CN104264102A - 锅炉水冷壁上镍基合金涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

锅炉水冷壁上镍基合金涂层的制备方法，在锅炉水冷壁管屏表面有一层复合涂层，复合涂层是采用超音速电弧喷涂设备在锅炉水冷壁管屏上喷涂一层结合底层，然后再在其上喷涂一层耐高温腐蚀、耐磨损的镍基合金涂层，形成双层复合结构涂层，本发明可大大延长锅炉水冷壁的使用寿命，工艺简单、生产成本低廉、可控性好、对基体影响小，该涂层结合强度高，可有效提高锅炉水冷壁的使用寿命，使锅炉水冷壁具有优越的耐腐蚀性能与耐磨损性能。

Description

锅炉水冷壁上镍基合金涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及电力、环境和材料加工领域的一种涂层制备方法，特别涉及一种采用超音速电弧喷涂法在锅炉水冷壁上制备镍基涂层的方法。

背景技术

循环流化床锅炉广泛应用在工业、发电等行业。它具有燃料适应性好，燃烧效率高，负荷调节范围大等优点。然而循环流化床锅炉也存在一个问题，由于床内速度高，粒子浓度大，致使受热面管子腐蚀和磨损相当严重，造成管壁泄漏，致使爆管的发生。国产220t/h循环流化床锅炉，设计生产年限一般在20年以上，有的长达40年，但由于锅炉水冷壁等金属部件腐蚀和磨损问题，循环流化床锅炉使用10年左右就报废了，因此，循环流化床锅炉寿命制约生产效率和成本。锅炉水冷壁目前采用火焰喷涂、防磨堆焊、使用耐磨浇筑料以及电镀镍、铬防护。存在的不足之处是：生产周期长、产品生产过程中的条件苛刻、涂层结合强度低、容易脱落、使用寿命短等。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种锅炉水冷壁上镍基合金涂层的制备方法，工艺简单、生产成本低廉、可控性好、对基体影响小，该涂层结合强度高，可有效提高锅炉水冷壁的使用寿命，使锅炉水冷壁具有优越的耐腐蚀性能与耐磨损性能。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

锅炉水冷壁上镍基合金涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)对锅炉水冷壁管屏表面进行表面预处理，预处理工艺过程为：先选用16～20号石英砂粗喷2遍，去除水冷壁管表面的锈、氧化皮、结焦，并露出灰白色金属光泽，使其表面清洁度达Sa3.0级，然后用14～16号棕刚玉进行表面粗糙化处理，表面粗糙度达Rz80～120μm，水冷壁管表面呈现均质的灰白色金属外观；

(2)在经过预处理的表面喷涂结合底层，结合底层为Al合金或NiAl合金的一种或两种合金的复合，结合底层喷涂厚度0.15～0.2mm，喷涂时与基体表面发生冶金结合，形成微“焊合”点，采用井字型喷涂方式，分层、分块作业，防止喷涂过程中产生局部温度过高，温度控制在100～150℃范围内，所述的井字型喷涂方式采用由上向下或由下向上逐层横向喷涂后，再由左向右或由右向左逐层纵向喷涂，工作层的最末一遍喷涂涂层喷涂方向与锅炉水冷壁下滑物流方向一致，局部区域喷涂达到设计厚度后再移换到其他区域，搭接过渡区域设明显标记确保喷涂层结合力及厚度均匀，防止出现漏喷现象；

(3)采用超音速电弧喷涂方法，将工作涂层喷涂在结合底层上，工作涂层为含有镍基合金的一种或两种复合涂层，温度控制在100～150℃范围内，工作涂层喷涂3层，每层厚度0.1～0.15mm，所述的超音速电弧喷涂方法，是在电源控制台控制下，将两根丝状金属喷涂材料送进电弧喷枪中的两个导电嘴内,两根丝状金属喷涂材料为含有镍基合金金属丝，是NiTi、NiCr、Cr3C2-NiCr合金的其中一种金属丝，或是其中两种金属丝的复合；这两根带有不同种电荷的丝材作为阴阳两极以60°的夹角相接触产生电弧，使丝材端部熔化，通过对电压和电流的调整，丝材的消耗与丝材供给相一致，保证电弧的稳定燃烧，熔化的丝材被两倍音速的压缩空气流雾化成微熔滴,微熔滴被压缩空气流带动以超音速400m/s以上的速度射向预处理之后的基体上形成涂层；

(4)工作层喷涂完毕后立即进行涂层封闭处理，材料选用渗透性较好的耐高温有机硅封孔剂，封闭微观孔隙，与工作层一起形成刚柔并进的复合涂层。

所述结合底层主要起涂层过渡结合的作用，所述的工作层主要起耐腐蚀、耐磨损等有效工作作用。

所述的涂层封闭主要封闭工作层沉积时表面形成的微观孔隙，材料选用渗透性较好的耐高温有机硅封孔剂，封闭微观孔隙。

按本发明的制备方法所得到的锅炉水冷壁管基体上镍基合金涂层的制备方法，可以用于其它基体零部件表面要求高结合强度的镍基合金涂层。使其具有优越的耐腐蚀性能与耐磨损性能。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做详细叙述。

锅炉水冷壁上镍基合金涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)对锅炉水冷壁管屏表面进行表面预处理，预处理工艺过程为：先选用16～20号石英砂粗喷2遍，去除水冷壁管表面的锈、氧化皮、结焦，并露出灰白色金属光泽，使其表面清洁度达Sa3.0级，然后用14～16号棕刚玉进行表面粗糙化处理，表面粗糙度达Rz80～120μm，水冷壁管表面呈现均质的灰白色金属外观；

(2)在经过预处理的表面喷涂结合底层；结合底层为Al合金或NiAl合金的一种或两种合金的复合，结合底层喷涂厚度0.15～0.2mm，喷涂时与基体表面发生冶金结合，形成微“焊合”点，结合强度高，在实际操作中采用井字型喷涂方式，分层、分块作业，防止喷涂过程中产生局部温度过高，温度控制在100～150℃范围内，所述的井字型喷涂方式采用由上向下或由下向上逐层横向喷涂后，再由左向右或由右向左逐层纵向喷涂，工作层的最末一遍喷涂涂层喷涂方向与锅炉水冷壁下滑物流方向一致，局部区域喷涂达到设计厚度后再移换到其他区域，搭接过渡区域设明显标记确保喷涂层结合力及厚度均匀，防止出现漏喷现象；

(3)采用超音速电弧喷涂方法，将工作涂层喷涂在结合底层上，工作涂层为含有镍基合金的一种或两种复合涂层，温度控制在100～150℃范围内，工作涂层喷涂3层，每层厚度0.1～0.15mm；

(4)涂层封闭，工作层喷涂完毕后立即进行涂层封闭处理，材料选用渗透性较好的耐高温有机硅封孔剂，封闭微观孔隙。

所述的超音速电弧喷涂方法，其原理是在电源控制台控制下，将两根丝状金属喷涂材料送进电弧喷枪中的两个导电嘴内,这两根带有不同种电荷的丝材作为阴阳两极以60°的夹角相接触产生电弧，使丝材端部熔化，通过对电压和电流的调整，丝材的消耗与丝材供给相一致，保证电弧的稳定燃烧，熔化的丝材被两倍音速的压缩空气流雾化成微熔滴,微熔滴被压缩空气流带动以超音速400m/s以上的速度射向预处理之后的基体上形成涂层。超音速电弧喷涂方法与普通电弧喷涂和火焰喷涂相比，具有更高的粒子飞行速度、更大的结合强度、更低的孔隙率、涂层均匀性高、致密性好，可获得高质量的涂层，且能做到喷涂粒子与锅炉水冷壁管接触时，管屏温升不超过150℃，对管屏基体无影响，管屏无变形，确保在热、冷工况下涂层不起皮，不开裂，不剥落，防磨作用长久有效。

所述的超音速电弧喷涂方法，其系统采用美国UniqueCoat公司生产的TRS300H型喷涂系统，主要包括超音速电弧喷涂主机、空气压缩机、空气滤清器、气源控制系统、送丝机构、超音速电弧喷枪等。借助喷涂机器人控制超音速电弧喷枪进行喷涂，可得到厚薄均匀的涂层结构，喷涂效率高。

所述的锅炉水冷壁管屏表面预处理工艺过程是：先选用16～20号石英砂粗喷，去除水冷壁管表面的铁锈、氧化皮、结焦，再选用14～16号棕刚玉进行表面粗糙化处理。选用石英砂粗喷，其作用是：石英砂性脆无解理，不但较容易去除水冷壁管表面硬质物铁锈、氧化皮、结焦等残留物，而且预处理生产效率高；选用棕刚玉粗糙化处理，其作用是：棕刚玉硬度适中、韧性好、边角锋利，进行基体表面粗糙化处理容易形成均匀的微凹凸基体亚光结合面，涂层与基体的附着力将大大提高。

所述结合底层主要起涂层过渡结合的作用，Al合金或NiAl合金的一种或两种合金的复合与基体形成柔性结合，所述的工作层主要起耐腐蚀、耐磨损等有效工作作用，NiTi、NiCr、Cr3C2-NiCr合金的其中一种金属丝，或是其中两种金属丝的复合与结合底层结合形成刚柔并进的工作层。

所述的井字型喷涂方式是采用由上向下或由下向上横向喷涂后，再由左向右或由右向左纵向喷涂，工作层的最末一遍喷涂涂层喷涂方向与锅炉水冷壁管屏下滑物流方向一致，以避免下滑物流垂直接合面，造成接合处过早冲刷磨损；井字型喷涂方式保证了喷涂层的厚度均匀，而且结合力相对较高。

所述的涂层封闭是工作层喷涂完毕后立即进行涂层封闭处理，材料选用渗透性较好的耐高温有机硅封孔剂，封闭微观孔隙，封孔剂能有效渗透、浸湿涂层孔隙，在高温下逐渐陶瓷化，使整个涂层更致密，涂层封闭其作用：一是，阻止烟气中的腐蚀性气体通过涂层孔隙渗透到涂层内部造成内腐蚀；二是，消除涂层微观孔隙处下滑物流方向的改变形成的小涡流的影响，防止局部发生较快的冲刷磨损。

实施例一

按照本发明的方法，先在用冷喷涂粗化的锅炉水冷壁管屏预处理表面形成结合底层，然后再在其上喷涂一层耐高温腐蚀、耐磨损的镍基合金工作涂层，形成双层复合结构涂层。结合底层采用丙烷作为燃气，压力为0.65MPa，压缩空气作为雾化气和助燃气，压力为0.70MPa，喷涂电流130A，喷涂电压30V，喷涂涂层时喷涂距离为150mm；同理，超音速电弧喷涂工作涂层采用丙烷作为燃气，压力为0.54MPa，压缩空气作为雾化气和助燃气，压力为0.58MPa，喷涂电流105A，喷涂电压19V，喷涂涂层时喷涂距离为150mm。喷涂工艺参数是涂层质量保证的前提，以上两种工艺参数制备的涂层外观检测无起皮、开裂现象，涂层结合强度高达50MPa以上。

实施例二

按照本发明的方法，在预处理的锅炉水冷壁管屏上采用超音速电弧喷涂方法制备双层复合结构涂层，共分5层进行喷涂：1～2层喷涂结合底层，每层的喷涂厚度为0.075～0.1mm,3～5层喷涂工作涂层，每层的喷涂厚度为0.1～0.15mm,在锅炉水冷壁管屏上部收尾处每隔10～15mm形成一层、两层、三层的过渡区。严格控制喷涂层数和厚度是涂层质量保证的关键，涂层过厚容易剥落、鼓包，涂层结合强度明显下降，本结合底层和工作层的喷涂层数和厚度以及过渡区涂层均匀过渡设计制备的涂层结合强度高，收尾处无局部凸起缺陷，避免了在局部凸起处产生新的磨损点。

实施例三

按照本发明的方法，在预处理的锅炉水冷壁管屏上采用超音速电弧喷涂方法制备0.15～0.2mm厚的铝合金结合底层，然后再用超音速电弧喷涂在其上制备NiTi合金涂层，形成双层复合结构涂层，喷涂时温度控制在100℃～150℃。由于结合底层与锅炉水冷壁管基体结合良好，而工作层与结合底层结合良好，所以工作涂层与锅炉水冷壁管基体之间通过结合底层实现了良好的结合，结合强度可超过48MPa，此涂层不仅具有良好的结合和抗热震性，而且耐磨性能由于NiTi合金的耐磨损性而特别优越。

实施例四

按照本发明的方法，在预处理的锅炉水冷壁管屏上采用超音速电弧喷涂方法制备0.15～0.2mm厚的NiAl合金结合底层，其中铝的含量不超过5％，然后采用超音速电弧喷涂在其上制备NiTi与NiCr合金复合涂层，喷涂时温度控制在100℃左右。结合底层NiAl合金中Al含量以及喷涂厚度的严格控制制备的复合涂层，结合强度高达62MPa。

上述实施例可以列举许多，其中温度控制可以根据本发明的技术方案中不同的材料控制在100℃～150℃内，都能达到本发明的效果。

本发明的实施，能够在锅炉水冷壁管基体表面制备高结合的镍基合金涂层，也可用于其它基体零部件表面要求高结合强度的镍基合金涂层。

Claims (1)

1.锅炉水冷壁上镍基合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对锅炉水冷壁管屏表面进行表面预处理，预处理工艺过程为：先选用16～20号石英砂粗喷2遍，去除水冷壁管表面的锈、氧化皮、结焦，并露出灰白色金属光泽，使其表面清洁度达Sa3.0级，然后用14～16号棕刚玉进行表面粗糙化处理，表面粗糙度达Rz80～120μm，水冷壁管表面呈现均质的灰白色金属外观；

(2)在经过预处理的表面喷涂结合底层，结合底层为Al合金或NiAl合金的一种或两种合金的复合，结合底层喷涂厚度0.15～0.2mm，喷涂时与基体表面发生冶金结合，形成微“焊合”点，采用井字型喷涂方式，分层、分块作业，防止喷涂过程中产生局部温度过高，温度控制在100～150℃范围内，所述的井字型喷涂方式采用由上向下或由下向上逐层横向喷涂后，再由左向右或由右向左逐层纵向喷涂，工作层的最末一遍喷涂涂层喷涂方向与锅炉水冷壁下滑物流方向一致，局部区域喷涂达到设计厚度后再移换到其他区域，搭接过渡区域设明显标记确保喷涂层结合力及厚度均匀，防止出现漏喷现象；

(3)采用超音速电弧喷涂方法，将工作涂层喷涂在结合底层上，工作涂层为含有镍基合金的一种或两种复合涂层，温度控制在100～150℃范围内，工作涂层喷涂3层，每层厚度0.1～0.15mm，所述的超音速电弧喷涂方法，是在电源控制台控制下，将两根丝状金属喷涂材料送进电弧喷枪中的两个导电嘴内,两根丝状金属喷涂材料为含有镍基合金金属丝，是NiTi、NiCr、Cr3C2-NiCr合金的其中一种金属丝，或是其中两种金属丝的复合；这两根带有不同种电荷的丝材作为阴阳两极以60°的夹角相接触产生电弧，使丝材端部熔化，通过对电压和电流的调整，丝材的消耗与丝材供给相一致，保证电弧的稳定燃烧，熔化的丝材被两倍音速的压缩空气流雾化成微熔滴,微熔滴被压缩空气流带动以超音速400m/s以上的速度射向预处理之后的基体上形成涂层；

(4)工作层喷涂完毕后立即进行涂层封闭处理，材料选用渗透性较好的耐高温有机硅封孔剂，封闭微观孔隙，与工作层一起形成刚柔并进的复合涂层。