CN106906437B - 一种烟气轮机叶片用高耐蚀耐磨防垢涂层及其制备工艺 - Google Patents

一种烟气轮机叶片用高耐蚀耐磨防垢涂层及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种烟气轮机叶片用高耐蚀耐磨防垢涂层及其制备工艺，所述涂层，由碳化铬系金属陶瓷涂层和外层的氧化铝氧化钛陶瓷涂层组成，所述制备工艺，首先，对叶片进行清洗，遮蔽保护，再进行喷砂粗化，然后采用超音速火焰喷涂工艺在叶片表面制备碳化铬系金属陶瓷涂层，厚度0.1~0.3mm，燃料为丙烷和空气，喷涂过程中叶片表面温度应小于200℃，采用多道次喷涂来防止涂层过热；最后，采用高速等离子喷涂工艺在碳化铬系金属陶瓷涂层表面制备氧化铝氧化钛陶瓷涂层，厚度0.1~0.2mm。本发明通过涂层成分复合优化设计，方法简单，所制备的高耐蚀耐磨防垢涂层可解决烟气轮机叶片表面的腐蚀、冲蚀、结垢等现象，提高叶片的使用寿命。

Description

一种烟气轮机叶片用高耐蚀耐磨防垢涂层及其制备工艺
技术领域
本发明涉及一种涂层，具体的说是一种烟气轮机叶片用高耐蚀耐磨防垢涂层及其制备工艺。
背景技术
石油催化裂化系统中烟气轮机叶片采用GH864高温合金锻造成型，转子运转速度可达6300r/min，工作温度高达750℃。在烟气轮机内SOx、NOx、CO、CO2、H2O等烟气的腐蚀、催化剂颗粒冲蚀及催化剂在叶片表面结垢的作用下，叶片表面容易产生腐蚀、磨损、结垢现象，导致叶片强度下降，寿命显著降低，严重情况下甚至影响烟气轮机设备的正常运转，造成大量经济损失。因此，叶片需具备耐高温、耐冲蚀、耐烟气腐蚀、防结垢等综合性能，目前的高温合金材料均难以同时满足上述要求。在烟气轮机叶片表面制备一层厚度可控的高耐蚀耐磨防垢复合涂层，是提高烟机叶片使用性能的有效途径。
现有解决汽轮机叶片腐蚀磨损结垢的主要技术是通过激光熔覆或气相沉积技术在叶片表面制备防护涂层，同时通过添加阻垢剂来减缓叶片表面的结垢倾向。如申请号为201310748297.5的发明专利《一种汽轮机叶片激光熔覆防水蚀方法》中，采用CO2激光器在汽轮机末级叶片表面熔覆沉积了一层司立太合金粉末，提高了叶片耐水蚀性能。申请号为201110274738.3的发明专利《一种汽轮机叶片材料表面多层抗点蚀涂层的制备方法》中，采用多弧离子镀技术在耐热钢表面制备了由纯Ti过渡层、TiN中间层、TiAlN表层组成的复合涂层，涂层厚度约为2-3μm，显微硬度约为2500HV0.1，提高了叶片耐点蚀性能；申请号为201210437619.X的发明专利《一种水泵叶轮表面超音速火焰喷涂纳米超硬复合涂层的制备方法》中，采用超音速火焰喷涂技术在水泵叶轮表面制备了WC-8Co金属陶瓷涂层，涂层厚度约为0.6mm，硬度约为60-65HRC,能提高水泵叶轮的抗磨损性能。目前尚未有在烟气轮机叶片材料表面喷涂复合涂层的发明专利来解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种烟气轮机叶片用高耐蚀耐磨防垢涂层及其制备工艺，通过涂层成分复合优化设计，方法简单，所制备的高耐蚀耐磨防垢涂层可解决烟气轮机叶片表面的腐蚀、冲蚀、结垢等现象，提高叶片的使用寿命。
一种烟气轮机叶片用高耐蚀耐磨防垢涂层，由内层0.1~0.3mm厚的碳化铬系金属陶瓷涂层和外层的0.1~0.2mm厚的氧化铝氧化钛陶瓷涂层组成，所述碳化铬系金属陶瓷涂层的化学成分及质量百分比含量为：NiCr合金25~50%，Cr3C2陶瓷50~75%；氧化铝氧化钛陶瓷涂层的化学成分及质量百分比含量为：Al2O3 60~93%，TiO2 7~40%。
所述烟气轮机叶片用高耐蚀耐磨防垢涂层的制备工艺，包括以下步骤：
（1）表面清洗：先用丙酮，再用无水乙醇对叶片表面进行清洗，去除油污，确保烟气轮机叶片表面洁净；
（2）遮蔽保护：对烟气轮机叶片不需要喷涂的部位进行遮蔽保护，防止喷砂和喷涂时受到污染；
（3）喷砂粗化：将烟气轮机叶片用喷砂工装固定后，采用质量比为1:1-3:1的16目和24目的混合棕刚玉砂粒对表面进行喷砂粗化；要求喷砂用压缩空气干燥、无油，气压约0.6~0.8MPa，喷射角为90±10°，喷砂距离为0.1~0.2m，喷砂至烟气轮机叶片表面露出亚光色新鲜金属表面为止；
（4）涂层制备：
首先将烟气轮机叶片在喷涂工装上进行固定，采用超音速火焰喷涂工艺在叶片表面制备碳化铬系金属陶瓷涂层，厚度0.1~0.3mm，燃料为丙烷和空气，喷涂前叶片表面需预热，预热后叶片表面温度应大于60℃，喷涂过程中叶片表面温度应小于200℃，采用多道次喷涂来防止涂层过热；喷涂过程中要求空气压力0.6~0.8Mpa， 丙烷压力0.5~0.7Mpa，送粉速度20-40g/min，喷涂距离150-250 mm，喷涂角度60~90°，喷涂速度250~500 mm/s，喷涂步距2-5 mm；
然后采用高速等离子喷涂工艺在碳化铬系金属陶瓷涂层表面制备一层低表面能的氧化铝氧化钛陶瓷涂层，厚度0.1~0.2mm，喷涂气体为氩气和氢气，喷涂前叶片表面需预热，预热后叶片表面温度应大于60℃，喷涂过程中叶片表面温度应小于200℃，采用多道次喷涂来防止涂层过热；等离子喷涂要求：喷涂电流650~850A，喷涂电压40~55V，主气压力0.5~0.8Mpa，主气流量50~80L/min，辅气压力0.4~0.6Mpa，辅气流量0.4~0.6L/min。
所述步骤（1）中采用人工清洗或超声波清洗，去除油污，确保叶片表面洁净。
步骤（2）中采用叶片喷涂工装或特种喷涂遮蔽胶带，对烟气轮机叶片不需要喷涂的部位进行遮蔽保护。
有益效果是：
1、本发明烟气轮机叶片用高耐蚀耐磨防垢涂层可提高催化裂化装置中烟气轮机叶片的耐蚀、耐磨、防垢特性，延长烟气轮机叶片的使用寿命；该制备工艺在烟气轮机叶片表面制备均匀致密的高硬度、高耐磨性、高耐蚀性的复合涂层，涂层厚度为0.2~0.5mm，涂层与叶片的结合强度为50~70MPa，涂层的显微硬度为800~1100HV0.1。本发明获得的高耐蚀耐磨防垢复合涂层主要用于烟气轮机叶片、叶轮盘等特殊部件，可以有效地提高叶片硬度、耐磨性、耐蚀性和防垢性，延长叶片使用寿命，提高催化裂化装置长周期运行的稳定性，具有重要的工程应用价值。与现行叶片相比，具有硬度高、耐蚀性好、耐磨性好、防结垢性能好特点，能解决现行叶片高温下易腐蚀与磨损的问题，解决烟气轮机叶片表面的腐蚀、冲蚀、结垢等现象，从而提高叶片的使用寿命，降低催化裂化装置停工检修频率。
具体实施方式
一种烟气轮机叶片用高耐蚀耐磨防垢涂层，由内层0.1~0.3mm厚的铬系金属陶瓷涂层和外层的0.1~0.2mm厚的氧化铝氧化钛陶瓷涂层组成，所述铬系金属陶瓷涂层的化学成分及质量百分比含量为：NiCr合金25~50%，Cr3C2陶瓷50~75%；氧化铝氧化钛陶瓷涂层的化学成分及质量百分比含量为：Al2O3 60~93%，TiO2 7~40%。
所述烟气轮机叶片用高耐蚀耐磨防垢涂层的制备工艺，包括以下步骤：
（1）表面清洗：先用丙酮，再用无水乙醇对叶片表面进行清洗，去除油污，确保烟气轮机叶片表面洁净；
（2）遮蔽保护：对烟气轮机叶片不需要喷涂的部位进行遮蔽保护，防止喷砂和喷涂时受到污染；
（3）喷砂粗化：将烟气轮机叶片用喷砂工装固定后，采用质量比为1:1-3:1的16目和24目的混合棕刚玉砂粒对表面进行喷砂粗化；要求喷砂用压缩空气干燥、无油，气压约0.6~0.8MPa，喷射角为90±10°，喷砂距离为0.1~0.2m，喷砂至烟气轮机叶片表面露出亚光色新鲜金属表面为止；
（4）涂层制备：
首先将烟气轮机叶片在喷涂工装上进行固定，采用超音速火焰喷涂工艺在叶片表面制备碳化铬系金属陶瓷涂层，厚度0.1~0.3mm，燃料为丙烷和空气，喷涂前叶片表面需预热，预热后叶片表面温度应大于60℃，喷涂过程中叶片表面温度应小于200℃，采用多道次喷涂来防止涂层过热；喷涂过程中要求空气压力0.6~0.8Mpa，丙烷压力0.5~0.7Mpa，送粉速度20-40g/min，喷涂距离150-250 mm，喷涂角度60~90°，喷涂速度250~500 mm/s，喷涂步距2-5 mm；
然后采用高速等离子喷涂工艺在碳化铬系金属陶瓷涂层表面制备一层低表面能的氧化铝氧化钛陶瓷涂层，厚度0.1~0.2mm，喷涂气体为氩气和氢气，喷涂前叶片表面需预热，预热后叶片表面温度应大于60℃，喷涂过程中叶片表面温度应小于200℃，采用多道次喷涂来防止涂层过热；等离子喷涂要求：喷涂电流650~850A，喷涂电压40~55V，主气压力0.5~0.8MPa，主气流量50~80L/min，辅气压力0.4~0.6MPa，辅气流量0.4~0.6L/min。
所述步骤（1）中采用人工清洗或超声波清洗，去除油污，确保叶片表面洁净。
步骤（2）中采用叶片喷涂工装或特种喷涂遮蔽胶带，对烟气轮机叶片不需要喷涂的部位进行遮蔽保护。
实施例1：
叶片经工装夹持后，首先将叶片用喷砂工装进行固定，采用比例为3:1的16目和24目混合棕刚玉进行喷砂，压力0.7MPa，喷射角90°，喷砂距离0.15m；金属陶瓷涂层所用材料成分为NiCr 25%、Cr3C275%的混合粉末，制备工艺为空气压力0.8MPa，丙烷压力0.7MPa，送粉速度20g/min，喷涂距离为200mm，喷涂角度90°，喷涂速度500mm/s，步距3mm，基体温度小于150℃；然后喷涂陶瓷涂层所用材料成分为Al2O387%，TiO213%,制备工艺为喷涂电压50V，电流700A，主气压力0.6MPa，主气流量60L/min，辅气压力0.5MPa，辅气流量6L/min，载气流量5L/min，送粉速度40g/min，喷涂距离为100mm，喷涂角度90°，喷涂速度250mm/s，步距3mm，基体温度小于150℃。制备的复合涂层结合强度65MPa，显微硬度大于900HV0.1。
实施例2：
叶片经工装夹持后，首先将叶片用喷砂工装进行固定，采用比例为3:1的16目和24目混合棕刚玉进行喷砂，压力0.7MPa，喷射角90°，喷砂距离0.15m；金属陶瓷涂层所用材料成分为NiCr40%、Cr3C260%的混合粉末，制备工艺为空气压力0.7MPa，丙烷压力0.55MPa，送粉速度20g/min，喷涂距离为200mm，喷涂角度90°，喷涂速度500mm/s，步距3mm，基体温度小于150℃；然后喷涂陶瓷涂层所用材料成分为Al2O392%，TiO28%,制备工艺为喷涂电压55V，电流650A，主气压力0.6MPa，主气流量60L/min，辅气压力0.5MPa，辅气流量6L/min，载气流量5L/min，送粉速度40g/min，喷涂距离为100mm，喷涂角度90°，喷涂速度250mm/s，步距3mm，基体温度小于150℃。制备的复合涂层结合强度62MPa，显微硬度大于900HV0.1。
实施例3
一种烟气轮机叶片用高耐蚀耐磨防垢涂层，由内层0.1mm厚的碳化铬系金属陶瓷涂层和外层的0.1mm厚的氧化铝氧化钛陶瓷涂层组成，所述碳化铬系金属陶瓷涂层的化学成分及质量百分比含量为：NiCr合金25%，Cr3C2陶瓷75%；氧化铝氧化钛陶瓷涂层的化学成分及质量百分比含量为：Al2O3 60%，TiO2 40%。
所述烟气轮机叶片用高耐蚀耐磨防垢涂层的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）表面清洗：先用丙酮，再用无水乙醇对叶片表面采用人工清洗，去除油污，确保烟气轮机叶片表面洁净；
（2）遮蔽保护：采用叶片喷涂工装对烟气轮机叶片不需要喷涂的部位进行遮蔽保护，防止喷砂和喷涂时受到污染；
（3）喷砂粗化：将烟气轮机叶片用喷砂工装固定后，采用质量比为1:1的16目和24目的混合棕刚玉砂粒对表面进行喷砂粗化；要求喷砂用压缩空气干燥、无油，气压约0.6MPa，喷射角为80°，喷砂距离为0.1m，喷砂至烟气轮机叶片表面露出亚光色新鲜金属表面为止；
（4）涂层制备：
首先将烟气轮机叶片在喷涂工装上进行固定，采用超音速火焰喷涂工艺在叶片表面制备碳化铬系金属陶瓷涂层，厚度0.1mm，燃料为丙烷和空气，喷涂前叶片表面需预热，预热后叶片表面温度应大于60℃，喷涂过程中叶片表面温度应小于200℃，采用多道次喷涂来防止涂层过热；喷涂过程中要求空气压力0.6MPa， 丙烷压力0.5MPa， 送粉速度20g/min，喷涂距离150mm，喷涂角度60°，喷涂速度250 mm/s，喷涂步距2mm；
然后采用高速等离子喷涂工艺在碳化铬系金属陶瓷涂层表面制备一层低表面能的氧化铝氧化钛陶瓷涂层，厚度0.1mm，喷涂气体为氩气和氢气，喷涂前叶片表面需预热，预热后叶片表面温度应大于60℃，喷涂过程中叶片表面温度应小于200℃，采用多道次喷涂来防止涂层过热；等离子喷涂要求：喷涂电流650A，喷涂电压40V，主气压力0.5MPa， 主气流量50L/min，辅气压力0.4MPa，辅气流量0.4L/min。
实施例4
一种烟气轮机叶片用高耐蚀耐磨防垢涂层，由内层0.1~0.3mm厚的碳化铬系金属陶瓷涂层和外层的0.1~0.2mm厚的氧化铝氧化钛陶瓷涂层组成，所述碳化铬系金属陶瓷涂层的化学成分及质量百分比含量为：NiCr合金50%，Cr3C2陶瓷50%；氧化铝氧化钛陶瓷涂层的化学成分及质量百分比含量为：Al2O3 93%，TiO2 7%。
所述烟气轮机叶片用高耐蚀耐磨防垢涂层的制备工艺，包括以下步骤：
（1）表面清洗：先用丙酮，再用无水乙醇对叶片表面进行超声波清洗，去除油污，确保烟气轮机叶片表面洁净；
（2）遮蔽保护：采用特种喷涂遮蔽胶带对烟气轮机叶片对不需要喷涂的部位进行遮蔽保护，防止喷砂和喷涂时受到污染；
（3）喷砂粗化：将烟气轮机叶片用喷砂工装固定后，采用质量比为3:1的16目和24目的混合棕刚玉砂粒对表面进行喷砂粗化；要求喷砂用压缩空气干燥、无油，气压约0.8MPa，喷射角为100°，喷砂距离为0.2m，喷砂至烟气轮机叶片表面露出亚光色新鲜金属表面为止；
（4）涂层制备：
首先将烟气轮机叶片在喷涂工装上进行固定，采用超音速火焰喷涂工艺在叶片表面制备碳化铬系金属陶瓷涂层，厚度0.3mm，燃料为丙烷和空气，喷涂前叶片表面需预热，预热后叶片表面温度应大于60℃，喷涂过程中叶片表面温度应小于200℃，采用多道次喷涂来防止涂层过热；喷涂过程中要求空气压力0.8MPa， 丙烷压力0.7MPa， 送粉速度40g/min，喷涂距离250 mm，喷涂角度90°，喷涂速度500 mm/s，喷涂步距5 mm；
然后采用高速等离子喷涂工艺在铬系金属陶瓷涂层表面制备一层低表面能的氧化铝氧化钛陶瓷涂层，厚度0.2mm，喷涂气体为氩气和氢气，喷涂前叶片表面需预热，预热后叶片表面温度应大于60℃，喷涂过程中叶片表面温度应小于200℃，采用多道次喷涂来防止涂层过热；等离子喷涂要求：喷涂电流850A，喷涂电压55V，主气压力0.8MPa，主气流量80L/min，辅气压力0.6MPa，辅气流量0.6L/min。
实施例5
一种烟气轮机叶片用高耐蚀耐磨防垢涂层，由内层0.2mm厚的碳化铬系金属陶瓷涂层和外层的0.15mm厚的氧化铝氧化钛陶瓷涂层组成，所述碳化铬系金属陶瓷涂层的化学成分及质量百分比含量为：NiCr合金40%，Cr3C2陶瓷55%；氧化铝氧化钛陶瓷涂层的化学成分及质量百分比含量为：Al2O375%，TiO2 35%。
所述烟气轮机叶片用高耐蚀耐磨防垢涂层的制备工艺，包括以下步骤：
（1）表面清洗：先用丙酮，再用无水乙醇对叶片表面进行清洗，去除油污，确保烟气轮机叶片表面洁净；
（2）遮蔽保护：对烟气轮机叶片不需要喷涂的部位进行遮蔽保护，防止喷砂和喷涂时受到污染；
（3）喷砂粗化：将烟气轮机叶片用喷砂工装固定后，采用质量比为1:1-3:1的16目和24目的混合棕刚玉砂粒对表面进行喷砂粗化；要求喷砂用压缩空气干燥、无油，气压约0.7MPa，喷射角为95°，喷砂距离为0.15m，喷砂至烟气轮机叶片表面露出亚光色新鲜金属表面为止；
（4）涂层制备：
首先将烟气轮机叶片在喷涂工装上进行固定，采用超音速火焰喷涂工艺在叶片表面制备碳化铬系金属陶瓷涂层，厚度0.2mm，燃料为丙烷和空气，喷涂前叶片表面需预热，预热后叶片表面温度应大于60℃，喷涂过程中叶片表面温度应小于200℃，采用多道次喷涂来防止涂层过热；喷涂过程中要求空气压力0.7MPa， 丙烷压力0.6MPa， 送粉速度30g/min，喷涂距离200mm，喷涂角度80°，喷涂速度300mm/s，喷涂步距3mm；
然后采用高速等离子喷涂工艺在碳化铬系金属陶瓷涂层表面制备一层低表面能的氧化铝氧化钛陶瓷涂层，厚度0.15mm，喷涂气体为氩气和氢气，喷涂前叶片表面需预热，预热后叶片表面温度应大于60℃，喷涂过程中叶片表面温度应小于200℃，采用多道次喷涂来防止涂层过热；等离子喷涂要求：喷涂电流700A，喷涂电压50V，主气压力0.7MPa，主气流量70L/min，辅气压力0.5MPa，辅气流量0.5L/min。

Claims (2)

1.一种烟气轮机叶片用高耐蚀耐磨防垢涂层的制备工艺，其中，所述的高耐蚀耐磨防垢涂层由内层0.1~0.3mm厚的碳化铬系金属陶瓷涂层和外层0.1~0.2mm厚的氧化铝氧化钛陶瓷涂层组成，所述碳化铬系金属陶瓷涂层的化学成分及质量百分比含量为：NiCr合金25~50%，Cr3C2陶瓷50~75%；氧化铝氧化钛陶瓷涂层的化学成分及质量百分比含量为：Al2O3 60~93%，TiO2 7~40%，其特征在于：所述制备工艺包括以下步骤：
（1）表面清洗：先用丙酮，再用无水乙醇对烟气轮机叶片表面进行清洗，去除油污，确保烟气轮机叶片表面洁净；
（2）遮蔽保护：采用叶片喷涂工装或特种喷涂遮蔽胶带对烟气轮机叶片不需要喷涂的部位进行遮蔽保护，防止喷砂和喷涂时受到污染；
（3）喷砂粗化：将烟气轮机叶片用喷砂工装固定后，采用质量比为1:1-3:1的16目和24目的混合棕刚玉砂粒对表面进行喷砂粗化；要求喷砂用压缩空气干燥、无油，气压0.6~0.8MPa，喷射角为90±10°，喷砂距离为0.1~0.2m，喷砂至烟气轮机叶片表面露出亚光色新鲜金属表面为止；
（4）涂层制备：
首先，将烟气轮机叶片在喷涂工装上进行固定，采用超音速火焰喷涂工艺在叶片表面制备碳化铬系金属陶瓷涂层，厚度0.1~0.3mm，燃料为丙烷和空气，喷涂前叶片表面需预热，预热后叶片表面温度应大于60℃，喷涂过程中叶片表面温度应小于200℃，采用多道次喷涂来防止涂层过热；喷涂过程中要求空气压力0.6~0.8MPa，丙烷压力0.5~0.7MPa， 送粉速度20-40g/min，喷涂距离150-250 mm，喷涂角度60~90°，喷涂速度250~500 mm/s，喷涂步距2-5mm；
然后，采用高速等离子喷涂工艺在碳化铬系金属陶瓷涂层表面制备一层氧化铝氧化钛陶瓷涂层，厚度0.1~0.2mm，喷涂气体为氩气和氢气，喷涂前叶片表面需预热，预热后叶片表面温度应大于60℃，喷涂过程中叶片表面温度应小于200℃，采用多道次喷涂来防止涂层过热；等离子喷涂要求：喷涂电流650~850A，喷涂电压40~55V，主气压力0.5~0.8MPa，主气流量50~80L/min，辅气压力0.4~0.6MPa，辅气流量0.4~0.6L/min。
2.如权利要求1所述烟气轮机叶片用高耐蚀耐磨防垢涂层的制备工艺，其特征在于：所述步骤（1）中采用人工清洗或超声波清洗，去除油污，确保叶片表面洁净。
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