CN111636044A - 一种电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层及其制备方法 - Google Patents

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蒙殿武
孙文平
刘进峰
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Abstract

本发明公开一种电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层，包括以下重量百分数的原料：Cr10‑15wt％、Ni10‑15wt％、Al5‑10wt％、Al2O3‑SiO2‑B2O3‑Li2O低熔点玻璃粉5‑15wt％，其余为Fe。本发明还公开了一种电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层的制备方法，本发明通过将上述原料经过配料、卷绕成型、基体喷涂前预处理、打底、喷涂、后处理等处理工序制得电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层。本发明采用Al2O3‑SiO2‑B2O3‑Li2O低熔点玻璃粉取代现有技术的部分金属粉末，Al2O3‑SiO2‑B2O3‑Li2O低熔点玻璃粉价格低，降低了原料成本；且通过添加Al2O3‑SiO2‑B2O3‑Li2O低熔点玻璃粉，填充涂层间空隙，孔隙率可低至为0.97％，涂层的防腐性能好，同时由于Al2O3‑SiO2‑B2O3‑Li2O低熔点玻璃粉中氧化铝等硬质相的存在，使得涂层抗弯曲强度高达772.182Mpa，具有良好的力学性能。

Description

一种电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及表面防护技术领域，具体涉及一种电厂水冷壁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FeAlNi、FeCrNi等，普通的涂层孔隙率约5％到15％，在锅炉内部还原性气氛及腐蚀硫酸盐通过孔隙致使涂层由内及表同时发生腐蚀氧化现象，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。
专利CN 110438436 A公开了一种电厂水冷壁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包括Cr、Ni、Sn、B、Ti、Mn、Fe、Si和Al，该涂层的防腐性能优异，耐磨性好，结合强度高。但是该技术存在的缺陷如下：大量金属粉末的使用使得涂层的原料成本高，涂层表面硬度低，抗弯曲强度较差。
发明内容
本发明解决的技术问题之一在于提供一种原料成本低、防腐性能好、抗弯曲强度高的电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层。
本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题的：
本发明提供一种电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层，包括以下重量百分数的原料：Cr10-15wt％、Ni10-15wt％、Al5-10wt％、Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉5-15wt％，其余为Fe。
本发明采用Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉取代现有技术的部分金属粉末，Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉价格低，降低了原料成本；且通过添加Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉，填充涂层间空隙，孔隙率可低至为0.97％，涂层的防腐性能好，同时，由于Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉中氧化铝等硬质相的存在，使得涂层抗弯曲强度高达772.182Mpa，具有良好的力学性能。
优选地，所述Cr、Ni、Al、Fe各金属粉末的粒径为20-50μm。
优选地，所述Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉的颗粒粒径为20-50μm。
本发明所要解决的技术问题之二在于提供一种电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按照配比量称取Cr、Ni、Al、Fe等金属粉末以及低熔点玻璃粉，置于混粉机中，搅拌均匀后置于60-100℃烘箱中干燥20-30min，获得混合粉料；
(2)卷绕成型：通过送粉机向304不锈钢带中定量送粉，通过12道卷绕工序将包裹金属混合粉料的04不锈钢带卷绕成直径为2-3mm细长棒状的粉芯丝材；
(3)基体喷涂前预处理：对基体进行加热处理后再使用喷砂机对基体进行喷砂处理，选用棕刚玉作为喷砂材料，喷砂材料的颗粒的粒径为20目，以去除基体表面的锈迹、污迹；
(4)打底：使用超音速电弧喷涂设备，将含有NiCr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；
(5)喷涂：再次使用超音速电弧喷涂设备，将步骤(2)中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，随后用胶状的硅酸钠封孔剂对涂层进行封孔；
(6)后处理：将步骤(5)中喷涂上涂层的基体以1-1.5m2/s的速度在650-800℃的火焰上来回过热5-6h，并随炉冷却。
本发明在对基体进行喷砂处理前，将基体进行加热预处理，使得基体与涂层间的结合强度增强。
本发明的打底步骤为第一道表面防护，同时增强涂层间的结合强度。
本发明用胶状的硅酸钠封孔剂对涂层进行封孔，再经650-800℃火焰以1-1.5m2/s速度瞬间过热，进一步降低孔隙率。
进一步地，所述步骤(2)中控制粉末填充率为45-50％。
进一步地，所述步骤(3)中基体加热处理的温度为300-650℃。
进一步地，所述步骤(4)中控制喷涂厚度为0.1-0.3mm。
进一步地，所述步骤(4)中NiCr实芯丝材中Ni含量为55％，Cr含量为45％。
进一步地，所述步骤(5)中控制喷涂厚度为0.6-0.8mm。
进一步地，所述步骤(4)和步骤(5)中超音速电弧喷涂工艺参数设置如下：
Figure BDA0002513377900000031
Figure BDA0002513377900000041
本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉取代现有技术的部分金属粉末，Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉价格低，降低了原料成本；且通过添加Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉，填充涂层间空隙，孔隙率可低至为0.97％，涂层的防腐性能好，同时由于Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉中氧化铝等硬质相的存在，使得涂层抗弯曲强度高达772.182Mpa，具有良好的力学性能。
(2)本发明在对基体进行喷砂处理前，将基体进行加热预处理，使得基体与涂层间的结合强度增强。
(3)本发明的打底步骤为第一道表面防护，同时增强涂层间的结合强度。
附图说明
图1为本发明实施例1中制得涂层的截面金相组织图，其中灰色区域为氧化物，黑色区域为孔隙；
图2为图1的金相组织经图像处理软件操作提取的涂层孔隙。
图3为本发明实施例3中制得涂层的截面金相组织图，其中灰色区域为氧化物，黑色区域为孔隙；
图4为图3的金相组织经图像处理软件操作提取的涂层孔隙。
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。
本发明实施例中采用Q235作为基体材料。
实施例1
一种电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层，包括以下重量百分数的原料：Cr14wt％、Ni13wt％、Al10wt％、Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉10wt％和Fe53 wt％。
Cr、Ni、Al、Fe各金属粉末的粒径为20μm。
Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉粒径均为20μm。
该实施例的水性金属漆的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：将上述重量百分比的Cr、Ni、Al、Fe，以及Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉置于混粉机中进行搅拌，搅拌均匀后置于60℃烘箱中干燥处理20min，获得混合粉料；
(2)卷绕成型：通过送粉机定量的向304不锈钢带中送粉，通过12道卷绕工序将包裹金属粉末的304不锈钢卷绕成直径为2mm细长的粉芯丝材，填充率为50％；
(3)基体喷涂前预处理：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300℃进行预热处理，从而与喷涂涂层温度差值较小，使得二者结合强度提高；
(4)打底：使用超音速电弧喷涂设备，将含有NiCr的实芯丝材(Ni含量为55％，Cr含量为45％)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0.1mm。
(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；
步骤(4)和步骤(5)中超音速电弧喷涂的工艺参数设置如下：
Figure BDA0002513377900000061
(6)后处理：将步骤(5)中喷涂上涂层的基体以1m2/s的速度在650℃的火焰上来回过热6h，并随炉冷却。
实施例2：
一种电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层，包括以下重量百分数的原料：Cr14wt％，Ni13wt％、Al10wt％、Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉5wt％和Fe58 wt％。
Cr、Ni、Al、Fe各金属粉末的粒径为30μm。
Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉粒径均为30μm。
该实施例的水性金属漆的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：将上述重量百分比的Cr、Ni、Al、Fe，以及Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉置于混粉机中进行搅拌，搅拌均匀后置于70℃烘箱中干燥处理25min，获得混合粉末；
(2)卷绕成型：通过送粉机定量的向304不锈钢带中送粉，通过12道卷绕工序将包裹金属粉末的304不锈钢卷绕成直径为3mm细长的粉芯丝材，填充率为50％；
(3)基体喷涂前预处理：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400℃进行预热处理，从而与喷涂涂层温度差值较小，使得二者结合强度提高。
(4)打底：使用超音速电弧喷涂设备，将含有NiCr的实芯丝材(Ni含量为55％，Cr含量为45％)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0.6mm，随后用胶状的硅酸钠封孔剂对涂层进行封孔；
步骤(4)和步骤(5)中超音速电弧喷涂的工艺参数设置如下：
Figure BDA0002513377900000071
(6)后处理：将步骤(5)中喷涂上涂层的基体以1.5m2/s的速度在700℃的火焰上来回过热5h，并随炉冷却。
实施例3：
一种电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层，包括以下重量百分数的原料：Cr14wt％、Ni13wt％、Al15wt％、Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉10wt％和Fe48 wt％。
Cr、Ni、Al、Fe各金属粉末的粒径为25μm。
Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉粒径均为25μm。
该实施例的水性金属漆的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：将上述重量百分比的Cr、Ni、Al、Fe，以及Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉置于混粉机中进行搅拌，搅拌均匀后置于80℃烘箱中干燥处理25min，获得混合粉料；
(2)卷绕成型：通过送粉机定量的向304不锈钢带中送粉，通过12道卷绕工序将包裹金属粉末的304不锈钢卷绕成直径为2mm细长的粉芯丝材，填充率为45％；
(3)基体喷涂前预处理：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500℃进行预热处理，从而与喷涂涂层温度差值较小，使得二者结合强度提高；
(4)打底：使用超音速电弧喷涂设备，将含有NiCr的实芯丝材(Ni含量为55％，Cr含量为45％)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0.3mm。
(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0.7mm，随后用胶状的硅酸钠封孔剂对涂层进行封孔；
步骤(4)和步骤(5)中超音速电弧喷涂的工艺参数设置如下：
Figure BDA0002513377900000081
Figure BDA0002513377900000091
(6)后处理：将步骤(5)中喷涂上涂层的基体以1m2/s的速度在650℃的火焰上来回过热5.5h，并随炉冷却。
实施例4：
一种电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层，包括以下重量百分数的原料：Cr14wt％、Ni13wt％、Al15wt％、Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉15wt％和Fe43 wt％。
Cr、Ni、Al、Fe各金属粉末的粒径为40μm。
Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉粒径均为40μm。
该实施例的水性金属漆的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：将上述重量百分比的Cr、Ni、Al、Fe，以及Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉置于混粉机中进行搅拌，搅拌均匀后置于100℃烘箱中干燥处理20min，获得混合粉料；
(2)卷绕成型：通过送粉机定量的向304不锈钢带中送粉，通过12道卷绕工序将包裹金属粉末的304不锈钢卷绕成直径为3mm细长的粉芯丝材，填充率为50％；
(3)基体喷涂前预处理：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600℃进行预热处理，从而与喷涂涂层温度差值较小，使得二者结合强度提高；
(4)打底：使用超音速电弧喷涂设备，将含有NiCr的实芯丝材(Ni含量为55％，Cr含量为45％)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0.3mm。
(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0.6mm，随后用胶状的硅酸钠封孔剂对涂层进行封孔；
步骤(4)和步骤(5)中超音速电弧喷涂的工艺参数设置如下：
Figure BDA0002513377900000101
(6)后处理：将步骤(5)中喷涂上涂层的基体以1.5m2/s的速度在800℃的火焰上来回过热6h，并随炉冷却。
实施例5：
一种电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层，包括以下重量百分数的原料：Cr10wt％、Ni10wt％、Al15wt％、Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉15wt％和Fe50 wt％。
Cr、Ni、Al、Fe各金属粉末的粒径为20μm。
Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉粒径均为20μm。
该实施例的水性金属漆的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：将上述重量百分比的Cr、Ni、Al、Fe，以及Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉置于混粉机中进行搅拌，搅拌均匀后置于60℃烘箱中干燥处理20min，获得混合粉料；
(2)卷绕成型：通过送粉机定量的向304不锈钢带中送粉，通过12道卷绕工序将包裹金属粉末的304不锈钢卷绕成直径为2mm细长的粉芯丝材，填充率为50％；
(3)基体喷涂前预处理：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500℃进行预热处理，从而与喷涂涂层温度差值较小，使得二者结合强度提高；
(4)打底：使用超音速电弧喷涂设备，将含有NiCr的实芯丝材(Ni含量为55％，Cr含量为45％)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0.7mm，随后用胶状的硅酸钠封孔剂对涂层进行封孔；
步骤(4)和步骤(5)中超音速电弧喷涂的工艺参数设置如下：
Figure BDA0002513377900000111
(6)后处理：将步骤(5)中喷涂上涂层的基体以1m2/s的速度在800℃的火焰上来回过热5h，并随炉冷却。
实施例6
本实施例对上述实施例1-5制备的涂层进行性能检测试验：对本实施例中制备的涂层采用PS图像法计算孔隙率，采用万能试验机进行力学性能测试，使用摩尔比为7:3的硫酸钠与硫酸钾的饱和水溶液对涂层进行表面涂抹，在650℃下进行36h的腐蚀试验，计算进过腐蚀实验后涂层的增重量，检测结果如表1所示。
抗弯曲强度按照YB/T 5349-2006(金属弯曲力学性能试验方法)进行检测。
表1为实施例1-5制备的涂层的性能检测结果
Figure BDA0002513377900000121
从表1可以看出，本发明采用Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉取代现有技术的部分金属粉末，Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉价格低，降低了原料成本；且通过添加Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉，填充涂层间空隙，本发明的实施例3制备的涂层的孔隙率低至0.97％，腐蚀实验结果为腐蚀增重量4.2mg/cm2，结果表明本发明的涂层的防腐性能好，同时由于Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉中氧化铝等硬质相的存在，使得本发明的涂层抗弯曲强度高达772.182Mpa，具有良好的力学性能。
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)

1.一种电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层，其特征在于，包括以下重量百分数的原料：Cr10-15wt％、Ni10-15wt％、Al5-10wt％、Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉5-15wt％，其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层，其特征在于：所述Cr、Ni、Al、Fe各金属粉末的粒径为20-50μm。
3.根据权利要求1所述的一种电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层，其特征在于：所述Al2O3-SiO2-B2O3-Li2O低熔点玻璃粉的颗粒粒径为20-50μm。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配料：按照配比量称取Cr、Ni、Al、Fe等金属粉末以及低熔点玻璃粉，置于混粉机中，搅拌均匀后置于60-100℃烘箱中干燥20-30min，获得混合粉料；
(2)卷绕成型：通过送粉机向304不锈钢带中定量送粉，通过12道卷绕工序将包裹金属混合粉料的04不锈钢带卷绕成直径为2-3mm细长棒状的粉芯丝材；
(3)基体喷涂前预处理：对基体进行加热处理后再使用喷砂机对基体进行喷砂处理，选用棕刚玉作为喷砂材料，喷砂材料的颗粒的粒径为20目，以去除基体表面的锈迹、污迹；
(4)打底：使用超音速电弧喷涂设备，将含有NiCr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；
(5)喷涂：再次使用超音速电弧喷涂设备，将步骤(2)中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，随后用胶状的硅酸钠封孔剂对涂层进行封孔；
(6)后处理：将步骤(5)中喷涂上涂层的基体以1-1.5m2/s的速度在650-800℃的火焰上来回过热5-6h，并随炉冷却。
5.根据权利要求4所述的一种制备电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层的方法，其特征在于：所述步骤(2)中控制粉末填充率为45-50％。
6.根据权利要求4所述的一种制备电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层的方法，其特征在于：所述步骤(3)中基体加热处理的温度为300-650℃。
7.根据权利要求4所述的一种制备电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层的方法，其特征在于：所述步骤(4)中控制喷涂厚度为0.1-0.3mm。
8.根据权利要求4所述的一种制备电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层的方法，其特征在于：所述步骤(4)中NiCr实芯丝材中Ni含量为55％，Cr含量为45％。
9.根据权利要求4所述的一种制备电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层的方法，其特征在于：所述步骤(5)中控制喷涂厚度为0.6-0.8mm。
10.根据权利要求4所述的一种制备电厂水冷壁高温耐磨防腐涂层的方法，其特征在于：
所述步骤(4)和步骤(5)中超音速电弧喷涂工艺参数设置如下：
Figure FDA0002513377890000021
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