CN105671471A

CN105671471A - 一种用于制备镍基高铝涂层的粉芯丝材及其涂层制备方法

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Publication number: CN105671471A
Application number: CN201610052325.3A
Authority: CN
Inventors: 贺定勇; 姬荣颖; 周正; 姚海华; 吴旭; 王一鸣; 王国红
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2016-01-26
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2036-01-26
Also published as: CN105671471B

Abstract

一种用于制备镍基高铝涂层的粉芯丝材及其涂层制备方法，属于材料加工工程中的热喷涂领域。所述的粉芯丝材成分质量百分含量范围如下：Cr:13～25％，Al:4～10％，B:3～6％，Si:3～6％，Ni及不可避免的杂质为余量。粉芯丝材外皮所用带材为Ni80-Cr20带材。用电弧喷涂制备具有较好耐高温腐蚀性能的镍基高铝涂层时，喷涂工艺为：电流：160～200A,电压：28～34V，压缩空气压力：0.4～0.6MPa，喷涂距离：190～210mm。本发明可获得硬度高，耐高温腐蚀性能较好的镍基高铝涂层。

Description

一种用于制备镍基高铝涂层的粉芯丝材及其涂层制备方法

技术领域

本发明属于材料加工工程中的热喷涂领域，涉及一种粉芯丝材、涂层的制备方法，特别涉及一种用于电弧喷涂制备耐高温腐蚀镍基高铝涂层的粉芯丝材及其涂层的制备方法，该发明可用于垃圾焚烧炉内锅炉四管的高温腐蚀防护领域。

背景技术

废弃物资源化(Waste-to-Energy，WTE)垃圾焚烧技术是现今处理固体废弃垃圾的主要发展趋势，然而无论是城市垃圾焚烧炉还是生物质垃圾焚烧炉和医疗废弃物焚烧炉中，过热器及水冷壁等易腐蚀部件的高温腐蚀问题都是对焚烧炉的运作寿命的极大限制，其形式主要是：熔盐腐蚀和活性氧化。在温度达到450℃以上时，金属氯化物和HCl的氧化会产生高活性的Cl₂，极易扩散渗入表层的氧化膜，并与氧化膜/金属基体界面处的Fe或者其它金属元素反应生成金属氯化物，在高温作用下挥发扩散至管壁表面，再次氧化将Cl₂释放出来从而构成循环腐蚀、减薄过程。同时，部分沉积的金属氯化物与燃烧气氛中的SO₂或SO₃等反应，易形成低熔点共晶盐，在高温下会熔化分解具有保护性的氧化膜，造成熔盐腐蚀，造成管壁减薄，承压能力严重下降。活性氧化主要是由于飞灰颗粒中的金属氯化物在管壁上沉积、以及焚烧过程所产生的高浓度HCl所导致，而燃烧气氛中的氯则来源于城市垃圾或生物质垃圾或医疗废弃物中富含的有机物质和PVC材料。

等离子喷涂、超音速火焰喷涂等喷涂工艺设备复杂，成本高，不适宜原位大面积现场施工，且喷涂原材料粉体制备复杂。采用堆焊方法在过热器及水冷壁表面堆焊Inconel625合金的放在在实际工作温度达到400-420℃时已不能对基体起到有效防护。而电弧喷涂因具有设备简单，操作方便，喷涂材料制备方便、经济，可以实现原位大面积喷涂等优点，已成为在实际应用领域制备耐热腐蚀涂层的主要制备方法。

在电弧喷涂丝材的开发上，现有技术如【邱质彬.NiCrTi涂层抗高温腐蚀性能与应用研究[J].发电技术，2014，35(155)：41-44】采用添加Ti元素获得NiCrTi涂层，通过配比的优化使涂层的抗腐蚀性能得到很大提升，提高了涂层服役寿命。但由于Ti元素价格昂贵，加之其Cr含量高达40％，使该丝材因其高昂的制造成本而不能非常广泛地应用。

因此开发一种价格低廉的具有良好的高温耐蚀性和良好喷涂工艺性能的喷涂药芯丝材十分有意义。

发明内容

本发明旨在提供一种具有较好耐高温腐蚀性能的镍基高铝涂层材料及其涂层的制备方法。

一种能够用于电弧喷涂制备耐高温腐蚀性能的镍基高铝涂层的粉芯丝材，所述的粉芯成分质量百分含量范围如下：Cr:13～25％，Al:4～10％，B:3～6％，Si:3～6％，Ni及不可避免的杂质：余量；粉芯丝材外皮所用带材为镍铬合金带；粉芯丝材填充率：26％～28％。

所述粉芯丝材外皮所用带材为Ni80-Cr20带材。

优选所述粉芯丝材药芯成分质量百分含量范围如下：Cr:15～25％，Al:4～9％，B:3～5％，Si:3～5％，Ni及不可避免的杂质：余量。

进一步优选Cr:15％，Al:9％，B:3～5％，Si:3～5％，Ni及不可避免的杂质：余量。

采用本发明上述粉芯丝材制备一种具有较好耐高温腐蚀性能的镍基高铝涂层，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，按照所述的粉芯丝材成分配制药芯粉末，轧制，最终获得粉芯丝材(优选直径为2.0mm)；

步骤2，对金属基体表面进行预处理去除表面氧化膜以及污垢，然后对基材进行喷砂处理；

步骤3，采用电弧喷涂工艺制备镍基高铝涂层，喷涂工艺参数为：电流：160～200A，电压：28～34V，压缩空气压力：0.4～0.6MPa，喷涂距离：190mm～210mm。

采用上述方法制备的一种具有较好耐高温腐蚀性能的镍基高铝涂层，此涂层可作为垃圾焚烧炉、生物质垃圾焚烧炉和医疗废弃物焚烧炉易腐蚀件的防护涂层。

一种采用电弧喷涂方法制备的具有较好耐高温腐蚀性能的镍基高铝涂层所具有的性能主要是其自身组分所决定的。其作用为：

Ni、Cr元素：Ni元素是基础元素，其氧化物生成速度比Cr元素快，因此在形成Cr₂O₃氧化膜前，可生成大量的NiO和NiCr₂O₄，降低了氧化膜与合金界面的氧分压，促进涂层中的Cr形成具有良好耐蚀性的连续致密的Cr₂O₃氧化膜，伴随Ni元素所形成的NiO及尖晶石型化合物NiCr₂O₄，对涂层起到保护作用。

Al元素：流动性好，可以在喷涂过程中液态的状态下冲破镍的包覆，在涂层表面快速氧化形成一定区域的层状Al₂O₃，它的氧化膜与Cr元素形成的氧化膜相互补充，形成混合氧化膜覆盖在涂层表面，同时减少了涂层中自由铬的消耗，使得涂层中可以保留有大量的铬元素；

同时，在腐蚀过程中，Al元素能够快速在涂层表面形成Al₂O₃氧化膜，与铬形成的氧化膜起到互相协助，有效降低腐蚀介质向膜内的扩散，提高涂层抗氧化腐蚀性能，对提高涂层的耐高温腐蚀性能有至关重要的作用，不可或缺；

另外，Al是一种廉价的金属元素，本发明中Al的加入替代了Ni，可以大幅度降低昂贵的金属Ni的含量，进一步显著降低丝材和相应涂层的成本。

B、Si元素：降低晶界化学能，增强晶粒间结合力、细化晶粒增加硬度与耐磨性；在喷涂过程中有效降低氧化。

涂层中的各个元素都是常规的元素，而涂层的耐高温腐蚀性能是通过各个元素的协同作用得到的，并不是任意单一元素决定的，但也是缺一不可的，当然也不是仅仅通过有限次试验就可以得到的。

一种用于制备耐高温腐蚀镍基高铝涂层的粉芯丝材及其涂层制备方法。该粉芯丝材经电弧喷涂技术在材料表面制备涂层后，涂层具有较好的耐高温腐蚀性能、耐高温氧化性能、较低的成本和较高的硬度。

本发明与常规耐高温腐蚀涂层相比，该涂层具有以下特点：

1、涂层具有良好的耐高温腐蚀性能：单位面积涂层增重量远远低于商用NiCrTi涂层的高温腐蚀增重量。

2、优异的抗高温氧化性能：单位面积涂层增重较低，表面氧化膜厚度小，内部氧化物少，明显优于商用NiCrTi涂层。

3、成本优势明显：本发明中的镍基高铝粉芯丝材成本较低，相本发明中的合金粉末中未添加Ti等昂贵金属，同时Al元素也替代了一定含量的贵金属Ni元素。

4、本发明采用的电弧喷涂工艺操作简单，喷涂材料制备方便、经济，可实现原位大面积喷涂等优点，相比于其它喷涂方法成本最低。

5、涂层具有较高的硬度，可达到890.9HV_0.1。

6、本发明制备的镍基高铝涂层具有较好的微结构特征，硬度高，同时具有优良的耐高温腐蚀、抗高温氧化的性能。

本发明对于垃圾焚烧炉内锅炉四管的高温腐蚀防护是一种较为合宜的解决方案。

附图说明：

图1实施例与对比例的高温腐蚀试验增重量对比图；

图2实施例与对比例的高温氧化试验增重量对比图；

图3实施例3涂层喷涂态截面形貌。

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Ni80-Cr20合金带，粉芯丝材药芯成分在实施例中具体说明，通过已有粉芯丝材轧制技术，将粉芯丝材经逐道拉拔减径至2.0mm；

2、喷涂合金集体为Q235钢板(57×25×5mm)，喷出涂层后磨掉基体，得到纯涂层组织。

实施例1

粉芯丝材药芯成分质量百分比为：Cr:25％，Al:4％，B:3％，Si:5％,Ni:余量。轧制粉芯丝材，填充率：26％。制备涂层所用喷涂参数：电压28-30V，电流160-180A，喷涂距离200mm，压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例2

粉芯丝材药芯成分质量百分比为：Cr:20％，Al:7％，B:5％，Si:3％，Ni:余量。轧制粉芯丝材，填充率：26％。制备涂层所用喷涂参数：电压30-32V，电流160-180A，喷涂距离210mm，压缩空气压力0.5-0.6MPa。

实施例3

粉芯丝材成分质量百分比为：Cr:15％，Al:9％，B:4％，Si:4％,Ni:余量。轧制粉芯丝材，填充率：26％。制备涂层所用喷涂参数：电压28-30V，电流180-200A，喷涂距离200mm，压缩空气压力0.5-0.6MPa。

对比例1

粉芯丝材成分质量百分比为：Cr:15％，Al:0％，B:3％，Si:3％，Ni:余量。轧制粉芯丝材，填充率：26％。制备涂层所用喷涂参数：电压28-30V，电流180-200A，喷涂距离200mm，压缩空气压力0.5-0.6MPa。

对比例2

粉芯丝材成分质量百分比为：Cr:30％，Al:2％，B:4％，Si:1％，Ni:余量。轧制粉芯丝材，填充率：26％。制备涂层所用喷涂参数：电压28-30V，电流180-200A，喷涂距离200mm，压缩空气压力0.5-0.6MPa。

对比例3

粉芯丝材为商业电弧喷涂用NiCrTi粉芯丝材,其药芯成分原子百分比为：Cr:40％，Ti:5％，Ni:余量。轧制粉芯丝材，填充率：26％。制备涂层所用喷涂参数：电压28-30V，电流160～180A，喷涂距离200mm，压缩空气压力0.5～0.6MPa。

各实施例和对比所制备涂层性能检测如下所述：

1、实施例及对比例所制备涂层进行显微硬度测试中，使用HXD-1000数字式显微硬度计，在和100g，持续时间10s，取10点显微硬度平均值；

2、对实施例及对比例所制备涂层在800℃进行高温腐蚀试验和氧化实验，采用型号为SX₂-8-16的箱式电阻炉加热；试样尺寸为直径11mm，厚度0.8mm；采用Na₂SO₄+10wt.％NaCl盐溶液做腐蚀液；采用精度为0.01mg的ME235型电子天平进行称量增重。

3、对实施例所制备涂层进行孔隙率分析，采用ImageProPlus6.0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。分别对每个实施例及对比例所制涂层的五张截面金相照片进行计算，并取其平均值。

通过综合考虑实施例及对比例涂层的孔隙率、显微硬度性能，实施例与对比例涂层的孔隙率、显微硬度变化规律见下表1，对粉芯丝材药芯成分进行逐步优化，最终获得具有较好耐高温腐蚀性能的镍基高铝涂层。所有实施例及对比例涂层的高温腐蚀增重曲线见图1，所有实施例及对比例涂层的高温氧化增重曲线见图2，实施例3涂层的截面扫描电镜照片见图3。

表1实施例及对比例的孔隙率及显微硬度

Claims

1.一种用于制备耐高温腐蚀性能的镍基高铝涂层的粉芯丝材，其特征在于，所述的粉芯成分质量百分含量范围如下：Cr:13～25％，Al:4～10％，B:3～6％，Si:3～6％，Ni及不可避免的杂质：余量；粉芯丝材外皮所用带材为镍铬合金带；粉芯丝材填充率：26％～28％。

2.按照权利要求1所述的一种用于制备耐高温腐蚀性能的镍基高铝涂层的粉芯丝材，其特征在于：所述粉芯丝材外皮所用带材为Ni80-Cr20合金带材。

3.按照权利要求1所述的一种用于制备耐高温腐蚀性能的镍基高铝涂层的粉芯丝材，其特征在于：所添加的合金粉末中元素质量百分含量范围如下：Cr:15～25％,Al:4～9％，B:3～5％，Si:3～5％，Ni及不可避免的杂质：余量。

4.按照权利要求1所述的一种用于制备耐高温腐蚀性能的镍基高铝涂层的粉芯丝材，其特征在于：所添加的合金粉末中元素质量百分含量范围如下：Cr:15％，Al:9％，B:3～5％，Si:3～5％，Ni及不可避免的杂质：余量。

5.利用权利要求1～4任一项所述的粉芯丝材制备具有较好耐高温腐蚀性能的镍基高铝涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，按照所述的粉芯丝材成分配制药芯粉末，轧制，最终获得粉芯丝材；

6.按照权利要求5的方法，其特征在于，步骤3所述的喷涂工艺参数设定为：电流：180～200A，电压：30～32V；压缩空气压力：0.5～0.6MPa，喷涂距离：200～210mm。

7.按照权利要求5或6的方法制备得到的具有较好耐高温腐蚀性能的镍基高铝涂层。

8.按照权利要求5或6的方法制备得到的具有较好耐高温腐蚀性能的镍基高铝涂层作为垃圾焚烧炉、生物质垃圾焚烧炉和医疗废弃物焚烧炉的防护涂层的应用。