CN107385379B - 一种高炉能量回收透平叶片表面耐蚀耐磨涂层的制备方法 - Google Patents

一种高炉能量回收透平叶片表面耐蚀耐磨涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高炉能量回收透平叶片表面耐蚀耐磨涂层的制备方法，包括：对0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢叶片基体材料进行清洁和预处理；采用超音速等离子喷涂设备，在氩气和氢气作为等离子生成气，氢气作为载气条件下，对预处理后的基体采用间歇喷涂工艺依次喷涂Ni‑Cr‑Re打底层；3)在相同条件下，在打底层上采用间歇喷涂工艺喷涂Cr2O3陶瓷中间层；4)采用高聚物对涂层进行封闭处理；5)待喷涂及封闭层固化完毕后，对涂层进行微观结构和性能检测。该方法制备的涂层材料为金属‑陶瓷‑聚合物三相的复合性涂层，其硬度高、涂层孔隙率低、耐氯离子腐蚀性优异、结构稳定性良好且与基体具有较高的结合力。

Description

一种高炉能量回收透平叶片表面耐蚀耐磨涂层的制备方法
技术领域
本发明属于透平机械技术领域，特别涉及一种高炉能量回收透平叶片表面耐蚀耐磨多功能涂层的设计制备方法，该方法属于动力机械工程能量回收透平领域的一种表面防护新材料应用技术。
背景技术
近年来，高炉能量回收透平在我国冶金领域获得了广泛应用，取得了可观的经济效益并有效降低了工业废气的排放，有效促进了循环经济的发展。此类透平的长期安全运行是保证高炉能量持续回收的关键所在。其中，透平叶片是高炉能量回收透平设备的核心零部件，其安全可靠性直接影响机组的长效运行。目前，研制适用的防腐耐磨多功能涂层是此类叶片安全运行的技术难题。这源于叶片的运行工况极其恶劣，表现在：一方面工作介质多为具有一定温度范围(60～550℃)的各种工业气体或高炉尾气，含有各种腐蚀性介质(如CO，SO2，CO2，H2S，Cl-，水汽、盐雾，焦油，萘等)，其中Cl离子的存在往往极易造成叶片材料点蚀；另一方面，气流中还夹杂不同量级的细小硬质磨粒(如Al2O3、SiO2粉尘等)。在上述复杂工况下，高速旋转叶片不仅遭受气流冲击造成的腐蚀、冲蚀与磨损，还同时承受弯曲应力及离心力的协同作用，这大大加速了叶片表面腐蚀损伤与疲劳裂纹扩展，严重时还将导致叶片断裂、机组停机、煤气外泄等恶性事故的发生。
针对此，传统预防和治理方法通常是采用普通热喷涂方法在不锈钢材质的透平叶片表面涂覆Ni-Cr-Al、Co-WC等等涂层材料，但成效不大，特别是针对含高氯离子介质，一直没有很好的涂层方案能兼顾解决不锈钢叶片的耐蚀耐磨问题。此类叶片在涂覆常规的热喷涂涂层服役一段时间后往往表现出大量的氯离子点蚀坑、涂层片状脱落甚至腐蚀孔深入至叶片基体等多种典型失效特征，严重威胁高炉能量回收透平设备的长期安全运行。针对高氯离子介质下服役的透平叶片，如何设计有效的防护涂层并采用合理的表面技术实施是该研究领域的焦点及难点。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种高炉能量回收透平叶片表面耐蚀耐磨涂层的制备方法。该方法制备的涂层材料为金属-陶瓷-聚合物三相的复合性涂层，其硬度高、涂层孔隙率低、耐氯离子腐蚀性优异、结构稳定性良好且与基体具有较高的结合力。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种高炉能量回收透平叶片表面耐蚀耐磨涂层的制备方法，包括下述步骤：
1)对OCr17Ni4Cu4Nb不锈钢叶片基体材料进行清洁和预处理；
2)采用超音速等离子喷涂设备，在氩气和氢气作为等离子生成气，氢气作为载气条件下，对步骤1)预处理后的基体采用间歇喷涂工艺依次喷涂Ni-Cr-Re打底层；
3)在步骤2)相同条件下，在打底层上采用间歇喷涂工艺喷涂Cr2O3陶瓷中间层；
4)采用高聚物对涂层进行封闭处理；
5)待喷涂及封闭层固化完毕后，对涂层进行微观结构和性能检测。
进一步，所述步骤1)中，对0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢叶片采用丙酮进行表面除油和清洁处理，并对叶片不需喷涂部位用高温遮蔽胶带精确保护，用24～28目棕刚玉对叶片喷涂部位进行喷砂粗糙、活化处理。
进一步，所述步骤2)中，Ni-Cr-Re打底层原料分别选用质量分数为80～85wt％的金属Ni、质量分数为10～15wt％金属Cr和质量分数为3～5wt％稀有金属Re构成复合粉末。
进一步，所述复合粉末粒度为45～110μm。
进一步，喷涂Ni-Cr-Re打底层的间歇时间间隔为10～15mins；喷涂电压为120V，喷涂电流为380A，喷涂距离为100mm，送粉量为35g/min，粘结底层厚度为0.05～0.10mm。
进一步，所述步骤2)-3)中，采用HEPJet超音速等离子喷涂装置。
进一步，所述步骤3)中，中间层Cr2O3粉末粒度为15～45μm。
进一步，喷涂Cr2O3陶瓷中间层的间歇时间间隔为10～15mins；喷涂电压为150V，喷涂电流为400A，喷涂距离为100mm，送粉量为35g/min，中间涂层厚度为0.15～0.25mm。
进一步，所述步骤4)中，采用有机硅透明树脂高聚物刷涂3～5次，然后室温干燥固化24h。
进一步，所述涂层硬度为≥HRC45，涂层孔隙率≤1％，涂层与基体结合强度不小于75MPa，涂层盐雾试验720小时后无明显腐蚀产物，且冲蚀坑深不大于25μm。
本发明的有益效果如下：
本发明采用超音速等离子喷涂设备，通过调整喷涂功率、喷涂距离和送粉量等工艺参数在0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢叶片表面进行Ni-Cr-Re+Cr-O陶瓷系+高聚物封闭的复合涂层制备。
为提高耐氯离子点蚀能力并提高涂层与不锈钢叶片基体的结合性，在粘结底层喷涂材料配比中添加了质量百分数为3～5％的稀土元素Re，所述Re是指稀土元素La的氧化物La2O3。此元素属于稀有元素，在喷涂金属陶瓷中加入此稀土元素，能够减缓涂层层状波动幅度，细化组织，得到较为均匀、致密的涂层，会有效地降低涂层孔隙率，并有效增强涂层与基体结合力。为提高涂层整体耐磨性，采用Cr2O3型陶瓷材料作为中间层。同时，为降低孔隙率，大大减小氯离子对涂层的渗透腐蚀，采用高聚物进行涂层的表面封闭。此外，与普通等离子喷涂相比，超音速等离子喷涂粒子速度提高了2～3倍，熔融粒子以更大动量撞击基材表面，可获得比传统等离子喷涂层更致密、结合强度更高的高性能涂层，具有火焰或电弧等其它常规喷涂技术所不可替代的优势。基于此，本发明采用超音速等离子喷涂工艺进行上述涂层制备。实验表明，此涂层及制备方法的结合可显著提高高炉能量回收透平叶片的使用寿命。
附图说明
图1为固体颗粒冲蚀磨损实验机装置示意图；
图2(a)是某高炉能量回收透平风机叶片腐蚀失效图；
图2(b)是采用本发明实施例运行1年后的叶片形貌对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
本发明利用超音速等离子喷涂在透平叶片上制备耐蚀耐磨涂层的方法，包括下述步骤：
1)对0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢叶片基体材料进行清洁和预处理。为提高涂层与基体结合强度，对0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢叶片喷涂前用丙酮进行表面除油和清洁处理，并对叶片不需喷涂部位用高温遮蔽胶带精确保护，用24～28目棕刚玉对叶片喷涂部位进行喷砂粗糙、活化处理。
2)采用HEPJet超音速等离子喷涂设备，在氩气和氢气作为等离子生成气，氢气作为载气条件下，对基体依次喷涂Ni-Cr-Re打底层；粘结底层原料选用质量分数为80～85wt％的金属Ni、质量分数为10～15wt％金属Cr和质量分数为3～5wt％稀有金属Re构成复合粉末，复合粉末粒度为45～110μm。为了避免基体在喷涂过程中的剧烈氧化和过热，喷涂工艺间歇进行，间歇的时间间隔为10～15mins。其中，粘结底层厚度为0.05～0.10mm；喷涂电压为120V，喷涂电流为380A，喷涂距离为100mm，送粉量为35g/min。
3)采用HEPJet超音速等离子喷涂设备，在氩气和氢气作为等离子生成气，氢气作为载气条件下，在打底层上喷涂Cr2O3陶瓷中间层，中间层原料粉末粒度为15～45μm，喷涂电压为150V，喷涂电流为400A，喷涂距离为100mm，送粉量为35g/min；中间涂层厚度为0.15～0.25mm。
为了避免基体在喷涂过程中的剧烈氧化和过热，喷涂工艺间歇进行，间歇的时间间隔为10～15mins。
4)采用机硅透明树脂高聚物涂刷至涂层表面进行封闭处理，刷涂3-5次，以使有机硅充分渗入涂层，然后室温干燥，固化24h以便有机硅树脂与基体结合稳定。
5)待喷涂及封闭层固化完毕后，对涂层进行微观结构和性能检测。
采用Olympus BX51M金相显微镜及Hirox KH-7700数字三维视频显微镜表征涂层微观结构；采用HXD-1000显微硬度计测定涂层显微硬度；采用REGER-50万能试验机测试涂层结合强度；采用SY/Q-750型盐雾腐蚀试验箱进行涂层耐蚀性评价。
采用固体颗粒冲蚀磨损实验机测试涂层耐冲蚀性能，装置请见图1。装置包括与实验机本体连接的压缩空气入口2和砂粒入口4，实验机本体下方出口喷出的砂气流8喷在试样7的被冲蚀表面5，试样7可通过角度调节旋钮6调节被冲蚀表面5与砂气流8中心垂线间的角度α，使得砂气流8能够达到要求。
其中，盐雾腐蚀和固体颗粒冲蚀试验条件请见表1和表2，冲蚀试验前后利用LE225D精密电子天平对纯基体和带涂层试样进行称重，得出失重并对比。
表1盐雾腐蚀试验条件
表2固体颗粒冲蚀试验条件
本实施方式中的试样选取与能量回收透平叶片材质相同，从以上试验结果可以证明，本发明制备的涂层能够对高氯离子工况能量回收透平叶片进行有效防护，且实施例4说明该方式效果良好，制备的涂层硬度≥HRC45，涂层孔隙率≤1％，涂层与母体结合强度≥60MPa，喷涂后同一级叶片涂层重量差≤10％，涂层盐雾试验720小时后无明显腐蚀产物，且冲蚀试验后发现涂层冲蚀较轻，冲蚀坑深仅10～25μm，与纯基体相比，基体失重是带涂层样品的1.5～2.0倍。
下面通过具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
在0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢上采用HEPJet超音速等离子喷涂装置进行热喷涂复合涂层制备。
本实施例中粘结底层原料配比为：85.0wt％Ni、12.0wt％Cr和3.0wt％La2O3，喷涂间歇的时间间隔为15mins；喷涂电压为120V，喷涂电流为380A，喷涂距离为100mm，送粉量为35g/min；粘结底层厚度为0.05mm，复合粉末粒度为45。中间层原料选用Cr2O3粉末，喷涂间歇的时间间隔为15mins；喷涂电压为150V，喷涂电流为400A，喷涂距离为100mm，送粉量为35g/min，中间涂层厚度为0.25mm；将有机硅透明树脂类高聚物涂刷至涂层表面进行封闭处理，刷涂3次，室温干燥固化24h，中间层原料粉末粒度为30μm；
制备的涂层组织均匀、致密性良好，涂层硬度1052HV0.3，涂层孔隙率0.87％，涂层与基体结合强度77MPa，涂层盐雾试验720小时后无明显腐蚀产物，且冲蚀试验后发现涂层冲蚀较轻，冲蚀坑深仅10～15μm，与纯基体相比，基体失重是带涂层样品的2.0倍。
实施例2
在0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢上采用HEPJet超音速等离子喷涂装置进行热喷涂复合涂层制备。
本实施例中粘结底层原料配比为：85.0wt％Ni、10.0wt％Cr和5.0wt％La2O3，喷涂工艺和中间层喷涂过程同实施例1，喷涂间歇的时间间隔为10mins。
粘结底层厚度为0.08mm，复合粉末粒度为80μm；中间层原料选用Cr2O3粉末，中间层原料粉末粒度为15μm，中间涂层厚度为0.23mm；将有机硅透明树脂类高聚物涂刷至涂层表面进行封闭处理，刷涂3次，室温干燥固化24h。
制备的涂层组织均匀、致密性良好，涂层硬度HRC55，涂层孔隙率0.9％，涂层与基体结合强度75MPa，涂层盐雾试验720小时后无明显腐蚀产物，且冲蚀试验后发现涂层冲蚀较轻，冲蚀坑深仅10～18μm，与纯基体相比，基体失重是带涂层样品的1.85倍。
实施例3
在0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢叶片上采用HEPJet超音速等离子喷涂装置进行热喷涂复合涂层制备。
本实施例中粘结底层原料配比为：80.0wt％Ni、15.0wt％Cr和5.0wt％La2O3，喷涂工艺和中间层喷涂过程同实施例1，喷涂间歇的时间间隔为12mins。
粘结底层厚度为0.10mm，复合粉末粒度为100μm；中间层原料选用Cr2O3粉末，中间层原料粉末粒度为45μm，中间涂层厚度为0.15mm；将有机硅透明树脂类高聚物涂刷至涂层表面进行封闭处理，刷涂3次，室温干燥固化24h。
制备的涂层组织均匀、致密性良好，涂层硬度HRC55，涂层孔隙率0.9％，涂层与基体结合强度75MPa，涂层盐雾试验720小时后无明显腐蚀产物，且冲蚀试验后发现涂层冲蚀较轻，冲蚀坑深仅20～25μm，与纯基体相比，基体失重是带涂层样品的1.50倍。
实施例4
在某用户能量回收透平机组0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢叶片上采用HEPJet超音速等离子喷涂装置进行热喷涂复合涂层制备。
本实施例中粘结底层原料配比为：83.0wt％Ni、12.5wt％Cr和4.5wt％La2O3，喷涂工艺和中间层喷涂过程同实施例1，喷涂间歇的时间间隔为15mins。
粘结底层厚度为0.09mm，复合粉末粒度为110μm；中间层原料选用Cr2O3粉末，中间层原料粉末粒度为40μm，中间涂层厚度为0.22mm；将有机硅透明树脂类高聚物涂刷至涂层表面进行封闭处理，刷涂3次，室温干燥固化24h。
制备的涂层组织均匀、致密性良好，涂层硬度HRC55，涂层孔隙率0.9％，涂层与基体结合强度75MPa。以往常规热喷涂涂层在某用户现场上使用1年后的现场照片见图2(a)，本实施例制备的涂层在使用1年后的现场照片见图2(b)所示，本发明涂层完整，未见明显腐蚀和涂层脱落迹象，有效保证了叶片的安全使用，满足使用要求。
本发明制备的Ni-Cr-Re+Cr-O陶瓷系+高聚物封闭的复合涂层与现有的Ni-Cr-Al、Co-WC等单一涂层材料相比，因采用了先进的超音速等离子喷涂工艺，同时复合涂层设计合理，工艺稳定，添加了稀有元素和高聚物表面封闭处理，涂层结构稳定性良好，兼顾了耐氯离子腐蚀特性和耐粉尘磨损性，保证了高炉能量回收透平叶片使用寿命的有效延长。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征做出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高炉能量回收透平叶片表面耐蚀耐磨涂层的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)对0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢叶片基体材料进行清洁和预处理；
2)采用超音速等离子喷涂设备，在氩气和氢气作为等离子生成气，氢气作为载气条件下，对步骤1)预处理后的基体采用间歇喷涂工艺依次喷涂Ni-Cr-Re打底层；
3)在步骤2)相同条件下，在打底层上采用间歇喷涂工艺喷涂Cr2O3陶瓷中间层；
4)采用高聚物对涂层进行封闭处理；
5)待喷涂及封闭层固化完毕后，对涂层进行微观结构和性能检测；
所述步骤2)中，Ni-Cr-Re打底层原料分别选用质量分数为80～85wt％的金属Ni、质量分数为10～15wt％金属Cr和质量分数为3～5wt％稀有金属Re构成复合粉末，所述Re是指稀土元素La的氧化物La2O3；
所述涂层硬度为≥HRC45，涂层孔隙率≤1％，涂层与基体结合强度不小于75MPa，涂层盐雾试验720小时后无明显腐蚀产物，且冲蚀坑深不大于25μm。
2.根据权利要求1所述的高炉能量回收透平叶片表面耐蚀耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，对0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢叶片采用丙酮进行表面除油和清洁处理，并对叶片不需喷涂部位用高温遮蔽胶带精确保护，用24～28目棕刚玉对叶片喷涂部位进行喷砂粗糙、活化处理。
3.根据权利要求2所述的高炉能量回收透平叶片表面耐蚀耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述复合粉末粒度为45～110μm。
4.根据权利要求1所述的高炉能量回收透平叶片表面耐蚀耐磨涂层的制备方法，其特征在于，喷涂Ni-Cr-Re打底层的间歇时间间隔为10～15min；喷涂电压为120V，喷涂电流为380A，喷涂距离为100mm，送粉量为35g/min，粘结底层厚度为0.05～0.10mm。
5.根据权利要求1所述的高炉能量回收透平叶片表面耐蚀耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤2)-3)中，采用HEPJet超音速等离子喷涂装置。
6.根据权利要求1所述的高炉能量回收透平叶片表面耐蚀耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，中间层Cr2O3粉末粒度为15～45μm。
7.根据权利要求1所述的高炉能量回收透平叶片表面耐蚀耐磨涂层的制备方法，其特征在于，喷涂Cr2O3陶瓷中间层的间歇时间间隔为10～15min；喷涂电压为150V，喷涂电流为400A，喷涂距离为100mm，送粉量为35g/min，中间涂层厚度为0.15～0.25mm。
8.根据权利要求1所述的高炉能量回收透平叶片表面耐蚀耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中，采用有机硅透明树脂高聚物刷涂3-5次，然后室温干燥固化24h。
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