CN103343311B - 一种用于电弧喷涂制备铁基耐腐蚀涂层的含硼粉芯丝材及涂层制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于电弧喷涂制备铁基耐腐蚀涂层的含硼粉芯丝材及涂层制备方法，属于材料加工工程中的热喷涂领域。粉芯丝材外皮为SPCC钢带；粉芯丝材填充率：32-33%；粉芯丝材包括以下各元素质量百分比为Al：5-25wt.%；Si：1-6wt.%；B：1-5wt.%。涂层制备方法：基体表面用180目砂纸预磨，和60目棕刚玉进行喷砂处理；获得粉芯丝材，采用电弧喷涂工艺制备涂层，喷涂工艺参数：电压25-35V；电流180-220A；喷涂距离：200-210mm；压缩空气压力0.4-0.6MPa。本发明所得涂层耐高温氧化和耐腐蚀性能优良，能显著提高锅炉“四管”运行可靠性和使用寿命，降低维修频率。

Description

一种用于电弧喷涂制备铁基耐腐蚀涂层的含硼粉芯丝材及涂层制备方法

技术领域

本发明属于材料加工工程中的热喷涂领域，是一种利用电弧喷涂工艺制备铁基耐腐蚀涂层的含硼粉芯丝材，该发明主要应用于抗高温氧化和热腐蚀等工业领域。

背景技术

在电厂设备中，锅炉占重要地位，与汽轮机和发电机共称为电厂的“三大主机”。而与此同时，锅炉也是电厂事故多发的设备，火电机组的非计划停机大部分由它引起，其事故占有率为整个机组的40%以上，占所有非计划停机事故的多数。其中，锅炉受热面“四管”故障是造成锅炉强迫停机的首要原因。随着设计和制造技术的提高，耐高温高压材料发展，大型煤电向高参数、大容量、高效率和大电厂发展，运行的安全性和经济性己经成为人们重点关注的问题。

燃煤电站锅炉“四管”在高温服役环境中的热腐蚀是其主要的失效形式之一，由于频繁爆管所带来的材料损耗和非计划停炉造成了高昂的维修成本和巨大的经济损失。通过热喷涂技术在管壁表面制备防护涂层能够显著提高其运行可靠性和使用寿命，降低维修频率，从而体现出较好的经济效益，被认为是锅炉“四管”最为有效的防护技术手段之一。相比于超音速火焰喷涂等技术，电弧喷涂具有工艺设备简单、成本低廉和适于原位大面积施工等优点，因此已被该领域所广泛接受和采用。然而，近年来随着煤质条件的下降以及超超临界锅炉的出现，锅炉“四管”的服役环境更为恶劣，也对涂层材料的综合性能尤其是耐蚀性能提出了更高的要求，设计开发新型涂层材料以改善其防护能力成为该领域研究的热点问题。

本发明利用电弧喷涂工艺制备铁基耐腐蚀涂层，以达到大幅度提高锅炉“四管”的运行可靠性和使用寿命，降低维修频率的目的。为节约材料、降低使用成本、提高经济效益做出贡献。

目前用于锅炉“四管”防护的涂层材料多为镍基合金系涂层，而由于其成本过高，在应用中受到一定限制。经检索，目前未见用于电弧喷涂制备FeAlSiB耐腐蚀涂层的专利报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于电弧喷涂制备铁基耐腐蚀涂层的含硼粉芯丝材及涂层制备方法。用本发明的粉芯丝材所制备的涂层耐高温氧化和耐热腐蚀性能强，且涂层结合强度较高，能提高锅炉“四管”的运行可靠性和使用寿命，降低维修频率。

本发明的一种用于电弧喷涂制备铁基耐腐蚀涂层的含硼粉芯丝材，其特征在于：丝材外皮所用带材为SPCC钢带；粉芯丝材填充率：32-33%。粉芯丝材包括以下各元素，其质量百分比为：Al：5-25wt.%；Si：1-6wt.%；B：1-5wt.%。

优选所述粉芯丝材包括以下各元素，其质量百分比为：Al：5-18wt.%；Si：1-5wt.%；B：1-3wt.%。

进一步优选所述粉芯丝材包括以下各元素，其质量百分比为：Al：12-18wt.%；Si：3-5wt.%；B：2-3wt.%。

进一步优选上述所述的粉芯丝材的元素组成为Al、Si、B、Fe及不可避免的杂质。

采用本发明上述的粉芯丝材制备一种铁基耐腐蚀涂层的方法，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目棕刚玉进行喷砂处理，气压0.5-0.6MPa，时间20s。

步骤2，将粉芯丝材轧制，最终获得直径为2.0mm的粉芯丝材，允许正负公差在0.03mm以内。

步骤3，采用电弧喷涂工艺制备涂层，喷涂工艺参数为：电压25-35V；电流180-220A；喷涂距离200-210mm；压缩空气压力0.4-0.6MPa，制备涂层。

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28-32V；电流190-200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

本发明所述方法制备的一种铁基耐腐蚀涂层所具有的耐高温氧化性能和耐腐蚀性能是其自身组分所决定的。

Fe元素：在地壳中占有较高的质量分数，Fe基合金在保持较高的性价比的同时，又可以与基体钢保持较高的结合强度，适合于制备恶劣服役环境中使用的材料表面强化涂层；

Al元素：高温氧化和热腐蚀过程中，Al元素可以优先与O₂结合形成连续致密的Al₂O₃氧化层，既能防止涂层中的Fe被大量氧化，也能阻止O₂进一步向内渗透，提高涂层的耐高温氧化和耐腐蚀性能，对基体起到保护作用；

Si元素：涂层中的Si会固溶于Fe中，起到固溶强化作用；在高温氧化和热腐蚀条件下，Si可以与O₂结合形成连续致密的SiO₂氧化层，显著提高涂层的耐高温氧化和耐腐蚀性能，与Al₂O₃层一起对基体起到保护作用；

B元素：在喷涂过程中，B元素会增加熔融颗粒的粘稠度，减少颗粒搅动而带来的氧化，从而起到脱氧作用，可以使涂层的层间氧化物大量减少，起到保护熔融颗粒不被氧化和提高涂层结合强度的作用。B元素减少了氧化，也就保证了粉芯丝材中的Al元素和Si元素在喷涂过程中不被氧化，而在涂层经历高温氧化和热腐蚀过程中，就有足够的Al和Si生成连续致密的Al₂O₃和SiO₂氧化层。因此B元素在整个体系中发挥重要的作用。

虽然涂层中的各个元素都是常规的元素，但是涂层的耐高温氧化性能和耐腐蚀性能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。

本发明是提供一种用于电弧喷涂制备铁基耐高温氧化和耐腐蚀涂层的含硼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，制备得到的涂层，耐高温氧化和耐热腐蚀性能优良，氧化动力学曲线及腐蚀动力学曲线均呈抛物线规律，表明涂层能够快速有效形成保护性氧化层，抵抗进一步氧化腐蚀侵袭，所得涂层其粒子层间的氧化物数量明显减少。涂层能够提高锅炉“四管”的运行可靠性和使用寿命。

附图说明

图1实施例10涂层和对比例涂层截面的SEM图；

图2实施例3、7、10与对比例高温氧化实验曲线；

图3实施例3、7、10与对比例涂盐腐蚀实验曲线。

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SPCC钢带，粉芯丝材的成分在实施例中具体说明。各种粉末放入混粉机内混合10分钟，然后将混合粉末加入U形的不锈钢钢带槽中。将U形槽合口，使药粉包裹其中，再经过拉丝模逐渐减径使其直径达到2.0mm；

2.基体选用SA213-T2钢（尺寸为20×15×5mm），经粒度为180目砂纸预磨后，采用粒度为60目棕刚玉，气体压力0.5-0.6MPa，持续时间20s，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，涂层每次喷涂厚度不超过50μm，分多次喷涂到500μm。

实施例1

按照粉芯丝材各元素质量百分比为：Al：5wt.%；Si：1wt.%；B：1wt.%；Fe及不可避免杂质：余量；填充率：32%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数：电压25-30V；电流180-200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.4-0.5MPa。

实施例2

按照粉芯丝材各元素质量百分比为：Al：5wt.%；Si：1wt.%；B：1wt.%；Fe及不可避免杂质：余量；填充率：33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数：电压30-35V；电流200-220A；喷涂距离210mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例3

按照粉芯丝材各元素质量百分比为：Al：12wt.%；Si：3wt.%；B：2wt.%；Fe及不可避免杂质：余量；填充率：32%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数：电压25-30V；电流180-200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.4-0.5MPa。

实施例4

按照粉芯丝材各元素质量百分比为：Al：12wt.%；Si：3wt.%；B：2wt.%；Fe及不可避免杂质：余量；填充率：33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数：电压30-35V；电流200-220A；喷涂距离210mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例5

按照粉芯丝材各元素质量百分比为：Al：18wt.%；Si：5wt.%；B：3wt.%；Fe及不可避免杂质：余量；填充率：32%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数：电压25-30V；电流180-200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.4-0.5MPa。

实施例6

按照粉芯丝材各元素质量百分比为：Al：18wt.%；Si：5wt.%；B：3wt.%；Fe及不可避免杂质：余量；填充率：33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数：电压30-35V；电流200-220A；喷涂距离210mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例7

按照粉芯丝材各元素质量百分比为：Al：25wt.%；Si：6wt.%；B：5wt.%；Fe及不可避免杂质：余量；填充率：32%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数：电压25-30V；电流180-200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.4-0.5MPa。

实施例8

按照粉芯丝材各元素质量百分比为：Al：25wt.%；Si：6wt.%；B：5wt.%；Fe及不可避免杂质：余量；填充率：33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数：电压30-35V；电流200-220A；喷涂距离210mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例9

按照粉芯丝材各元素质量百分比为：Al：25wt.%；Si：5wt.%；B：2wt.%；Fe及不可避免杂质：余量；填充率：33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数：电压28-32V；电流190-200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例10

按照粉芯丝材各元素质量百分比为：Al：15wt.%；Si：4wt.%；B：2wt.%；Fe及不可避免杂质：余量；填充率：32%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数：电压28-32V；电流190-200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。

对比例

按照粉芯丝材各元素质量百分比为：Al：15wt.%；Si：4wt.%；Fe及不可避免杂质：余量；填充率：33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数：电压28-32V；电流190-200A；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.对实施例所制备涂层进行孔隙率分析，采用Image Pro Plus6.0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横截面取五张金相照片进行计算，并取其平均值，见表1。

2.对实施例所制备涂层进行SEM观察，采用HITACHI S-3400N型扫描电子显微镜进行。

从图1可以看出，由于加入了适当量的硼元素，使喷涂过程中熔融颗粒的氧化反应减少，因此使用本发明的一种用于电弧喷涂制备铁基耐腐蚀涂层的含硼粉芯丝材所制备的涂层，其扁平粒子层间的氧化物数量明显少于对比例中不含硼的粉芯丝材所制备的涂层。

3.对实施例所制备涂层进行高温氧化实验，仅选取涂层作为试样，规格：20×15×5mm；将所有试样在650℃空气炉中进行高温氧化实验，每10h后取出，置于空气中冷却后称重，经200h循环试验后，获得其单位面积增重曲线。

4.对实施例所制备涂层进行热腐蚀实验，仅选取涂层作为试样，规格：20×15×5mm；将所有试样进行250℃预热20min后，利用摩尔比为7:3的Na₂SO₄和K₂SO₄混合盐所配置的溶液进行浸泡，取出后在120℃温度下经2h用于烘干剩余水分，涂盐量：3-5mg/cm²，在650℃空气炉中进行热腐蚀实验，每10h后取出，置于空气中冷却后称重，经200h循环试验后，获得其单位面积增重曲线。

从图2和3可以看出，在高温氧化和热腐蚀的前5～10小时的范围内，单位面积增重明显，之后单位面积增重量趋于平缓，基本不再增加，耐高温氧化腐蚀性能优良，氧化动力学曲线和腐蚀动力学曲线均呈抛物线规律，表明涂层能够快速有效形成保护性氧化层，抵抗进一步氧化腐蚀侵袭。

表1实施例1-10及对比例涂层的孔隙率

Claims (3)

1.一种用于电弧喷涂制备铁基耐腐蚀涂层的含硼粉芯丝材，其特征在于：丝材外皮所用带材为SPCC钢带，粉芯丝材填充率为32-33％，粉芯丝材的元素组成及其质量百分比为：Al：12-18wt.％；Si：3-5wt.％；B：2-3wt.％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.采用权利要求1所述的粉芯丝材制备一种铁基耐腐蚀涂层的方法，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目棕刚玉进行喷砂处理，气压0.5-0.6MPa，时间20s；

步骤2，将粉芯丝材轧制，最终获得直径为2.0mm的粉芯丝材，允许正负公差在0.03mm以内；

步骤3，采用电弧喷涂工艺制备涂层，喷涂工艺参数为：电压25-35V；电流180-220A；喷涂距离200-210mm；压缩空气压力0.4-0.6MPa，制备涂层。

3.按照权利要求2的方法，其特征在于，步骤3喷涂工艺参数设定为：电压28-32V；电流190-200A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.5-0.6MPa。