CN110699629A - 等离子喷涂耐高温冲蚀高熵非晶粉末及其涂层、涂层制备方法和应用 - Google Patents

等离子喷涂耐高温冲蚀高熵非晶粉末及其涂层、涂层制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了等离子喷涂耐高温冲蚀高熵非晶粉末及其涂层、涂层制备方法和应用，所述的高熵非晶粉末由真空感应气雾化法制得，所述粉末按原子百分比包括：Fe 20％，Co 20％，Ni 20％，Cr 20％，B 10～16％和Si 4～10％，经筛分后粉末粒度为300～400目。高熵非晶涂层制备方法的步骤为：(a)工件前处理；(b)准备高熵非晶粉末材料；(c)采用等离子喷涂工艺制备高熵非晶涂层。该高熵非晶涂层的非晶含量≥98％，孔隙率＜1％，结合强度＞50MPa，维氏硬度＞900Hv，具有优异的抗高温冲蚀性能。本发明可广泛用于电厂锅炉、石油化工管道以及烟气汽轮机叶片等关键部件的抗高温冲蚀和腐蚀防护，能显著提高机械工程装备的服役寿命。

Description

等离子喷涂耐高温冲蚀高熵非晶粉末及其涂层、涂层制备方 法和应用
技术领域
本发明属于材料表面工程领域，涉及电厂锅炉、石油化工管道以及烟气汽轮机叶片等关键部件的耐高温冲蚀与腐蚀防护的高熵非晶涂层，具体为等离子喷涂耐高温冲蚀高熵非晶粉末及其涂层、涂层制备方法和应用。
背景技术
冲蚀磨损现象广泛存在于机械、冶金、航天、能源、冶金矿山、石油化工、建筑等众多工业部口，约占各类磨损破坏总数的8％，其对工业生产造成的危害巨大，例如：空气中的尘埃和沙粒可使直升机发动机寿命降低90％；火电厂、热电厂的喷煤、排渣管道弯头的冲蚀比直通部分严重50多倍，一般大修更换期为2到3年；在冶金矿山行业领域，尾(独)矿输送的管道因长期受高强度的冲蚀磨损，平均1年到2年就需维修更换；石化企业烟气发电设备中，高温烟气夹带的破碎催化剂固体颗粒以较高的速度冲击涡轮机叶片和相关过流部件等，造成严重的冲蚀磨损，使其寿命严重缩短，需要经常停炉维修，而且有些停机故障不可预见，这不仅严重影响着设备的安全运行，而且也会造成巨大的经济损失；因此开展高温气固两相流冲蚀磨损防护以及提高其使用寿命已成为目前急需解决的技术难题之一。
为了减少冲蚀磨损带来的危害和损失，许多国家一直致力于冲蚀磨损方面的研究。一般来说，冲蚀磨损现象首先发生在材料表面处，因此材料的表面是控制冲蚀动力学的关键，表面质量决定冲蚀控制的效果。采用表面工程技术对冲蚀磨损部件的表面或局部进行强化或防护可以很好地提高关键部件的使用寿命，并可降低成本，节约能源。先进热喷涂技术是延长上述工程装备关键部件服役寿命与可靠性的有效方法，目前，关于抗高温冲蚀磨损热喷涂涂层主要以金属陶瓷和陶瓷材料为主，如TiN、WC、Cr3C2-NiCr等。然而随着人类对资源需求的不断加大，装备部件服役的环境也日趋严苛，传统的金属陶瓷涂层受限于其断裂韧性和高温热稳定性等，在高能量频繁冲击和高温的工况使役条件下很容易造成大块结构剥落，从而导致服役寿命急剧下降，已难以满足工程构件在严苛环境下的长寿命服役需求，研发面向苛刻服役条件的新型耐高温冲蚀涂层材料已迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于：为了克服现有技术的缺陷，针对传统的热喷涂金属陶瓷涂层在严苛服役环境下耐高温冲蚀性能差，结合强度低，断裂韧性低等问题，本发明提供了等离子喷涂耐高温冲蚀高熵非晶粉末及其涂层、涂层制备方法和应用，利用等离子喷涂技术制备出的高熵非晶涂层具有较高的非晶含量(≥98％)和维氏硬度(＞900Hv)，较低的孔隙率(＜1％)，该涂层可广泛应用于电厂锅炉、石油化工管道以及烟气汽轮机叶片等关键部件的高温冲蚀和腐蚀等严苛服役环境。
技术方案：等离子喷涂耐高温冲蚀高熵非晶合金粉末，按原子百分比计，所述粉末包括：Fe 20％，Co 20％，，Ni 20％，Cr 20％，B 10～16％和Si 4～10％；所述的高熵非晶粉末由真空感应气雾化法制得，经筛分后粉末粒度为300～400目。
作为本发明的一种优选，所述的耐高温冲蚀高熵非晶粉末，按原子百分比计，所述粉末包括：Fe 20％，Co 20％，，Ni 20％，Cr 20％，B 10％和Si 10％；所述的高熵非晶粉末由真空感应气雾化法制得，经筛分后粉末粒度为300～400目。
作为本发明的一种优选，所述的耐高温冲蚀高熵非晶粉末，按原子百分比计，所述粉末包括：Fe 20％，Co 20％，，Ni 20％，Cr 20％，B 12％和Si 8％；所述的高熵非晶粉末由真空感应气雾化法制得，经筛分后粉末粒度为300～400目。
作为本发明的一种优选，所述的耐高温冲蚀高熵非晶粉末，按原子百分比计，所述粉末包括：Fe 20％，Co 20％，，Ni 20％，Cr 20％，B 14％和Si 6％；所述的高熵非晶粉末由真空感应气雾化法制得，经筛分后粉末粒度为300～400目。
作为本发明的一种优选，所述的耐高温冲蚀高熵非晶粉末，按原子百分比计，所述粉末包括：Fe 20％，Co 20％，，Ni 20％，Cr 20％，B 16％和Si 4％；所述的高熵非晶粉末由真空感应气雾化法制得，经筛分后粉末粒度为300～400目。
等离子喷涂耐高温冲蚀高熵非晶合金粉末的涂层制备方法，包括如下步骤：
a)工件前处理：对待制备的工件表面进行喷砂处理，选用粒度为36目白刚玉砂作为喷砂材料，喷砂气压力为0.6MPa，工件表面经喷砂后置于丙酮溶液中采用超声波进行清洗并在温度为50℃的烘干箱中烘干，备用；
b)准备高熵非晶喷涂层材料：根据权利要求任一优选制备的等离子喷涂耐高温冲蚀的高熵非晶合金粉末材料置于50-80℃的烘箱中烘制3小时；
c)制备高熵非晶涂层：将步骤(a)中清洗烘干后待喷涂工件固定在操作台夹具上；然后将步骤(b)中烘制后的高熵非晶粉末装入送粉器中，采用大气等离子喷涂设备制备涂层，具体工艺参数为：喷涂电流500～625A，喷涂电压80V，送粉量30g/min，Ar气流量为130～140SCFH，H2流量12～15SCFH，喷涂距离100mm，喷枪移动速度1000mm/s。
作为本发明的一种优选，所述的等离子制备高熵非晶涂层性能如下：涂层非晶含量≥98％，孔隙率＜1％，结合强度＞50MPa，平均维氏硬度＞900Hv。
所述的等离子高熵非晶涂层在电厂锅炉、石油化工管道以及烟气汽轮机叶片等关键部件的高温冲蚀和腐蚀环境防护涂层中的应用。
本发明的原理在于：由于在元素周期表中，近邻的金属元素通常具有相近的原子半径和电负性，这些元素在相图上通常形成固溶体，这种性质相近的元素可以视为非晶合金中的相似元素。通过细致调节非晶合金中相似元素的比例，常常可以有效的提高非晶合金玻璃形成能力。因此，在铁基非晶合金体系中通过对铁基体元素进行部分相似元素的替代，使其成分符合高熵合金的定义，本发明结合了非晶合金的高结构熵(无序原子堆积结构)和高熵合金的高混合熵(等原子比多组元)特点，同时利用等离子喷涂快速凝固的特征，便获得高性能的高熵非晶合金涂层。
有益效果：
1)本发明通过合理设计粉末各组分的含量，采用等离子喷涂技术可在冷却的钢基体上形成致密、连续的高熵非晶涂层；
2)本发明克服了在严苛服役环境下耐高温冲蚀性能差，结合强度低，断裂韧性低等缺陷，本发明所述涂层有效实现了硬度和强韧性的匹配，最大限度的发挥了涂层的潜能：其非晶含量≥98％，孔隙率＜1％，结合强度＞50MPa，平均维氏硬度＞900Hv。
3)本发明所述涂层具有优异的耐高温冲蚀与腐蚀性能，为机械工程装备在高温冲蚀与腐蚀介质中表面防护问题的解决提供了一种行之有效的措施，应用前景广阔。
附图说明
图1是实施例1制备高熵非晶合金涂层形貌图；
图2是实施例2制备高熵非晶涂层的X射线衍射图谱；
图3是实施例3制备高熵非晶涂层硬度分布曲线图；
图4是实施例4制备高熵非晶涂层与20#钢基体高温冲蚀性能。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1：
按照粉末成分按原子百分比为：Fe 20％，Co 20％，，Ni 20％，Cr 20％，B 10％和Si 10％，称重配料。放入抽真空后并充入高纯氩气的氧化镁坩埚中，经过真空感应气雾化法制备成高熵非晶合金粉体，经筛分后获得粉末粒度为300～400目。高熵非晶涂层制备方法的步骤如下：
a)工件前处理：利用喷砂设备选用粒度为36目白刚玉砂对待制备的工件表面进行喷砂处理，喷砂气压力为0.6MPa，工件表面经喷砂后置于丙酮溶液中采用超声波进行清洗并在温度为50℃的烘干箱中烘干，备用；
b)准备高熵非晶喷涂层材料：将上述制备好的高熵非晶合金粉末材料置于50-80℃的烘箱中烘制3小时；
c)制备高熵非晶涂层：将步骤(a)中清洗烘干后待喷涂工件固定在操作台夹具上；然后将步骤(b)中烘制后的高熵非晶粉末装入送粉器中，采用大气等离子喷涂设备制备涂层，具体工艺参数为：喷涂电流500A，喷涂电压80V，送粉量30g/min，Ar气流量为130SCFH，H2流量12SCFH，喷涂距离100mm，喷枪移动速度1000mm/s。
实施例1制备高熵非晶涂层的截面形貌如图1所示。可以看出：涂层呈层状结构，其组织均匀，结构致密，经灰度法分析涂层的孔隙率为0.93％；涂层平均结合强度为54.7MPa。。
实施例2：
按照粉末成分按原子百分比为：Fe 20％，Co 20％，，Ni 20％，Cr 20％，B 12％和Si 8％，称重配料。放入抽真空后并充入高纯氩气的氧化镁坩埚中，经过真空感应气雾化法制备成高熵非晶合金粉体，经筛分后获得粉末粒度为300～400目。高熵非晶涂层制备方法的步骤如下：
a)工件前处理：利用喷砂设备选用粒度为36目白刚玉砂对待制备的工件表面进行喷砂处理，喷砂气压力为0.6MPa，工件表面经喷砂后置于丙酮溶液中采用超声波进行清洗并在温度为50℃的烘干箱中烘干，备用；
b)准备高熵非晶喷涂层材料：将上述制备好的高熵非晶合金粉末材料置于50-80℃的烘箱中烘制3小时；
c)制备高熵非晶涂层：将步骤(a)中清洗烘干后待喷涂工件固定在操作台夹具上；然后将步骤(b)中烘制后的高熵非晶粉末装入送粉器中，采用大气等离子喷涂设备制备涂层，具体工艺参数为：喷涂电流550A，喷涂电压80V，送粉量30g/min，Ar气流量为135SCFH，H2流量13SCFH，喷涂距离100mm，喷枪移动速度1000mm/s。
实施例2制备的高熵非晶涂层的X射线衍射图谱见图2。可以看出，在2θ＝43.5°处出现了一个漫散射峰，这是典型的非晶态结构的XRD图谱，说明涂层在沉积过程中形成了非晶结构。图中没有发现对应于结晶相的衍射峰，表明制备的涂层是完全非晶态结构。利用jade软件对XRD图谱进行拟合，计算得到涂层中非晶含量为98.6％(体积分数)。
实施例3：
按照粉末成分按原子百分比为：Fe 20％，Co 20％，，Ni 20％，Cr 20％，B 14％和Si 6％，称重配料。放入抽真空后并充入高纯氩气的氧化镁坩埚中，经过真空感应气雾化法制备成高熵非晶合金粉体，经筛分后获得粉末粒度为300～400目。高熵非晶涂层制备方法的步骤如下：
a)工件前处理：利用喷砂设备选用粒度为36目白刚玉砂对待制备的工件表面进行喷砂处理，喷砂气压力为0.6MPa，工件表面经喷砂后置于丙酮溶液中采用超声波进行清洗并在温度为50℃的烘干箱中烘干，备用；
b)准备高熵非晶喷涂层材料：将上述制备好的高熵非晶合金粉末材料置于50-80℃的烘箱中烘制3小时；
c)制备高熵非晶涂层：将步骤(a)中清洗烘干后待喷涂工件固定在操作台夹具上；然后将步骤(b)中烘制后的高熵非晶粉末装入送粉器中，采用大气等离子喷涂设备制备涂层，具体工艺参数为：喷涂电流600A，喷涂电压80V，送粉量30g/min，Ar气流量为140SCFH，H2流量14SCFH，喷涂距离100mm，喷枪移动速度1000mm/s。
经检测实施例3制备非晶涂层的平均结合强度为55.6MPa；孔隙率为0.8％。对实施例3制备的非晶涂层利用HVS－1000型维氏硬度计进行了显微硬度测试，结果如图3所示，可以看出涂层的显微硬度在900～1100HV。
实施例4：
按照粉末成分按原子百分比为：Fe 20％，Co 20％，，Ni 20％，Cr 20％，B 16％和Si 4％，称重配料。放入抽真空后并充入高纯氩气的氧化镁坩埚中，经过真空感应气雾化法制备成高熵非晶合金粉体，经筛分后获得粉末粒度为300～400目。高熵非晶涂层制备方法的步骤如下：
a)工件前处理：利用喷砂设备选用粒度为36目白刚玉砂对待制备的工件表面进行喷砂处理，喷砂气压力为0.6MPa，工件表面经喷砂后置于丙酮溶液中采用超声波进行清洗并在温度为50℃的烘干箱中烘干，备用；
b)准备高熵非晶喷涂层材料：将上述制备好的高熵非晶合金粉末材料置于50-80℃的烘箱中烘制3小时；
c)制备高熵非晶涂层：将步骤(a)中清洗烘干后待喷涂工件固定在操作台夹具上；然后将步骤(b)中烘制后的高熵非晶粉末装入送粉器中，采用大气等离子喷涂设备制备涂层，具体工艺参数为：喷涂电流625A，喷涂电压80V，送粉量30g/min，Ar气流量为140SCFH，H2流量15SCFH，喷涂距离100mm，喷枪移动速度1000mm/s。
实施例4制备的涂层的非晶含量为99.2％(体积分数)，平均结合强度为58.4MPa；孔隙率为0.83％；涂层的平均显微硬度为1038HV。对实施例4制备的高熵非晶涂层在180℃下，蒸汽流量7.5m3/h，送粉速率4g/min，冲蚀角度45°，冲蚀时间4min条件下进了进行了冲蚀磨损试验测试，并与20#锅炉钢基体进行了对比，如图4所示。可以看出，在相同试验条件下，高熵非晶涂层的冲蚀率明显低于20#钢基体，这说明高熵非晶涂层具有优异的抗高温冲蚀性能。

Claims (9)

1.等离子喷涂耐高温冲蚀高熵非晶合金粉末，其特征在于，按原子百分比计，所述粉末包括：Fe 20％，Co 20％，，Ni 20％，Cr 20％，B 10～16％和Si 4～10％；所述的高熵非晶合金粉末由真空感应气雾化法制得，经筛分后粉末粒度为300～400目。
2.根据权利要求1所述的等离子喷涂耐高温冲蚀高熵非晶合金粉末，其特征在于，按原子百分比计，所述粉末包括：Fe 20％，Co 20％，，Ni 20％，Cr 20％，B 10％和Si 10％；所述的高熵非晶粉末由真空感应气雾化法制得，经筛分后粉末粒度为300～400目。
3.根据权利要求1所述的等离子喷涂耐高温冲蚀高熵非晶合金粉末，其特征在于，按原子百分比计，所述粉末包括：Fe 20％，Co 20％，，Ni 20％，Cr 20％，B 12％和Si 8％；所述的高熵非晶粉末由真空感应气雾化法制得，经筛分后粉末粒度为300～400目。
4.根据权利要求1所述的等离子喷涂耐高温冲蚀高熵非晶合金粉末，其特征在于，按原子百分比计，所述粉末包括：Fe 20％，Co 20％，，Ni 20％，Cr 20％，B 14％和Si 6％；所述的高熵非晶粉末由真空感应气雾化法制得，经筛分后粉末粒度为300～400目。
5.根据权利要求1所述的等离子喷涂耐高温冲蚀高熵非晶合金粉末，其特征在于，按原子百分比计，所述粉末包括：Fe 20％，Co 20％，，Ni 20％，Cr 20％，B 16％和Si 4％；所述的高熵非晶粉末由真空感应气雾化法制得，经筛分后粉末粒度为300～400目。
6.权利要求1-5任一所述等离子喷涂耐高温冲蚀高熵非晶合金粉末的涂层制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)工件前处理：对待制备的工件表面进行喷砂处理，然后置于丙酮溶液中采用超声波进行清洗，烘干、备用；
(b)准备高熵非晶喷涂层材料：将高熵非晶合金粉末材料置于50～80℃的烘箱中烘制；
(c)制备高熵非晶涂层：将步骤(a)中清洗烘干后待喷涂工件固定在操作台夹具上；然后将步骤(b)中烘制后的高熵非晶粉末装入送粉器中，采用大气等离子喷涂设备制备涂层，具体工艺参数为：喷涂电流500～625A，喷涂电压80V，送粉量30g/min，Ar气流量为130～140SCFH，H2流量12～15SCFH，喷涂距离100mm，喷枪移动速度1000mm/s。
7.由权利要求6所述方法制备获得的高熵非晶涂层。
8.根据权利要求7所述的高熵非晶涂层，其特征在于，涂层性能如下：涂层非晶含量≥98％，孔隙率＜1％，结合强度＞50MPa，平均维氏硬度＞900Hv。
9.权利要求8所述高熵非晶涂层在电厂锅炉、石油化工管道或烟气汽轮机叶片的关键部件的高温冲蚀和腐蚀环境防护涂层中的应用。
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