用高速电弧喷涂技术制备了FeAlNbB非晶纳米晶涂层，其纳米晶尺寸约为14.1nm。梁秀兵等人（《装甲兵工程学院学报》2010 24(6):81-84）利用电弧喷涂制备了FeAlCrNbB金属间化合物复合涂层，但该涂层纳米晶含量较低。郭金花等人在《电弧喷涂含非晶相的Fe基涂层的电化学行为》（《金属学报》2007 43(7):780-784）中的描述，已成功地利用电弧喷涂方法制备出了材料成分为FeCrBSiMoWMn的非晶纳米晶涂层，该涂层具有良好的耐腐蚀性能。傅斌友（《材料热处理学报》2008, 29(3): 159-162.）等利用电弧喷涂铁基粉芯丝材(FeCrNiBC)，获得了49％非晶含量的涂层，涂层耐磨粒磨损性能是Q235钢的16.8倍。Branagan等（Journal of Thermal Spray Technology, 2005, 14(2): 196-204）采用电弧喷涂美国Nanosteel公司的SHS7170粉芯丝材（FeCrMoWBCSiMn）制备了非晶纳米晶复合涂层，该涂层具有良好的抗高温冲蚀性能。虽然上述的粉芯丝材制备出的涂层具有非晶纳米晶结构和良好的耐常温磨损、常温腐蚀以及抗高温冲蚀性能，但并未发现其在高温氧化和高温腐蚀方面的报道；而且由于其材料成分体系设计不尽合理，获得的涂层纳米晶含量较低，且分布不均匀，并伴随着硼化物和氧化物产生，直接影响了涂层质量与性能。因此，研发出具有纳米结构且成本相对较低、抗高温氧化腐蚀性能优异的电弧喷涂铁基纳米晶结构涂层用粉芯丝材仍然具有重大的意义。但至今为止，还未见利用电弧喷涂技术制备粉芯丝材成分为FeCrAlBNbMoW纳米结构涂层应用于锅炉抗高温氧化腐蚀方面的报道。

发明内容

针对燃煤锅炉“四管”高温氧化、硫化和热腐蚀等问题，本发明提供了一种含纳米结构抗高温氧化腐蚀涂层用的粉芯丝材，利用高速电弧喷涂该粉芯丝材制备出的涂层具有纳米结构，其尺寸范围为20-75 nm，孔隙率≤3%，涂层的结合强度为45~55MPa。该涂层可解决电站锅炉运行中管道高温氧化、腐蚀及冲蚀等问题，并且具有成本较低等特点。

本发明实现上述目的的技术方案是：一种含纳米结构抗高温氧化腐蚀涂层用的粉芯丝材，由430不锈钢外皮包覆粉芯制成，其特征在于粉芯由七种元素粉末混合而成，所述的粉芯成分质量百分比含量范围如下：0.5%－2% B、15%-25% Cr、4%-9% Al、2%－5% Nb、1%－3% Mo、2%－4% W、余量Fe；粉芯的填充率为30%-40%，粉芯丝材的直径为2mm。采用高速电弧喷涂该粉芯丝材制备出的纳米结构涂层，纳米晶尺寸为20-75 nm，孔隙率≤3%，涂层的结合强度为45~55MPa。

所述的粉芯丝材，其特征在于用高速电弧喷涂该粉芯丝材制备出的纳米结构涂层，纳米晶尺寸为20-75 nm，孔隙率≤3%，涂层的结合强度为45~55MPa。

本发明粉芯丝材的制备方法包括以下步骤：

1. 将430不锈钢钢带扎成U形，再向U形槽中加入占粉芯丝材总重为36％的粉芯粉末；

2. 将U形槽的430不锈钢钢带合口，把粉芯粉末包覆其中，经过拉丝模，逐渐拉拔、减径，最后得到的粉芯丝材直径为2mm。

本发明有益的效果：合理设计粉芯各组分的含量，采用高速电弧喷涂技术可在冷却的钢基体上形成低氧化物含量、致密、均匀分布的纳米结构涂层，其纳米晶尺寸为30-75 nm，孔隙率≤3%，结合强度为45~55MPa；650℃氧化80h后，纳米结构涂层的抗高温氧化性能约为20g钢基体的20倍，该涂层具有优异的抗高温氧化和高温腐蚀性能，解决了电站锅炉及“四管”运行过程中的高温氧化腐蚀的问题。

附图说明

附图1：实施例1制备纳米结构涂层的X射线衍射图谱

附图2：实施例2制备纳米结构涂层的截面形貌

附图3：实施例2制备纳米结构涂层的微观组织（TEM）形貌

附图4：实施例3制备纳米结构涂层与20g钢基体在650℃下氧化动力学曲线

具体实施方式

本发明通过如下措施来实现：

实施例1：

选用10×0.4mm（宽度为10mm，厚度为0.4mm）的430不锈钢钢带，先将其扎成U形。取含七种元素的粉芯粉末按质量百分比：0.5% B、15% Cr、5% Al、2% Nb、1% Mo、2% W、余量Fe，称重配料。将所取的粉芯粉末放入混粉机内混合30min后，将混合的粉芯粉末加入U形不锈钢钢带槽中，填充率为30％。然后将U形槽合口，使粉芯粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至Φ2mm。将成品丝材绕制成出厂所需的盘状，经计量和包装后形成可以出厂的产品。在经过喷砂粗化后的钢基体上制备电弧喷涂涂层，喷涂电压为36V，喷涂电流为120A，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7MPa。

实施例1制备纳米结构涂层的X射线衍射图谱见图1。对实施例1制备的纳米结构涂层利用HVS－1000型维氏硬度计进行了显微硬度测试，结果表明涂层的显微硬度为650HV_0.1。结合强度测试结果表明，涂层平均结合强度为46.8MPa。

实施例2：

选用10×0.4mm（宽度为10mm，厚度为0.4mm）的430不锈钢钢带，先将其扎成U形。取含七种元素的粉芯粉末按质量百分比：1% B、20% Cr、6% Al、4% Nb、2% Mo、3% W、余量Fe，进行称重配料。将所取的粉芯粉末放入混粉机内混合30min后，将混合的粉芯粉末加入U形不锈钢钢带槽中，填充率为36％。然后将U形槽合口，使粉芯粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至Φ2mm成品丝材。将成品丝材绕制成出厂所需的盘状，经计量和包装后形成可以出厂的产品。在经过喷砂粗化后的钢基体上制备电弧喷涂涂层，喷涂电压为36V，喷涂电流110A，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7MPa。

实施例2制备纳米结构涂层的截面形貌如图2所示。可以看出：涂层呈层状结构，其组织均匀，结构致密，经灰度法分析涂层的孔隙率为2.8%；涂层平均结合强度为49.6MPa。图3是实施例2制备纳米结构涂层的TEM（透射电镜）形貌，可以看出制备的涂层微观组织为纳米结构，其纳米晶尺寸为20-75 nm。

实施例3：

选用10×0.4mm（宽度为10mm，厚度为0.4mm）的430不锈钢钢带，先将其扎成U形。取含七种元素的粉芯粉末按质量百分比：1% B、23% Cr、8% Al、5% Nb、3% Mo、4% W、余量Fe，进行称重配料。将所取的粉芯粉末放入混粉机内混合30min后，将混合的粉芯粉末加入U形不锈钢钢带槽中，填充率为40％。然后将U形槽合口，使粉芯粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至Φ2mm成品丝材。将成品丝材绕制成出厂所需的盘状，经计量和包装后形成可以出厂的产品。在经过喷砂粗化后的钢基体上制备电弧喷涂涂层，喷涂电压为34V，喷涂电流120A，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7MPa。经检测实施例3制备纳米结构涂层的平均结合强度为54.6MPa；孔隙率为2.2%。实施例3制备纳米结构涂层与20g钢基体在550℃下氧化动力学曲线如图4所示，在650℃氧化80h后，纳米结构涂层的抗高温氧化性能约为20g钢基体的20倍，纳米结构涂层具有优异的抗高温氧化性能。

Claims

1.一种含纳米结构抗高温氧化腐蚀涂层用的粉芯丝材，由430不锈钢外皮包覆粉芯制成，其特征在于粉芯由七种元素粉末混合而成，粉芯成分质量百分比含量范围如下：0.5%－2% B、15%-25% Cr、4%-9% Al、2%－5% Nb、1%－3% Mo、2%－4% W、余量Fe；粉芯的填充率为30%-40%，粉芯丝材的直径为2mm。

2.根据权利要求1所述的粉芯丝材，其特征在于用高速电弧喷涂该粉芯丝材制备出的纳米结构涂层，纳米晶尺寸为20-75 nm，孔隙率≤3%，涂层的结合强度为45~55MPa。