CN110438436B - 一种适用于电厂水冷壁的高温耐磨防腐涂层及其制备方法 - Google Patents

一种适用于电厂水冷壁的高温耐磨防腐涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于电厂水冷壁的高温耐磨防腐涂层及其制备方法，其中高温耐磨防腐涂层的成分按质量百分比构成如下：Cr20～25wt％，Ni10～15wt％，Sn5～10wt％，B1.5～4wt％，Ti0.5～1wt％，Mn0.5～1wt％，Fe10～15wt％，Si0.2～0.5wt％，余量为铝。本发明按成分配比制备粉芯填充材料，用3003‑0铝带作为裹皮材料包裹填充粉末，经12道弯曲卷绕成粉芯棒状丝材，采用超音速电弧喷涂技术将丝材融化喷敷于水冷壁表面，与现有涂层相比，该涂层的防腐性能优异，耐磨性好，结合强度高，孔隙率可低至1％，成本低，在表面防护领域具有良好的应用前景。

Description

一种适用于电厂水冷壁的高温耐磨防腐涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于表面防护技术领域，具体地说涉及一种适用于电厂水冷壁的高温耐磨防腐涂层及其制备方法。
背景技术
火力发电是现阶段我国重要的发电形式之一，在电厂锅炉机组中，水冷壁受水和水蒸气、高温、氧化硫化等共同作用下加剧水冷壁腐蚀，管壁厚度因腐蚀减薄而破裂，严重威胁到工作者的人身安全以及国有资产的严重损耗，研发并应用一种耐腐性能良好的防护涂层对我国表面防护领域具有重要意义。
常用的水冷壁防护涂层主要采用FeAL、FeCr等，普通的涂层孔隙率约4％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。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种适用于电厂水冷壁的高温耐磨防腐涂层及其制备方法，该高温耐磨防腐涂层孔隙率在1％左右，远低于目前普遍采用的水冷壁防护涂层，耐磨性、抗热腐蚀性能、抗热震性能均较优，不仅使用寿命长，而且成本较低。
本发明适用于电厂水冷壁的高温耐磨防腐涂层，其成分按质量百分比构成如下：
Cr20～25wt％，Ni10～15wt％，Sn5～10wt％，B 1.5～4wt％，Ti0.5～1wt％，Mn0.5～1wt％，Fe 10～15wt％，Si0.2～0.5wt％，余量为铝。
非金属元素总量不超过8wt％(包括所有非金属)。
进一步优选为：
Cr25wt％，Ni15wt％，Sn8wt％，B4wt％，Ti1wt％，Mn1wt％，Fe 15wt％，Si0.4wt％，余量为Al。
本发明适用于电厂水冷壁的高温耐磨防腐涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：配料
按照配比量称取Cr、Ni、Sn、B、Ti、Mn、Fe、Si以及Al的金属粉末，各金属粉末的颗粒尺寸在50～100μm，使用混粉机搅拌均匀，随后置于50℃烘箱中干燥30min，获得混合粉料；其中，添加B元素，改变组织的致密性，添加低熔点的Sn元素，填充空隙，降低孔隙率，提高涂层的防腐性。
步骤2：卷绕成型
通过送粉机向3003-0铝带中定量送粉，通过12道卷绕工序将包裹金属混合粉料的3003-0铝带卷绕成直径为2-3mm细长棒状的粉芯丝材，粉末填充率为40～45％；
步骤3：喷涂前预处理
使用喷砂机对工件进行喷砂处理，选用棕刚玉作为喷砂材料，颗粒的粒径大小为20目，以去除工件表面的锈迹、污迹；此外，在喷涂前为增强基体与涂层间的结合强度，需将工件加热至250℃进行提前预热处理；
步骤4：打底
使用超音速电弧喷涂设备，将只含有AlNi的实芯丝材(60％Al，40％Ni)作为直流电源的两个电极，通过正负极接触短路产热使丝材融化，在气压的作用下喷敷在步骤3预处理后的基体表面，喷涂厚度为0.2-0.3mm；本步骤是第一道表面防护，同时增强涂层间的结合强度。
步骤5：喷涂
再次使用超音速电弧喷涂设备，将步骤2获得的粉芯丝材作为直流电源的两个电极，通过正负极接触短路产热使丝材融化，在气压的作用下喷敷在经步骤4打底后的基体表面，喷涂厚度为0.6-0.8mm，随后用胶状的硅酸钠封孔剂对涂层进行封孔，再经850℃火焰以1m2/s速度瞬间过热，进一步降低孔隙率；
步骤6：后处理
为了进一步降低涂层的孔隙率，于800℃下热处理6小时，随炉冷却。
本发明中，所述超音速电弧喷涂的工艺参数设置如下：
Figure BDA0002176756530000021
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明涂层成分添加低熔点的Sn元素，无污染，填充涂层间空隙，孔隙率可低至为0.54％，改善涂层的防腐性能，进而提高涂层的使用寿命。
2、本发明涂层为非晶涂层，具有优异的抗腐蚀性，较高的硬度。
3、本发明采用3003-0铝带粉芯裹皮材料且3003-0铝为3系耐腐性铝具有良好的抗腐蚀性。
4、本发明喷涂前对基体预热以及采用ALNi实芯丝材进行打底工序，实现第一道表面防护，可提高涂层的结合强度至55MPa。
5、本发明采用胶状硅酸钠封孔再进火焰850℃瞬间过热，进一步降低孔隙率。
附图说明
图1为本发明Q235基体材料宏观照片。
图2为本发明实施例2中制得涂层的截面金相组织图。从图2中可以看出，灰色区域为氧化物，黑色区域为孔隙。
图3为图2的金相组织经图像处理软件操作提取的涂层孔隙，孔隙率为0.54％。
图4为本发明实施例4中制得涂层的截面金相组织图。从图4中可以看出，灰色区域为氧化物，黑色区域为孔隙。
图5为图4的金相组织经图像处理软件操作提取的涂层孔隙，孔隙率为4.26％。
具体实施方式
本发明实施例中采用Q235作为基体材料。
实施例1：
1、配料
按照配比量称取：1.5％B、20％Cr、10％Ni、0.5％Ti、5％Sn、0.5％Mn、0.2％Si，等金属粉末，粉末粒径在50μm之间，使用混粉机对他们进行搅拌均匀，对混合后的粉芯粉末放入烘干箱在50℃下进行30分钟干燥处理；
2、卷绕成型
通过送粉机定量的向3003-0铝带中送粉，通过12道卷绕工序将包裹金属粉末的3003-0铝带卷绕成直径为2-3mm细长的粉芯丝材，填充率为45％；
3、喷涂前预处理
使用喷砂机对工件进行喷砂处理，选用棕刚玉作为喷砂材料，颗粒的粒径大小为20目，去除工件表面的锈迹、污迹，在进行喷涂前为增强基体与涂层间的结合强度，需将工件提前加热至250℃进行预热处理。
4、打底
使用超音速电弧喷涂设备，将只含有AlNi的实芯丝材(60％Al，40％Ni)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基体材料的表面，喷涂厚度为0.2mm。
5、喷涂
再次使用超音速电弧喷涂设备，将步骤2获得的粉芯丝材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步骤4打底后的基体材料的表面，喷涂厚度为0.8mm，随后用胶状的硅酸钠封孔剂对涂层进行封孔，再经850℃火焰以1m2/s速度瞬间过热，进一步降低孔隙率。
超音速电弧喷涂的工艺参数设置如下：
Figure BDA0002176756530000041
6、后处理
进一步降低涂层的孔隙率，对涂层进行6小时、800℃热处理随炉冷却。
检测：对本实施例中制备的涂层采用PS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1.0％，涂层表面显微硬度为490HV。
实施例2：
1、配料
按照配比量称取：1.5％B、25％Cr、10％Ni、0.5％Ti、8％Sn、1％Mn、0.5％Si，等金属粉末，粉末粒径在50μm之间，使用混粉机对他们进行搅拌均匀，对混合后的粉芯粉末放入烘干箱在50℃下进行30分钟干燥处理；
2、卷绕成型
通过送粉机定量的向3003-0铝带中送粉，通过12道卷绕工序将包裹金属粉末的3003-0铝带卷绕成直径为2-3mm细长的粉芯丝材，填充率为45％；
3、喷涂前预处理
使用喷砂机对工件进行喷砂处理，选用棕刚玉作为喷砂材料，颗粒的粒径大小为20目，去除工件表面的锈迹、污迹，在进行喷涂前为增强基体与涂层间的结合强度，需将工件提前加热至250℃进行预热处理。
4、打底
使用超音速电弧喷涂设备，将只含有AlNi的实芯丝材(60％Al，40％Ni)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基体材料的表面，喷涂厚度为0.2mm。
5、喷涂
再次使用超音速电弧喷涂设备，将步骤2获得的粉芯丝材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步骤4打底后的基体材料的表面，喷涂厚度为0.8mm，随后用胶状的硅酸钠封孔剂对涂层进行封孔，再经850℃火焰以1m2/s速度瞬间过热，进一步降低孔隙率；
超音速电弧喷涂的工艺参数设置如下：
Figure BDA0002176756530000051
6、后处理
进一步降低涂层的孔隙率，对涂层进行6小时、800℃热处理随炉冷却。
检测：对本实施例中制备的涂层采用PS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Sn、Cr成分增加，喷涂电流为290，制备的涂层孔隙率为0.54％，涂层表面显微硬度为530HV。
实施例3：
1、配料
按照配比量称取：1.5％B、22％Cr、10％Ni、0.5％Ti、10％Sn、1％Mn、0.5％Si，等金属粉末，粉末粒径在50μm之间，使用混粉机对他们进行搅拌均匀，对混合后的粉芯粉末放入烘干箱在50℃下进行30分钟干燥处理；
2、卷绕成型
通过送粉机定量的向3003-0铝带中送粉，通过12道卷绕工序将包裹金属粉末的3003-0铝带卷绕成为2-3mm细长的粉芯丝材，填充率为45％；
3、喷涂前预处理
使用喷砂机对工件进行喷砂处理，选用棕刚玉作为喷砂材料，颗粒的粒径大小为20目，去除工件表面的锈迹、污迹，在进行喷涂前为增强基体与涂层间的结合强度，需将工件提前加热至250℃进行预热处理。
4、打底
使用超音速电弧喷涂设备，将只含有AlNi的实芯丝材(60％Al，40％Ni)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基体材料的表面，喷涂厚度为0.2mm。
5、喷涂
再次使用超音速电弧喷涂设备，将步骤2获得的粉芯丝材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步骤4打底后的基体材料的表面，喷涂厚度为0.8mm，随后用胶状的硅酸钠封孔剂对涂层进行封孔，再经850℃火焰以1m2/s速度瞬间过热，进一步降低孔隙率；
超音速电弧喷涂的工艺参数设置如下：
Figure BDA0002176756530000061
6、后处理
进一步降低涂层的孔隙率，对涂层进行6小时、800℃热处理随炉冷却。
检测：对本实施例中制备的涂层采用PS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：与实施例而相比本实施Sn成分增加，其他成分降低，制备的涂层孔隙率为0.52％，涂层表面显微硬度下降至490HV。
实施例4：
1、配料
按照配比量称取：1.5％B、25％Cr、10％Ni、0.5％Ti、1％Mn、0.5％Si，等金属粉末，粉末粒径在50μm之间，使用混粉机对他们进行搅拌均匀，对混合后的粉芯粉末放入烘干箱在50℃下进行30分钟干燥处理；
2、卷绕成型
通过送粉机定量的向3003-0铝带中送粉，通过12道卷绕工序将包裹金属粉末的3003-0铝带卷绕成直径为2-3mm细长的粉芯丝材，填充率为45％；
3、喷涂前预处理
使用喷砂机对工件进行喷砂处理，选用棕刚玉作为喷砂材料，颗粒的粒径大小为20目，去除工件表面的锈迹、污迹，在进行喷涂前为增强基体与涂层间的结合强度，需将工件提前加热至250℃进行预热处理。
4、打底
使用超音速电弧喷涂设备，将只含有AlNi的实芯丝材(60％Al，40％Ni)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基体材料的表面，喷涂厚度为0.2mm。
5、喷涂
再次使用超音速电弧喷涂设备，将步骤2获得的粉芯丝材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步骤4打底后的基体材料的表面，喷涂厚度为0.8mm，随后用胶状的硅酸钠封孔剂对涂层进行封孔，再经850℃火焰以1m2/s速度瞬间过热，进一步降低孔隙率；
超音速电弧喷涂的工艺参数设置如下：
Figure BDA0002176756530000081
6、后处理
进一步降低涂层的孔隙率，对涂层进行6小时、800℃热处理随炉冷却。
检测：对本实施例中制备的涂层采用PS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：与实施列2相比，本实施例涂层无Sn成分，制备的涂层孔隙率为4.26％，涂层表面显微硬度为515HV。
实施例5：
1、配料
按照配比量称取：1.5％B、25％Cr、10％Ni、0.5％Ti、8％Sn、1％Mn、0.5％Si，等金属粉末，粉末粒径在50μm之间，使用混粉机对他们进行搅拌均匀，对混合后的粉芯粉末放入烘干箱在50℃下进行30分钟干燥处理；
2、卷绕成型
通过送粉机定量的向3003-0铝带中送粉，通过12道卷绕工序将包裹金属粉末的3003-0铝带卷绕成直径为2-3mm细长的粉芯丝材，填充率为45％；
3、喷涂前预处理
使用喷砂机对工件进行喷砂处理，选用棕刚玉作为喷砂材料，颗粒的粒径大小为20目，去除工件表面的锈迹、污迹，在进行喷涂前为增强基体与涂层间的结合强度，需将工件提前加热至250℃进行预热处理。
4、打底
使用超音速电弧喷涂设备，将只含有AlNi的实芯丝材(60％Al，40％Ni)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基体材料的表面，喷涂厚度为0.2mm。
5、喷涂
再次使用超音速电弧喷涂设备，将步骤2获得的粉芯丝材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步骤4打底后的基体材料的表面，喷涂厚度为0.8mm，随后用胶状的硅酸钠封孔剂对涂层进行封孔，再经850℃火焰以1m2/s速度瞬间过热，进一步降低孔隙率；
超音速电弧喷涂的工艺参数设置如下：
Figure BDA0002176756530000091
6、后处理
进一步降低涂层的孔隙率，对涂层进行6小时、800℃热处理随炉冷却。
检测：对本实施例中制备的涂层采用PS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，，喷涂电流为300A，喷涂角度为70％，制备的涂层孔隙率为0.60％，涂层表面显微硬度为520HV。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员理解和使用发明。熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可做出种种的等同的变型或替换，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明创造并不限于所述实施例，本领域的技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明的范畴所做出的等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种适用于电厂水冷壁的高温耐磨防腐涂层，其特征在于其成分按质量百分比构成如下：
Cr20～25wt％，Ni10～15wt％，Sn5～10wt％，B 1.5～4wt％，Ti0.5～1wt％，Mn0.5～1wt％，Fe 10～15wt％，Si0.2～0.5wt％，余量为铝；
所述高温耐磨防腐涂层是通过包括如下步骤的方法制备获得：
步骤1：配料
按照配比量称取Cr、Ni、Sn、B、Ti、Mn、Fe、Si以及Al的金属粉末，使用混粉机搅拌均匀，随后置于50℃烘箱中干燥30min，获得混合粉料；
步骤2：卷绕成型
通过送粉机向3003-0铝带中定量送粉，通过12道卷绕工序将包裹金属混合粉料的3003-0铝带卷绕成直径为2-3mm细长棒状的粉芯丝材；
步骤3：喷涂前预处理
使用喷砂机对工件进行喷砂处理，选用棕刚玉作为喷砂材料，颗粒的粒径大小为20目，以去除工件表面的锈迹、污迹；
步骤4：打底
使用超音速电弧喷涂设备，将只含有AlNi的实芯丝材作为直流电源的两个电极，通过正负极接触短路产热使丝材融化，在气压的作用下喷敷在步骤3预处理后的基体表面，控制喷涂厚度为0.2-0.3mm；
步骤5：喷涂
再次使用超音速电弧喷涂设备，将步骤2获得的粉芯丝材作为直流电源的两个电极，通过正负极接触短路产热使丝材融化，在气压的作用下喷敷在经步骤4打底后的基体表面，控制喷涂厚度为0.6-0.8mm，随后用胶状的硅酸钠封孔剂对涂层进行封孔，再经850℃火焰以1m2/s速度瞬间过热，进一步降低孔隙率；
步骤6：后处理
为了进一步降低涂层的孔隙率，于800℃下热处理6小时，随炉冷却。
2.根据权利要求1所述的高温耐磨防腐涂层，其特征在于：
非金属元素总量不超过8wt％。
3.根据权利要求1或2所述的高温耐磨防腐涂层，其特征在于其成分按质量百分比构成如下：
Cr 25wt％，Ni15wt％，Sn8wt％，B4wt％，Ti1wt％，Mn1wt％，Fe 15wt％，Si 0.4wt％，余量为Al。
4.根据权利要求1所述的高温耐磨防腐涂层，其特征在于：
步骤1中，各金属粉末的颗粒尺寸在50～100μm。
5.根据权利要求1所述的高温耐磨防腐涂层，其特征在于：
步骤2中，控制粉末填充率为40～45％。
6.根据权利要求1所述的高温耐磨防腐涂层，其特征在于：
步骤3中，在喷涂前为增强基体与涂层间的结合强度，需将工件加热至250℃进行提前预热处理。
7.根据权利要求1所述的高温耐磨防腐涂层，其特征在于：
所述超音速电弧喷涂的工艺参数设置如下：
Figure FDA0003015280140000021
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