CN108517482A - 一种用于锅炉管壁的耐磨耐腐蚀涂层及其制备方法 - Google Patents

一种用于锅炉管壁的耐磨耐腐蚀涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于锅炉管壁的耐磨耐腐蚀涂层及其制备方法，属于表面工程技术领域。该方法采用活性燃烧高速燃气喷涂技术（AC‑HVAF）将粉体喷涂在基材（T91）上形成复合涂层，粉体包括Cr3C2‑NiCr陶瓷粉末和CeO2粉末两种组分，CeO2粉末掺杂的百分比为0~20wt%；Cr3C2‑NiCr陶瓷粉末余量。采用以上方法制备的掺杂稀土元素的陶瓷涂层组织致密，分布均匀，具有扁平化结构且涂层与基体边界紧密结合。此外制备的掺杂CeO2粉末的涂层组织更加致密，并且弥散分布于涂层中，具有更高的耐腐蚀及耐高温氧化的性能，这有助于提高锅炉管道在使用过程中抗冲刷磨损性能和抗高温腐蚀性能。

Description

一种用于锅炉管壁的耐磨耐腐蚀涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属基陶瓷复合材料制备技术领域，具体涉及一种用于锅炉管壁的耐磨耐腐蚀涂层及其制备方法。
背景技术
目前为止，我国的电力行业主要以火力发电为主，而发电过程中，以煤为燃料进行发电占我国总用煤量的50％左右，其中，煤炭燃烧过程中除了产生大量烟尘外，还会形成SO2、CO2、氮氧化物等酸性气体。随着火电行业的不断发展，高负载、大容量的锅炉装备需求越来越大，对于锅炉“四管”(即省煤器管、水冷壁管、再热器管、过热器管)高温腐蚀和磨损等性能要求也越来越高。因此寻找一种高温耐腐蚀涂层至关重要。
在锅炉、燃气轮机、内燃机和工业垃圾焚烧炉中，高温腐蚀是一个非常严重的问题。热喷涂技术是目前工业上出现的一种在合金上沉积保护性腐蚀涂层的新趋势。热喷涂涂层广泛应用于这些领域的一部分(如航空器、汽车和采矿)，来减少航空和现代燃气轮机之内、高温发电厂等中金属的表面失效过程如冲蚀、磨损及腐蚀率。
活性燃烧高速燃气喷涂(Activated Combustion High Velocity Air Fuel，简称AC-HVAF)是综合了冷喷涂(CGDS)和传统超音速火焰喷涂(HVOF)的优缺点，由美国UNIQUECOAT公司于二十一世纪初研制出来的新工艺。AC-HVAF相比于HVOF来说，主要有如下两个优点：第一、AC-HVAF是以空气助燃，燃烧的温度更低，可以有效地降低WC系列涂层的氧化率；第二、喷涂速度可以达到700m/s，高于HVOF技术5～10倍，涂层组织更致密。
活性燃烧高速燃气喷涂(AC-HVAF)工艺是最流行的覆盖厚并且均匀涂层的热喷涂技术之一。AC-HVAF因其灵活性好、成本低廉、涂层性能优异且环境友好而在许多行业中被广发采用。而目前应用于“四管”的热喷涂涂层主要是镍铬合金涂层和复合陶瓷涂层(Cr3C2-NiCr)，Cr3C2-NiCr涂层具有优异的耐高温腐蚀能力，但是随着技术要求的提高及应用领域的不断拓展，在恶劣的环境下，常规的Cr3C2-NiCr涂层已不能满足需求。纳米CeO2可以显著降低涂层的孔隙率，减少局部腐蚀的发生；同时可以使涂层电极电位正向移动，生成的钝化膜可以组织进一步腐蚀，从而提高涂层的耐腐蚀性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于锅炉管壁的耐磨耐腐蚀涂层及其制备方法，即一种掺杂CeO2的高性能Cr3C2-NiCr陶瓷复合涂层，进一步提高Cr3C2-NiCr陶瓷涂层在高温下的综合使用性能，延长“四管”在高温下的耐腐蚀性能。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种用于锅炉管壁的耐磨耐腐蚀涂层的制备方法，该方法采用活性燃烧高速燃气喷涂工艺将粉体喷涂在基材上形成耐磨耐腐蚀涂层，所述粉体包括Cr3C2-NiCr陶瓷粉末和CeO2粉末两种组分，其中，CeO2粉末占粉体的0～20wt％，Cr3C2-NiCr陶瓷粉末占粉体的80wt％～100wt％。
优选的，所述活性燃烧高速燃气喷涂工艺的参数为：喷涂距离300～340mm，燃气室1压力95～102psi，燃气室2压力为100～105psi，空气压力105～110psi，N2气流速率68～72L/min，送粉率68～75g/min，喷涂角度85～90°。
进一步优选的，所述活性燃烧高速燃气喷涂工艺的参数为：喷涂距离为300～340mm，燃气室1的压力为88～95psi，燃气室2的压力为95～102psi，空气压力为106～110psi，N2气流速率为68～72L/min，送粉率为70～75g/min，喷涂角度为85°～90°，喷涂次数为4～8次。
更优选的，所述活性燃烧高速燃气喷涂工艺的参数为：喷涂距离为320mm，燃气室1的压力为97psi，燃气室2的压力为102psi，空气压力为108psi，N2气流速率为70L/min，送粉率为72g/min，喷涂角度为90°，喷涂次数为6次。
优选的，所述CeO2粉末是含量为99.99wt％的纳米级粉末，粒径为10～35nm；所述Cr3C2-NiCr陶瓷粉末的粒径为15～45μm；所述Cr3C2-NiCr陶瓷粉末按质量百分比组成是Ni19％～21％，C9.1％～10.1％，O<0.5％，Cr余量。
进一步优选的，所述粉体中两种组分的重量百分比为：CeO2粉末0％、10％、20％；Cr3C2-NiCr陶瓷粉末余量。
优选的，所述粉体为Cr3C2-NiCr陶瓷粉末和CeO2粉末的机械混合粉体，该混合粉体的粒径为15～45μm。
优选的，所述粉体为Cr3C2-NiCr陶瓷粉末和CeO2粉末经球磨后满足喷涂要求的微米级粉体。
优选的，所述基材为T91特种钢。
优选的，喷涂前对T91特种钢基材表面进行除油除锈和喷砂处理，具体步骤包括：将基体置于除油剂中除油，然后放入丙酮中超声清洗除去铁锈等污垢，再对处理过后的基体表面进行喷砂处理，除去表面氧化膜，让活性较高的金属漏出表面，并且粗糙的表面有利于增加涂层与基体的结合力；喷砂过程在全封闭自动喷砂房中喷砂，所述喷砂处理的工艺参数为：白刚玉粒度为20～30目，枪移速度15～18mm/s，枪距：350～390mm，喷砂压力：0.4～0.8MPa，喷砂时间为30～60s。
优选的，对进行除油除锈和喷砂处理后的基体进行预热处理，再将机械球磨过后的粉末预热处理，然后再进行喷涂，喷涂方法采用AV-HVAF。
优选的，所述基体的厚度为3～8mm；喷涂的涂层厚度为150～250μm。
由以上所述的方法制得的一种用于锅炉管壁的耐磨耐腐蚀涂层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)相比于现有的“四管涂层”，本发明的涂层掺杂了纳米级别CeO2稀土氧化物，使涂层组织明显细化，孔隙率降低，晶界面积增加，阻止加热过程中晶粒长大，改善高温抗氧化及高温抗腐蚀性能。
(2)相比超音速火焰喷涂制备Cr3C2-NiCr陶瓷涂层，本发明制备的涂层具有更高的耐高温耐腐蚀性能。
(3)相比于气雾化制备稀土氧化物掺杂Cr3C2-NiCr喷涂粉末，本发明简化了工艺流程，降低了制粉成本，同时也提高了T91基材的耐腐蚀能力。
附图说明
图1为实施例1制备的掺杂CeO2纳米粉末的混合粉末的形貌图。
图2为图1的局部放大图。
图3为实施例1制备的掺杂CeO2纳米粉末的陶瓷复合涂层截面组织形貌图。
图4为图3的局部放大图。
图5为实施例1制备的掺杂不同百分比含量的CeO2纳米粉末的陶瓷复合涂层与基体T91显微硬度分布图。
图6为实施例1制备的不同百分比含量的CeO2纳米粉末的陶瓷复合涂层与基体T91常温电极化曲线图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明做进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
喷涂所用的粉体中包含纳米CeO2粉末重量百分比为0％；Cr3C2-NiCr粉末重量百分比为100％。
喷涂所用基材为T91特种钢，喷涂前对基材表面进行除油除锈和喷砂处理。将基材预热到120℃，粉末预热到100℃，然后用活性燃烧高速燃气喷(AC-HVAF)进行喷涂，主要喷涂工艺参数为：喷涂距离320mm，燃气室1压力97psi，燃气室2压力为102psi，空气压力108psi，N2气流速率70L/min，送粉率72g/min，喷涂角度90°，喷涂次数为6次；喷涂的涂层厚度为200μm。
实施例2
使用机械混合粉体，粉体包括粒径为10～35nm的CeO2粉末和粒径为15～45μm的Cr3C2-NiCr粉末两种组分。粉体中纳米CeO2粉末重量百分比为10％；Cr3C2-NiCr粉末重量百分比为余量。在制备时，将两种粉末放入球磨机里，设定转速200r/min，混料时间为8h，均匀混合后使用。经过混合后，所得混合粉末的粒径在25～35μm之间，形貌为球状，CeO2颗粒依附于Cr3C2-NiCr颗粒表面。
喷涂所用基材为T91特种钢，喷涂前对基材表面进行除油除锈和喷砂处理。将基材预热到110℃，粉末预热到110℃，然后用活性燃烧高速燃气喷涂(AC-HVAF)进行喷涂，主要喷涂工艺参数为：燃料类型为丙烷、燃料Ⅰ压力为97Psi、燃料Ⅱ压力为102Psi、空气压力为105Psi、氮气送粉流量为70L/min、送粉率为50g/min、喷涂距离为280mm、喷涂角度为80°，喷涂的涂层厚度为220μm。
实施例3
使用机械混合粉体，粉体包括粒径为10～35nm的CeO2粉末和粒径为15～45μm的Cr3C2-NiCr粉末两种组分。粉体中CeO2粉末重量百分比为20％；Cr3C2-NiCr粉末重量百分比为余量。在制备时，将两种粉末放入球磨机里，设定转速200r/min，混料时间为8h，均匀混合后使用。经过混合后，所得混合粉末的粒径在25～35μm之间，形貌为球状，CeO2颗粒依附于Cr3C2-NiCr颗粒表面。
喷涂所用基材为T91特种钢，喷涂前对基材表面进行除油除锈和喷砂处理。将基材预热到100℃，粉末预热到130℃，然后用活性燃烧高速燃气喷涂(AC-HVAF)进行喷涂，主要喷涂工艺参数为：燃料类型为丙烷、燃料Ⅰ压力为100Psi、燃料Ⅱ压力为103Psi、空气压力为107Psi、氮气送粉流量为80L/min、送粉率为60g/min、喷涂距离为360mm、喷涂角度为85°，喷涂的涂层厚度为240μm。
本发明金属陶瓷复合涂层的性能测试方法如下：
显微硬度测试：将喷涂出的样品切成长宽高为15mm×8mm×5mm的长方体，抛光处理，测量其显微维氏硬度，具体显微维氏硬度参数为：载荷0.3Kg，保持载荷15s，随机测量12个点，去掉最大及最小值，取平均值。
抗高温氧化性能测试：本试验参考HB 5258-2000标准，进行800℃×100h的高温氧化实验。用灵敏度为0.1mg的分析天平对氧化前后试验进行称重，并计算出试样单位面积的氧化增重。
电极化曲线测试：将喷涂出的样品切成直径φ＝2cm的圆，抛光至900目，测量其在3.5wt％NaCl溶液中的动电位极化曲线，具体动电位极化曲线参数为-1.0V，终止电位为1.0V，扫描速度为10mV/s。
下表为各实施例涂层与对比例试样(T91锅炉钢)的性能测试结果。
表1
从表1数据可以看出，经过喷涂掺杂过纳米CeO2的NiCr-Cr3C2粉末制备的金属陶瓷复合涂层后，T91锅炉钢各方面性能均得到大幅的提升，显微硬度增幅最高达到997.69HV0.3，氧化增重只有0.75mg·cm-2，自腐蚀电流明显降低，自腐蚀电位明显提高，说明本发明的金属陶瓷复合涂层对锅炉壁起到很好的防护作用。
从图1粉末的SEM图可以看出，NiCr-Cr3C2颗粒呈球状，表面致密，半径大小均一，复合热喷涂的要求，图2粉末的放大图可以看出，表面上粘附了很多微小的CeO2颗粒，可以看出，在球磨的过程中，CeO2与NiCr-Cr3C2颗粒混合均匀，且球形度保持良好状态，有利于热喷涂的实施。
进一步从表1分析可得，金属陶瓷复合涂层的截面形貌(如图3、图4所示)观察，可知本发明制备的金属陶瓷复合涂层与基体结合良好，组织均匀致密，无明显的微裂纹和大的孔隙，说明喷涂效果良好，未发生大的颗粒未熔物。
从图5可以看出，显微硬度(HV0.3)在加入10％CeO2后有了明显的提高，但是在20％CeO2硬度下降，这可能是加入量过多CeO2粉末导致的，主要是两方面原因：一方面CeO2粉末相对于Cr3C2-NiCr是软质相，含量变多会导致成分中硬度降低；另一方面过多的CeO2导致在喷枪里加速过程中每个粒子获得平均热能过低，导致粒子熔融效果变差，导致硬度下降。从图6可以看出，加入CeO2制备的自腐蚀电流和自腐蚀电位性能要优于未加入CeO2粉末的金属陶瓷涂层，而未加入CeO2粉末的陶瓷涂层要优于T91基体钢材。

Claims (10)

1.一种用于锅炉管壁的耐磨耐腐蚀涂层的制备方法，其特征在于，该方法采用活性燃烧高速燃气喷涂工艺将粉体喷涂在基材上形成耐磨耐腐蚀涂层，所述粉体包括Cr3C2-NiCr陶瓷粉末和CeO2粉末两种组分，其中，CeO2粉末占粉体的0~20wt%，Cr3C2-NiCr陶瓷粉末占粉体的80wt%~100wt%。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述活性燃烧高速燃气喷涂工艺的参数为：喷涂距离为300~340mm，燃气室1的压力为88~95psi，燃气室2的压力为95~102psi，空气压力为106~110psi，N2气流速率为68~72L/min，送粉率为70~75g/min，喷涂角度为85°~90°，喷涂次数为4~8次。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述活性燃烧高速燃气喷涂工艺的参数为：喷涂距离为320mm，燃气室1的压力为97psi，燃气室2的压力为102psi，空气压力为108psi，N2气流速率为70L/min，送粉率为72g/min，喷涂角度为90°，喷涂次数为6次。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述CeO2粉末是含量为99.99wt%的纳米级粉末，粒径为10~35nm；所述Cr3C2-NiCr陶瓷粉末的粒径为15~45μm。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述粉体中两种组分的重量百分比为：纳米CeO2粉末0%、10%或20%；Cr3C2-NiCr陶瓷粉末余量。
6.根据权利要求1至5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述粉体为Cr3C2-NiCr陶瓷粉末和CeO2粉末的机械混合粉体。
7.根据权利要求1至5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述粉体为Cr3C2-NiCr陶瓷粉末和CeO2粉末经球磨后满足喷涂要求的微米级粉体。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基材为T91特种钢。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，喷涂前对T91特种钢基材表面进行除油除锈和喷砂处理。
10.由权利要求1所述的方法制得的一种用于锅炉管壁的耐磨耐腐蚀涂层。
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