CN105970067A - 一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造专用粉末及制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造专用粉末及制造工艺，本发明的激光专用材料采用镍钴基粉末作为复合涂层粘结相，通过引入硬质相颗粒增强其耐磨性能；以质量百分比计，其成分为：30‑60％镍钴基合金粉末和40‑70％硬质相颗粒，其中镍钴基合金粉末的组成为：Ni 40‑45％，Co 35‑40％，C 0.05～0.3％，Cr 6‑10％，Ti 1～3％，Mo 2～5％，Al 3‑6％，B 0.2～1％，Si 0.2～1％。硬质合金相颗粒为Ni包球形Al2O3和HfC。采用本发明粉末，在高温烧嘴喷嘴口关键部位进行激光组合制造，显著地降低了烧嘴的磨损率，有效地提高了烧嘴的使用寿命及可靠性。

Description

一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造专用粉末及制造工艺
技术领域
本发明涉及一种材料科学与先进激光加工技术领域，尤其涉及一种能够提高高温烧嘴抗冲蚀性能、使用寿命和安全性的制备工艺，具体表现为一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造专用粉末及制造工艺。
背景技术
电力、石化、冶金、建材等行业中，具有很多种类的燃烧器设备，包括焚烧炉燃烧器、热风炉及加热炉燃烧器、干粉煤气化烧嘴和水煤浆烧嘴等。燃烧的介质分为气态、液态、固态或者三种之间的混合态，其中以水煤浆烧嘴工况尤为恶劣。水煤浆烧嘴燃烧物是60-70％的煤粉，30-40％的水(或者工业有机废液)及一定比例的添加剂通过物理的方法制备而成的煤基液体燃料，它粘度大、浓度高、含有的黄矿石、石英等高硬度杂质会对喷嘴照成严重的冲蚀磨损，另外水煤浆烧嘴外表面常常要受到燃烧炉内高达1200℃以上的高温，而内表面则受到常温介质的冷却作用，烧嘴前端部位存在30～40℃/mm温度梯度，使得烧嘴内部产生较大的热应力。此外，工作环境中通入的大量氧气对烧嘴材料产生强烈的氧化作用，进而要求烧嘴材质具有良好抗冲蚀、抗热冲击性能，而工艺烧嘴作为煤化工装置中的关键部件之一，其寿命的延长会给煤化工领域带来极其巨大的经济效益。
中国专利号CN 202440478 U指出，以一台投煤量1150t/d气化炉计算，烧嘴使用延长30天计算，系统一年可以减少停车2～3次，节约费用120～180万元。
目前，制备新型煤电等煤化工领域工艺烧嘴的材料主要为金属、硬质合金和陶瓷3大类，金属材料的韧性和抗热性好，但耐磨性能欠缺。硬质合金和陶瓷的耐磨性较好，但其韧性和抗热性差，在温度梯度大、温度骤变频繁的环境下很容易产生裂纹和崩损。专利号为CN201220264674.9的一篇中国专利在中喷头内通过过盈配合安装一个耐磨衬套，在不影响喷嘴内部尺寸，确保工艺使用和设备检修的前提下提高了工艺喷嘴的使用寿命，由35天提高到60天以上，但镶套的方法难以保证安全稳定运行，使用寿命并未大幅度提高。
专利为ZL200510042269.7的一篇中国专利报道了一种梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的制备工艺，该陶瓷水煤浆喷嘴的成分含有SiC和(W，Ti)C固溶体，通过控制陶瓷水煤浆喷嘴的成分，使(W，Ti)C固溶体的含量沿喷嘴轴向呈梯度变化，从而可缓解陶瓷水煤浆喷嘴在使用过程中的热应力，提高其抗热冲击能力。但该喷嘴后续难加工、任然存在韧性差、脆性大的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造专用粉末及制造工艺，针对现有水煤浆烧嘴或耐高温磨损喷嘴在工作中存在冲蚀磨损、使用寿命短、经济效益不高等问题，设计出一种适合于激光组合制造工艺且能胜任水煤浆烧嘴或耐高温磨损烧嘴的专用粉末及其制造工艺，在水煤浆喷嘴的内喷嘴、中喷嘴、外喷嘴口等易失效部位进行激光组合制造，从而延长其使用寿命。
为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：
一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造的专用合金粉末，其特征在于下：以质量百分比计，专用合金粉末包括：
Al2O3粉末 35-55％
HfC粉末 5-15％
镍钴基合金粉末 30-60％
其中，更优的，所述镍钴基合金粉末的组成为，以质量百分比计：
优选后，Al2O3粉末为镍包球形粉末，Al2O3粉末和HfC粉末的粒度介于-140目～+400目之间。
如上述的一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造专用合金粉末的制备方法，其特征在于包括下步骤：
A、制备镍钴基合金粉末：
按照镍钴基合金粉末的组成，向中频炉中加入各元素与各中间合金，并将中频炉加热至1400-1500℃，经除渣、精炼、均匀化处理后进行气雾化制得镍钴基合金粉末，镍钴基合金粉末干燥后备用；
B、配制专用合金粉末：
(1)按照一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造专用粉末的组成，分别称取Al2O3粉末、HfC粉末和步骤A中气雾化制备的镍钴基合金粉末；
(2)将镍钴基合金粉末、Al2O3粉末、HfC粉末装入V型混料设备进行混合，混合4h，最终混合配制成专用合金粉末，将混合充分的专用合金粉末装入密封的容器储存备用。
如上述的专用合金粉末实现一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造工艺，其特征在于包括如下步骤：在惰性气体的保护下，采用专用合金粉末经激光熔覆在烧嘴喷嘴口关键部位制造耐高温、耐磨损、抗热交变的合金层。
优选后，烧嘴的内喷嘴、中喷嘴、外环喷嘴在激光组合制造前，对烧嘴的关键易磨损失效部位进行机加工、铣槽，再在铣去的部位进行激光组合制造。
优选后，内喷嘴、中喷嘴、外环喷嘴易失效部位机加工去除深度为0.6-2.5mm。
优选后，激光组合参数为：内喷嘴、中喷嘴、外环喷嘴基体材料为06Cr25Ni20、UMCo-50或者GH188。将待熔覆的烧嘴固定在可作旋转运动的熔覆工作台上，通过6轴移动的机械臂控制激光器沿预设轨迹运动，采用同步送粉的方式，对研制的专用合金粉末在烧嘴基体上进行组合制造，进行多次、多层熔覆直至满足厚度要求；其中，激光光斑尺寸12*2.5mm，扫描速度4-6mm/s，功率2300-2500W，送粉量20-40g/min，焦距330-350mm，搭接率为1/3。
本发明还包括由上述激光组合制造工艺配合上述专用合金粉末制备得到的耐高温磨损烧嘴。
由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：
本发明为一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造专用粉末及制造工艺，针对现有水煤浆烧嘴或耐高温磨损喷嘴在工作中存在冲蚀磨损、使用寿命短、经济效益不高等问题，设计出一种适合于激光组合制造工艺且能胜任水煤浆烧嘴或耐高温磨损烧嘴的专用粉末及其制造工艺，在水煤浆喷嘴的内喷嘴、中喷嘴、外喷嘴口等易失效部位进行激光组合制造，从而延长其使用寿命。其具体有益效果表现为以下几点：
1、用激光组合制造的水煤浆喷嘴所得涂层由于极快的加热和冷却速度，晶粒细小，且与基体呈牢固冶金结合，相比粉末冶金或者镶嵌硬质合金环所得喷嘴的使用安全系数大大提高。
2、设计的镍钴基硬质颗粒增磨合金粉末满足耐冲蚀、耐腐蚀、耐高温的复杂工况要求，综合性能优异。
3、结果表明，经该工艺强化的水煤浆烧嘴相比现有技术中的其他材料使用寿命提高2-6倍以上。该方法大幅度地延长了水煤浆烧嘴的使用寿命与可靠性。
4、激光熔覆组合制造水煤浆烧嘴成本低、工艺简单、经济性、安全性好可以广泛的推广应用。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为气雾化制备镍钴基合金粉末中实施例一A号样的微观形貌图(500X)；
图2为实施例三经激光组合制造后B粉末熔覆层的截面显微组织图(100X)；
图3为实施例四激光组合制造的水煤浆烧嘴的示意图。
具体实施方式
一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造的专用合金粉末，其特征在于下：专用合金粉末的组成为，以质量百分比计：
Al2O3粉末 35-55％
HfC粉末 5-15％
镍钴基合金粉末 30-60％
其中，镍钴基合金粉末的组成为，以质量百分比计：
采用上述镍钴基硬质颗粒增强专用合金粉末，在惰性气体的保护下，经激光熔覆在基体的表面制备耐冲蚀、耐腐蚀、耐高温的合金涂层。
所述基体为水煤浆烧嘴的内喷嘴、中喷嘴、外喷嘴口附近易失效部位，对其进行机加工，单边留有0.6-2.5mm厚的熔覆区，此工艺方法可以保证烧嘴原有尺寸和达到强化提高使用寿命的目的。
下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明：
实施例一：
一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造专用合金粉末，其具体制备步骤如下：
(1)根据上述组成成分计算各元素加入的量(计算时考虑各元素的不同烧损率)。
(2)称重后放置在200℃烘箱内进行2h烘干。
(3)将原料放入中频感应炉里熔化后除渣、精炼。
(4)进行气雾化制镍钴基合金粉末。
(5)喷粉完成后，出粉并用酒精除去水分，烘干后过筛，选择-100目～+325目的镍钴基合金粉末。镍钴基合金粉末化学组成(重量百分比)为Ni：44％，Co：37％，C：0.1％，Cr：8％，Ti：1.5％，Mo：4％，Al：4.0％，B：0.7％，Si：0.7％。
(6)称取(重量百分比)5％HfC粉末、35％Ni包球形Al2O3粉末和60％上步骤镍钴基合金粉末为原料，将原料装入V型混料设备进行混合，混料时间为4h，将混和充分合金粉末装入密封的容器储存备用，编号A。
实施例二：
一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造专用粉末，其具体制备步骤如下：
(1)～(4)同实施例一。
(5)喷粉完成后，出粉并用酒精除去水分，烘干后过筛，选择-100目～+325目的镍钴基合金粉末。镍钴基合金粉末化学组成(重量百分比)为Ni：40％，Co：38％，C：0.2％，Cr：9％，Ti：2％，Mo：4％，Al：5％，B：1.0％，Si：0.8％。
(6)称取(重量百分比)12％HfC粉末、50％Ni包球形Al2O3粉末和38％上步骤镍钴基合金粉末为原料，将原料装入V型混料设备进行混合，混料时间为4h，将混和充分合金粉末装入密封的容器储存备用，编号B。
实施例三：
选择06Cr25Ni20(GB/T20878-2007)为基体，06Cr25Ni20是一种奥氏体耐热不锈钢，也是制作烧嘴相对廉价及常用的金属材料。选择上述实施例一、二描述的编号A与编号B的专用合金粉末，在06Cr25Ni20基体上熔覆1mm厚，70*70mm的试样，激光器为直接输出半导体激光器，焦距340mm，光斑尺寸12*2.5mm，经过20余组的工艺参数，择优选取激光组合制造工艺参数值如表1所述。
表1激光组合制造工艺参数
将上述编号A、编号B制得的合金涂层及06Cr25Ni2基体分别切割成小试样进行硬度、干摩擦磨损的性能测试对比。
采用便携式里氏硬度计对合金涂层与06Cr25Ni20表面硬度进行测试，采用高温摩擦磨损试验机对合金涂层与06Cr25Ni20进行30min的干摩擦磨损试验，所得检测数据如下表2所示：
表2激光组合制造材料与06Cr25Ni20磨损量对比
实施例四：
一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造粉末及制造工艺，烧嘴具有耐冲蚀、耐高温和耐腐蚀性能，具体步骤如下：
(1)～(6)同实施例一。
激光组合制造水煤浆烧嘴的具体步骤如下：
(7)对水煤浆烧嘴的内喷嘴、中喷嘴、外喷嘴口附近易失效部位，进行机加工，单边留有2mm厚的熔覆区。
(8)将步骤(6)所得的专用合金粉末盛入送粉器中。
(9)将待激光熔覆的水煤浆喷嘴固定在可作旋转运动的熔覆工作台上，通过6轴移动的机械臂控制激光器沿预设轨迹运动，采用同步送粉的方式，激光器为直接输出半导体激光器，进行多次多层熔覆，熔覆厚度为2.5mm。采用的激光熔覆参数为实施例三种择优的参数，既：激光光斑直径12*2.5mm，扫描速度4mm/s，激光功率2400W，送粉量25g/min，焦距340mm，搭接率1/3。
(10)机加工水煤浆烧嘴至工作尺寸。
某厂的环保汽化炉装机试验其寿命相比于未经过强化的06Cr25Ni20水煤浆烧嘴寿命提高了5倍以上，使用天数达100天以上。激光组合制造的水煤浆烧嘴，由于制造成本低、工艺简单、经济性、安全性好可以广泛的推广应用。
以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造的专用合金粉末，其特征在于下：以质量百分比计，专用合金粉末包括：
Al2O3粉末 35-55％
HfC粉末 5-15％
镍钴基合金粉末 30-60％。
2.根据权利要求1所述的耐高温磨损烧嘴激光组合制造专用合金粉末，其特征在于，所述的镍钴基合金粉末的组成为，以质量百分比计：
3.根据权利要求1所述一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造的专用合金粉末，其特征在于：所述Al2O3粉末为镍包球形粉末，所述Al2O3粉末和所述HfC粉末的粒度介于-140目～+400目之间。
4.如权利要求1或3所述的一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造专用合金粉末的制备方法，其特征在于包括下步骤：
A、制备所述镍钴基合金粉末：
按照所述镍钴基合金粉末的组成，向中频炉中加入各元素与各中间合金，并将中频炉加热至1400-1500℃，经除渣、精炼、均匀化处理后进行气雾化制得所述镍钴基合金粉末，所述镍钴基合金粉末干燥后备用；
B、配制所述专用合金粉末：
(1)按照一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造专用粉末的组成，分别称取所述Al2O3粉末、所述HfC粉末和步骤A中气雾化制备的所述镍钴基合金粉末；
(2)将所述镍钴基合金粉末、所述Al2O3粉末、所述HfC粉末装入V型混料设备进行混合，混合4h，最终混合配制成所述专用合金粉末，将混合充分的所述专用合金粉末装入密封的容器储存备用。
5.如权利要求1或3所述的专用合金粉末实现一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造工艺，其特征在于包括如下步骤：在惰性气体的保护下，采用所述专用合金粉末经激光熔覆在烧嘴喷嘴口关键部位制造耐高温、耐磨损、抗热交变的合金层。
6.根据权利要求5所述专用合金粉末实现一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造工艺，其特征在于：所述烧嘴的内喷嘴、中喷嘴、外环喷嘴在激光组合制造前，对所述烧嘴的关键易磨损失效部位进行机加工、铣槽，再在铣去的部位进行激光组合制造。
7.根据权利要求6所述专用合金粉末实现一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造工艺，其特征在于：所述内喷嘴、所述中喷嘴、所述外环喷嘴易失效部位机加工去除深度为0.6-2.5mm。
8.根据权利要求6所述专用合金粉末实现一种耐高温磨损烧嘴激光组合制造工艺，其特征在于：激光组合参数为：所述内喷嘴、所述中喷嘴、所述外环喷嘴基体材料为06Cr25Ni20、UMCo-50或者GH188。将待熔覆的所述烧嘴固定在可作旋转运动的熔覆工作台上，通过6轴移动的机械臂控制激光器沿预设轨迹运动，采用同步送粉的方式，对研制的所述专用合金粉末在所述烧嘴基体上进行组合制造，进行多次、多层熔覆直至满足厚度要求；其中，激光光斑尺寸12*2.5mm，扫描速度4-6mm/s，功率2300-2500W，送粉量20-40g/min，焦距330-350mm，搭接率为1/3。
9.根据权利要求5-8任一项所述激光组合制造工艺制备得到的耐高温磨损烧嘴。
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