CN110284092A - 一种粉芯丝材及其在水冷壁管涂层制备中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种粉芯丝材，涉及粉芯丝材制备技术领域，包括粉芯和包裹粉芯的外皮，所述粉芯主要由以下重量百分比的原料制成：2‑5％硼粉、50‑55％铬粉、5‑10％镍粉、2‑5％铝粉1‑3％钛粉、1‑3％铅粉、0.5‑1.5％钼粉、余量为铁粉。本发明还提供上述粉芯丝材在涂层制备中的应用，包括以下步骤：(1)粉芯丝材的制备；(2)基体的预处理；(3)打底(4)超音速电弧喷涂；(5)后处理；本发明的有益效果在于：本发明制备的粉芯丝材添加了铅和硼两种元素，使通过该粉芯丝材制得的涂层其孔隙率低至1％，本发明制得的涂层其表面硬度达到490HV。

Description

一种粉芯丝材及其在水冷壁管涂层制备中的应用
技术领域
本发明涉及表面防护技术领域，具体地说涉及一种粉芯丝材及其在涂层制备中的应用。
背景技术
火力发电是现阶段我国最重要的发电形式。而在电厂锅炉机组所发生的事故中，水冷壁管的爆破事故在其中占据了很大的一部分比例。(超)临界机组的水冷壁管普遍高温腐蚀严重，局部年减薄3mm以上，基本不到一年即大面积失效。
普通的水冷壁防护涂层主要采用FeCr、NiCr等，普通的涂层孔隙率约3％到10％，涂层与水冷壁基体结合力也较弱，在锅炉高温、煤灰冲蚀、腐蚀的作用下，涂层耐磨性、抗热腐蚀性能、抗热震性能均较低，寿命较短，造成水冷壁的减薄、失效及锅炉的频繁停机检修更换，给生产带来严重的影响。
如专利CN201610025620.X公开一种用于制备铁基涂层的粉芯丝材及其涂层制备方法，粉芯成分质量百分含量范围如下：硼粉:17.5-35.5％；铌铁粉:28-45％；75号硅铁粉:4-14％；碳化硼粉：8-18％；纯铬粉:10-20％；电解锰：0-5％；纯钛粉：0-8％；余量为还原铁粉，但其制得的涂层其孔隙率在5.75-6.52％之间。
发明内容
本发明解决的技术问题之一在于现有的铁基粉芯丝材制得的涂层孔隙率较高。
本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题的：
本发明提供一种粉芯丝材，包括粉芯和包裹粉芯的外皮，所述粉芯主要由以下重量百分比的原料制成：2-5％硼粉、50-55％铬粉、5-10％镍粉、2-5％铝粉1-3％钛粉、1-3％铅粉、0.5-1.5％钼粉、余量为铁粉。
优选的，所述硼粉、铬粉、镍粉、铝粉、钛粉、铅粉、钼粉和铁粉的粒径为45-109μm。
优选的，所述粉芯丝材的直径为3-3.5mm，所述粉芯的填充率为40-45％。
优选的，所述外皮为钢带。
本发明解决的技术问题之二在于现有的水冷壁涂层易发生磨损和腐蚀。
本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题的：
本发明提供上述粉芯丝材在水冷壁管涂层制备中的应用，包括以下步骤：
(1)粉芯丝材的制备：按比例称取粉芯原料，混合后干燥，采用钢带对干燥后的粉芯原料进行包裹，经过逐级减径，获得粉芯丝材；
(2)基体的预处理：对基体进行喷砂处理后，对基体进行预热；
(3)打底：在基体表面喷涂NiCr实心丝材作为打底层；
(4)喷涂：将步骤(1)中制得的粉芯丝材作为喷涂材料，通过超音速电弧喷涂方法对预处理后的基体表面进行喷涂，制得涂层后，采用封孔剂进行封孔；
(5)后处理：对步骤(4)中制得的涂层进行热处理，在600℃条件下保温6h后随炉冷却。
优选的，所述步骤(1)中获得的粉芯丝材的直径为3-3.5mm。
优选的，所述步骤(2)中喷砂处理时采用棕刚玉颗粒作为喷砂材料。
优选的，所述步骤(2)中预热处理的温度为500-800℃，加热时间为30-60s。
优选的，所述超音速电弧喷涂的工艺参数为：喷涂电流300-360A，喷涂电压45-60V，喷涂气压0.7-1.0MPa，喷头距离工件的距离150-200mm，喷涂角度70-75度，喷枪移动速度0.18m/s。
优选的，采用硅酸钠封孔剂进行封孔处理。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明制备的粉芯丝材添加了铅和硼两种元素，使通过该粉芯丝材制得的涂层其孔隙率低至0.6％，增强了涂层的耐热腐蚀性能，提高涂层的使用寿命；
(2)本发明制得的涂层其表面硬度达到490HV，可以使涂层具有较强的耐磨损性和耐冲蚀性。
附图说明
图1为本发明实施例4-6中制得涂层的宏观照片；
图2为本发明实施例6中制得涂层的截面金相组织图；
图3为本发明实施例6中制得涂层的孔隙提取图；
图4为本发明对比例2中制得涂层的截面金相组织图；
图5为本发明对比例2中制得涂层的孔隙提取图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
实施例1
粉芯丝材的制备方法：
(1)称取以下重量百分比的粉芯原料：称取2％硼粉、50％铬粉、5％镍粉、4％铝粉、1％钛粉、1％铅粉、0.5％钼粉、余量为铁粉；其中硼粉、铬粉、镍粉、铝粉、钛粉、铅粉、钼粉和铁粉的粒径为50μm；
(2)粉芯原料处理：将步骤(1)中称取的粉芯原料通过混粉机进行混合，通过干燥箱对混合后的粉芯原料于60℃干燥30min；
(3)钢带包裹：采用304不锈钢带对干燥后的粉芯原料进行包裹，经过逐级减径，获得直径为3mm的粉芯丝材，其中粉芯的填充率为45％；其中钢带包裹方法为现有技术。
实施例2
粉芯丝材的制备方法：
(1)称取以下重量百分比的粉芯原料：称取5％硼粉、55％铬粉、10％镍粉、5％铝粉、2％钛粉、2％铅粉、1.5％钼粉、余量为铁粉；其中硼粉、铬粉、镍粉、铝粉、钛粉、铅粉、钼粉和铁粉的粒径为75μm；
(2)粉芯原料处理：将步骤(1)中称取的粉芯原料通过混粉机进行混合，通过干燥箱对混合后的粉芯原料在60℃条件下干燥30min；
(3)钢带包裹：采用304不锈钢带对干燥后的粉芯原料进行包裹，经过逐级减径，获得直径为3mm的粉芯丝材，其中粉芯的填充率为42％；其中钢带包裹方法为现有技术。
实施例3
粉芯丝材的制备方法：
(1)称取以下重量百分比的粉芯原料：称取5％硼粉、55％铬粉、10％镍粉、5％铝粉、2％钛粉、3％铅粉、1.5％钼粉、余量为铁粉；其中硼粉、铬粉、镍粉、铝粉、钛粉、铅粉、钼粉和铁粉的粒径为75μm；
(2)粉芯原料处理：将步骤(1)中称取的粉芯原料通过混粉机进行混合，通过干燥箱对混合后的粉芯原料于60℃干燥30min；
(3)钢带包裹：采用304不锈钢带对干燥后的粉芯原料进行包裹，经过逐级减径，获得直径为3mm的粉芯丝材，其中粉芯的填充率为45％；其中钢带包裹方法为现有技术。
对比例1
粉芯丝材的制备方法：
(1)称取以下重量百分比的粉芯原料：称取5％硼粉、55％铬粉、10％镍粉、5％铝粉、2％钛粉、1.5％钼粉、余量为铁粉；其中硼粉、铬粉、镍粉、铝粉、钛粉、铅粉、钼粉和铁粉的粒径为75μm；
(2)粉芯原料处理：将步骤(1)中称取的粉芯原料通过混粉机进行混合，通过干燥箱对混合后的粉芯原料于60℃干燥30min；
(3)钢带包裹：采用304不锈钢带对干燥后的粉芯原料进行包裹，经过逐级减径，获得直径为3mm的粉芯丝材，其中粉芯的填充率为45％。
实施例4
采用实施例1中制备的粉芯丝材制备水冷壁管涂层：
(1)Q235钢基体表面的预处理：去除基体表面锈迹、污迹，采用喷砂机对其进行喷砂处理，选择棕刚玉颗粒作为喷砂材料，棕刚玉颗粒的粒径大小为20目；为防止电弧喷涂时的温度过高造成基体表面受热不均匀从而导致所得到的涂层产生裂纹，喷涂前采用便携式喷枪对基体表面进行加热预处理，加热温度为500℃，加热时间为60s；
(2)打底：为实现第一道表面防护，提高涂层的结合强度，使用超音速电弧喷涂设备，将只含有NiCr的实芯丝材(其中60％Ni，40％Cr)作为直流电源的两个电极，通过正负极接触短路产热是丝材融化，在气压的作用下喷敷在在基体表面，喷涂厚度为0.1mm；
(3)喷涂：两组粉芯丝材分别作为直流电源的两个电极在基体表面进行喷涂，制备的涂层厚度为0.8mm，最后涂层采用硅酸钠封孔剂进行封孔处理，封孔后涂层表面经火焰瞬时1m2/s过热，随后冷却，超音速电弧喷涂的具体工艺参数设置如表1所示；其中超音速电弧喷涂设备为现有技术；
表1为本实施例中超音速电弧喷涂的具体工艺参数
(4)后处理：对步骤(4)中制得的涂层进行热处理，因其服役温度，于600℃条件下保温6h后随炉冷却。
检测：对本实施例中制备的涂层采用图像法计算孔隙率，采用洛氏硬度仪对涂层表面显微硬度进行测定。
实验结果：本实施例制备的涂层孔隙率为1％，涂层表面显微硬度为440HV。
实施例5
采用实施例2中制备的粉芯丝材制备水冷壁管涂层：
(1)G20钢基体表面的预处理：去除基体表面锈迹、污迹，使用喷砂机对其进行喷砂处理，选择棕刚玉颗粒作为喷砂材料，棕刚玉颗粒的粒径大小为20目；为防止电弧喷涂时的温度过高造成基体表面受热不均匀从而导致所得到的涂层产生裂纹，喷涂前采用便携式喷枪对基体表面进行加热预处理，加热温度为600℃，加热时间为50s；
(2)打底：为实现第一道表面防护，提高涂层的结合强度，使用超音速电弧喷涂设备，将只含有NiCr的实芯丝材(其中60％Ni，40％Cr)作为直流电源的两个电极，通过正负极接触短路产热是丝材融化，在气压的作用下喷敷在在基体表面，喷涂厚度为0.3mm；
(3)超音速电弧喷涂：两组粉芯丝材分别作为直流电源的两个电极在基体表面进行喷涂，制备的涂层厚度为1.2mm，最后涂层采用硅酸钠封孔剂进行封孔处理，封孔后涂层表面经火焰瞬时1m2/s过热，随后冷却，超音速电弧喷涂的具体工艺参数设置如表2所示；其中超音速电弧喷涂设备为现有技术；
表2为本实施例中超音速电弧喷涂的具体工艺参数
(4)后处理：对步骤(4)中制得的涂层进行热处理，因其服役温度，于600℃条件下保温6h后随炉冷却
检测：对本实施例中制备的涂层采用图像法计算孔隙率，采用洛氏硬度仪对涂层表面显微硬度进行测定。
实验结果：与实施例1相比，本实施例制备的涂层成分Pb、B、Ti的成分提高，孔隙填充率高，孔隙率降为1.3％，涂层表面显微硬度为487HV。
实施例6
采用实施例3中制备的粉芯丝材制备水冷壁管涂层：
(1)45#钢基体表面的预处理：去除基体表面锈迹、污迹，采用喷砂机对其进行喷砂处理，选择棕刚玉颗粒作为喷砂材料，棕刚玉颗粒的粒径大小为20目；为防止电弧喷涂时的温度过高造成基体表面受热不均匀从而导致所得到的涂层产生裂纹，喷涂前采用便携式喷枪对基体表面进行加热预处理，加热温度为700℃，加热时间为50s；
(2)打底：为实现第一道表面防护，提高涂层的结合强度，使用超音速电弧喷涂设备，将只含有NiCr的实芯丝材(其中60％Ni，40％Cr)作为直流电源的两个电极，通过正负极接触短路产热是丝材融化，在气压的作用下喷敷在在基体表面，喷涂厚度为0.2mm；
(3)超音速电弧喷涂：两组粉芯丝材分别作为直流电源的两个电极在基体表面进行喷涂，制备的涂层厚度为1.2mm，最后涂层采用硅酸钠封孔剂进行封孔处理，封孔后涂层表面经火焰瞬时1m2/s过热，随后冷却，超音速电弧喷涂的具体工艺参数设置如表3所示；其中超音速电弧喷涂设备为现有技术；
表3为本实施例中超音速电弧喷涂的具体工艺参数
(4)后处理：对步骤(4)中制得的涂层进行热处理，因其服役温度，于600℃条件下保温6h后随炉冷却。
检测：对本实施例中制备的涂层采用图像法计算孔隙率，采用洛氏硬度仪对涂层表面显微硬度进行测定。
实验结果：与实施例2相比，本实施例涂层成分Pb的成分提高，其他成分未变，图3为本实施例制得涂层的孔隙提取图，制备的涂层孔隙率为0.98％，涂层表面显微硬度为490HV。图1为实施例4至实施例6中制备的涂层其宏观照片。图2为本实施例制得涂层的截面金相组织图，从图中可以看出黑色区域少，孔隙较少，涂层孔隙率低。
对比例2
采用对比例1中制备的粉芯丝材制备水冷壁管涂层：
(1)45#钢基体表面的预处理：去除基体表面锈迹、污迹，采用喷砂机对其进行喷砂处理，选择棕刚玉颗粒作为喷砂材料，棕刚玉颗粒的粒径大小为20目；为防止电弧喷涂时的温度过高造成基体表面受热不均匀从而导致所得到的涂层产生裂纹，喷涂前采用便携式喷枪对基体表面进行加热预处理，加热温度为700℃，加热时间为40s；
(2)打底：为实现第一道表面防护，提高涂层的结合强度，使用超音速电弧喷涂设备，将只含有NiCr的实芯丝材(其中60％Ni，40％Cr)作为直流电源的两个电极，通过正负极接触短路产热是丝材融化，在气压的作用下喷敷在在基体表面，喷涂厚度为0.2mm；
(3)超音速电弧喷涂：两组粉芯丝材分别作为直流电源的两个电极在基体表面进行喷涂，制备的涂层厚度为1.2mm，最后涂层采用硅酸钠封孔剂进行封孔处理，封孔后涂层表面经火焰瞬时1m2/s过热，随后冷却超音速电弧喷涂的具体工艺参数设置如表4所示；其中超音速电弧喷涂设备为现有技术；
表4为本实施例中超音速电弧喷涂的具体工艺参数
(4)后处理：对步骤(4)中制得的涂层进行热处理，因其服役温度，于600℃条件下保温6h后随炉冷却。
检测：对本实施例中制备的涂层采用图像法计算孔隙率，采用洛氏硬度仪对涂层表面显微硬度进行测定。
实验结果：与实施例1相比，本对比例制备的涂层成分中不含有Pb，B、Ti、Al、Mo的成分提高，孔隙填充率增加，图4为本对比例制备的涂层的孔隙提取图，孔隙率为5.1％，涂层表面显微硬度为450HV，图5为本实施例中制得的涂层其截面金相组织图，可以看出涂层黑色区域较多，孔隙较高。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，与本发明构思无实质性差异的各种工艺方案均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种粉芯丝材，其特征在于：括粉芯和包裹粉芯的外皮，所述粉芯主要由以下重量百分比的原料制成：2-5％硼粉、50-55％铬粉、5-10％镍粉、2-5％铝粉、1-3％钛粉、1-3％铅粉、0.5-1.5％钼粉、余量为铁粉。
2.根据权利要求1所述的粉芯丝材，其特征在于：所述硼粉、铬粉、镍粉、铝粉、钛粉、铅粉、钼粉和铁粉的粒径为45-109μm。
3.根据权利要求1所述的粉芯丝材，其特征在于：所述粉芯丝材的直径为3-3.5mm，所述粉芯的填充率为40-45％。
4.根据权利要求1所述的粉芯丝材，其特征在于：所述外皮为钢带。
5.采用权利要求1所述的粉芯丝材在水冷壁管涂层制备中的应用，其特征在于：包括以下步骤：
(1)粉芯丝材的制备：按比例称取粉芯原料，混合后干燥，采用钢带对干燥后的粉芯原料进行包裹，经过逐级减径，获得粉芯丝材；
(2)基体的预处理：对基体进行喷砂处理后，对基体进行预热；
(3)打底：在基体表面喷涂NiCr实心丝材作为打底层；
(4)喷涂：将步骤(1)中制得的粉芯丝材作为喷涂材料，通过超音速电弧喷涂方法对预处理后的基体表面进行喷涂，制得涂层后，采用封孔剂进行封孔；
(5)后处理：对步骤(3)中制得的涂层进行热处理，于600℃条件下保温6h后随炉冷却。
6.根据权利要求5所述的粉芯丝材在水冷壁管涂层制备中的应用，其特征在于：所述步骤(1)中获得的粉芯丝材的直径为3-3.5mm。
7.根据权利要求5所述的粉芯丝材在水冷壁管涂层制备中的应用，其特征在于：所述步骤(2)中喷砂处理时采用棕刚玉颗粒作为喷砂材料。
8.根据权利要求5所述的粉芯丝材在水冷壁管涂层制备中的应用，其特征在于：所述步骤(2)中预热处理的温度为500-800℃，加热时间为30-60s。
9.根据权利要求5所述的粉芯丝材在水冷壁管涂层制备中的应用，其特征在于：所述超音速电弧喷涂的工艺参数为：所述超音速电弧喷涂的工艺参数为：喷涂电流300-360A，喷涂电压45-60V，喷涂气压0.7-1.0MPa，喷头距离工件的距离150-200mm，喷涂角度70-75度，喷枪移动速度0.18m/s。
10.根据权利要求5所述的粉芯丝材在水冷壁管涂层制备中的应用，其特征在于：采用硅酸钠封孔剂进行封孔处理。
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