CN111304579B - 一种耐生物质高温腐蚀的Ni包Al加Mo涂层材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耐生物质高温腐蚀的Ni包Al加Mo涂层材料，属于涂层材料领域。该涂层材料中各组分的重量为Ni包Al粉末（Al：19.55%，Ni余量）80‑95%，Mo 5‑20%，其步骤为：将Ni包Al粉末和Mo粉末按比例混合均匀后干燥，制得混合粉末；采用等离子喷涂技术在金属基体表面喷涂上述混合粉末；在室温下冷却得到所述的涂层材料。该涂层材料可用作生物质锅炉过热器管道耐高温涂层材料，在不改变管道机械强度的基础上，可以提高管道表面的耐生物质高温腐蚀性能，并在添加Mo元素后进一步提高了其抗高温腐蚀性能，在600℃下有KCl沉积的条件下，长期工作不易脱落。

Description

一种耐生物质高温腐蚀的Ni包Al加Mo涂层材料
技术领域
本发明涉及一种耐生物质高温腐蚀的金属热喷涂涂层，具体涉及一种耐生物质高温腐蚀的Ni-Al-Mo金属热喷涂涂层材料及其制备方法，属于热喷涂技术和表面工程领域。
背景技术
为了应对日益突出的气候变化，世界各国逐渐开始重视清洁可再生能源的开发与利用。同时，我国对绿色能源需求的日益增长，同时煤炭、石油等为主的化石能源不断消耗，已对我国的能源结构和环境问题构成严重威胁。生物质燃料是被广泛认可的可再生的、潜在可持续的、相对环境友好的清洁能源，其应用有助于缓解温室效应，并改善能源的结构，是具有广阔应用前景的能源。
然而，在生物质锅炉中，由于燃烧物质的特殊性，燃烧产物中会含有大量的碱金属氯化物，这些腐蚀物元素随着烟气的流动转移到过热器管道区域，在物理和化学的作用下沉积在管道上。这种腐蚀介质的沉积，会在过热器管道外壁产生严重的高温腐蚀，这极大降低了锅炉的使用寿命，增加运行和维护的成本。为了应对这一问题，Ni基合金被广泛应用于生物质锅炉的防护上，特别是以涂层形式保护管壁，其中Ni-Cr基涂层便是主要的涂层材料。例如，中国专利CN 108796334 A的Ni-Cr合金中，铬含量为50%以上；中国专利CN108220857 A的Ni-Cr合金中，铬含量为20%左右。以上专利涂层都以Ni-Cr合金为基础，使用超音速火焰喷涂进行制备。但是，在对Ni-Cr基涂层的广泛研究和实际使用中发现，用于保护涂层不受氯侵蚀的氧化铬，无法起到良好的长期防护作用，这是由于KCl会在高温下逐渐消耗氧化膜中的Cr。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于生物质锅炉热交换器管道的耐生物质高温腐蚀的Ni包Al加Mo涂层材料，该涂层材料是通过添加一定含量的Mo元素来改善表面形成的氧化膜，从而提高其耐高温腐蚀性能，极大延长了锅炉过热器管道的使用寿命和维修周期。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种耐生物质高温腐蚀的Ni包Al加Mo涂层材料，由如下步骤制备：
（1）将Ni包Al粉末和Mo粉末按比例混合均匀后干燥，制得混合粉末；
（2）采用等离子喷涂技术在金属基体表面喷涂上述混合粉末；
（3）在室温下冷却得到所述的涂层材料。
较佳的，以重量百分比计，混合粉末包括如下组分：Ni包Al粉末 80-95%，Mo 5-20%，其中，Ni包Al粉末中的Al含量为19.55wt%。
较佳的，Ni包Al粉末的平均直径为-75~+40μm，Mo粉末的平均直径为-74~+44μm。
较佳的，对金属基体表面进行清洁和喷砂处理。
具体的，先用无水乙醇对金属基体表面进行清洗，再采用24目的棕刚玉砂对金属基体表面进行喷砂处理。
较佳的，喷涂工艺参数为：主气流量40-43L/min，次气流量6.0-6.8L/min，电流500-520A，电压50-60V，送粉量10-20g/min，喷涂距离100-120mm，喷涂重复次数为4-6次。
相对于现有技术，本发明利用Al来代替传统的Cr来抵抗高温腐蚀，并结合Ni包Al这一特殊结构，使得粉末在热喷涂时，其内部的Al不易被氧化。并且通过添加Mo元素，在涂层表面形成相应的氧化物来保护基体，并与等离子喷涂相结合，使涂层在保有一定致密结构的基础上，又拥有少量的通道孔隙来促进Mo的扩散。
附图说明
图1为本发明实施例1中Ni包Al加Mo的XRD图谱。
图2为本发明实施例1中Ni包Al加Mo的截面SEM图。
图3为本发明实施例1在600℃下空气气氛，经历72小时有KCl沉积的截面SEM图。
图4为本发明实施例1在600℃下空气气氛，经历72小时有KCl沉积的截面SEM能谱图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明以达成预定发明目的所采取的技术手段及其技术效果，以下结合实施例和附图，对本发明提出的一种生物质燃料锅炉过热器管道的耐高温氯腐蚀Ni包Al加Mo涂层及制备方法的特征及其具体实施方式进行说明，详细说明如下。
实施例1：
（1）将Ni包Al粉末（Al：19.55wt%，Ni余量）和Mo粉末按比例混合均匀制得混合粉末；其中，按重量百分比的组成是：Ni包Al粉末95%，Mo 5%。Ni包Al粉末的平均直径为-75~+40μm，Mo粉末的平均直径为-74~+44μm。
（2）将步骤（1）中制得粉末的混合粉末烘干后，放入送粉器罐中，调节送粉器使其送粉量为13.75g/min，再以Ar气为保护气体送入等离子火焰流的中心。大气等离子喷涂的工艺参数为：主气流量40L/min，次气流量6.0L/min，电流510A，电压56V，喷涂距离110mm，喷涂重复次数为4次。最终在喷砂后的金属基体表面上，沉积厚度为180μm左右的金属涂层。最后在室温下冷却得到Ni-Al-Mo的耐生物质高温腐蚀涂层。
（3）将制备得到的Ni-Al-Mo涂层通过X射线衍射（XRD）分析物相组成。结果如图1所示，涂层中的Mo元素以单质相的形式存在，没有与喷涂粉末中的Ni和Al元素形成化合物。
（4）将制备得到的Ni-Al-Mo涂层通过扫描电镜对其截面进行观察。如图2所示，可以明显看出涂层的内部孔隙较少，与基体存在机械结合，Mo以层片状形式存在于涂层内部，同时Ni与Al的分布也较为均匀。
将通过本发明所述制备得到的耐生物质高温腐蚀涂层在600℃下在有5mg/cm2的KCl沉积的条件下腐蚀72小时。图3为涂层被腐蚀后的扫描电镜截面形貌，如图3所示腐蚀层厚度约40μm左右，涂层表面未观察到腐蚀产物的脱落。图4为相应的扫描电镜能谱结果，可以看到腐蚀产物层主要以氧化铝为主，同时还有一些氧化钼的存在。在现有技术中，采用等离子喷涂的Ni-5%Al涂层在同样的腐蚀条件下，腐蚀层的厚度达到了40μm，且涂层有明显的剥落。说明本发明所述的涂层比现有技术中的涂层在模拟生物质高温腐蚀环境中具有更加良好的耐腐蚀性能，满足了生物质锅炉过热器管道的性能要求。
实施例2：
与实施例1的不同之处在于：步骤（1）中的喷涂用粉末按重量百分比的组成是：Ni包Al粉末为90%，Mo为10%。在步骤（6）中，在600℃中有5mg/cm2的KCl沉积的条件下腐蚀72小时，腐蚀层厚度约为25μm左右，涂层表面未观察到腐蚀产物的脱落。
实施例3：
与实施例1的不同之处在于：步骤（1）中的喷涂用粉末按重量百分比的组成是：Ni包Al粉末为80%，Mo为20%。在步骤（6）中，在600℃中有5mg/cm2的KCl沉积的条件下腐蚀72小时，腐蚀层厚度约为30μm左右，涂层表面未观察到腐蚀产物的脱落。
实施例4：
与实施例1的不同之处在于：步骤（1）中的喷涂用粉末按重量百分比的组成是：Ni包Al粉末（Al：19.55wt%，Ni余量）为100%。在步骤（6）中，在600℃中有5mg/cm2的KCl沉积的条件下腐蚀72小时，腐蚀层厚度约为60μm左右，涂层表面未观察到明显的腐蚀产物脱落。
实施例5：
与实施例1的不同之处在于：步骤（1）中的喷涂用粉末按重量百分比的组成是：Ni3Al金属间化合物粉末（Al：25wt%，Ni余量）为95%，Mo为5%。在步骤（6）中，在600℃中有5mg/cm2的KCl沉积的条件下腐蚀72小时，腐蚀层厚度约为65μm左右，涂层表面未观察到腐蚀产物的脱落。
从上述实施结果可知，本发明通过使用Al元素来代替传统的Cr元素来抵抗高温腐蚀，并且通过添加Mo元素，使涂层在被腐蚀后，表面形成了六价Mo氧化膜来抵抗氯离子；另外，能在孔洞处形成不溶性的氧化钼，这显著地提高了涂层的耐生物质高温腐蚀性能。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (5)

1.一种耐生物质高温腐蚀的Ni包Al加Mo涂层材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将Ni包Al粉末和Mo粉末按比例混合均匀后干燥，制得混合粉末；
（2）采用等离子喷涂技术在金属基体表面喷涂上述混合粉末；
（3）在室温下冷却得到所述的涂层材料；
以重量百分比计，混合粉末包括如下组分：Ni包Al粉末 80-95%，Mo 5-20%，其中，Ni包Al粉末中的Al含量为19.55wt%。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，Ni包Al粉末的平均直径为-75~+40μm，Mo粉末的平均直径为-74~+44μm。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对金属基体表面进行清洁和喷砂处理。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，先用无水乙醇对金属基体表面进行清洗，再采用24目的棕刚玉砂对金属基体表面进行喷砂处理。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，喷涂工艺参数为：主气流量40-43L/min，次气流量6.0-6.8L/min，电流500-520A，电压50-60V，送粉量10-20g/min，喷涂距离100-120mm，喷涂重复次数为4-6次。
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