CN111926280A - 一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高熵合金涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高熵合金涂层及其制备方法，所述高熵合金涂层由镍基合金、钴基合金或铝基合金中的任意一种或一种以上组合，经喷涂工艺复合于基体表面而形成。其制备方法包括表面处理、涂层制备、强化处理和研磨处理工艺。本发明利用高熵合金具备低层错能、热稳定性、抗辐照、抗腐蚀等优点，采用在传统艾萨炉不锈钢喷枪体表面制备一层或多层高熵合金层方式及喷丸强化工艺，提高喷枪强度和韧性，增强其高温抗腐蚀性能，强度与塑性兼得。本发明之涂层致密度和孔隙率可控，提高喷枪在高温1200℃及以上工况下的抗蠕变性能，减缓喷枪热腐蚀，提高喷枪高温高热腐蚀环境下的服役寿命。广泛应用于冶炼铜、铅、锗、锡矿等矿产的冶炼。
Description
技术领域
本发明属于冶金领域，尤其属于艾萨炉冶炼技术领域。具体涉及一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高熵合金涂层及其制备方法。
背景技术
艾萨熔炼法是一种熔池熔炼法，通过喷枪把富氧空气强制鼓入熔池，使溶池产生强烈搅动加快化学反应的速度，充分利用精矿中的硫、铁氧化所放出的热量进行熔炼，同时产出高品位金属。采用艾萨熔炼法可以熔炼铜精矿产出铜锍、直接熔炼硫化精铅矿生产粗铅、熔炼锡精矿生产锡，也可以处理冶炼厂的各种渣料及再生料等。艾萨法熔炼技术的广泛使用大大提高了生产效率。
艾萨炉采用衬有耐火砖的平顶圆形炉体，由炉壳、炉衬、炉底、炉墙、炉顶、喷枪、喷枪夹持架及升降装置、加料装置、上升烟道以及熔体排放出口等组成。喷枪由炉顶插入炉内，向炉中的熔融体内的渣和金属的混合物喷射气体、氧气和燃料，形成在熔池内的熔体-炉料-气体之间造成强烈的搅拌与混合，强化了热量传递、质量传递和化学反应速率，在燃料需求和生产能力方面产生较高的经济效益。炉内熔渣溅起时在喷枪上形成挂层，保护了喷枪露出熔融体部分不受强烈腐蚀环境的损坏。艾萨炉的产品金属和渣的混合物从炉底部带有冷却水套的熔体排放出口排出，进入沉淀炉，利用冰铜和渣的不同比重分离。
艾萨熔炼法的特点在于其独特的喷枪低压旋涡器设计。艾萨炉喷枪的作业压力为80千帕左右，采用单段吹风机即可提供燃烧气体，不必使用昂贵的压缩机。喷枪固定在一个滑架上，与管路连接。滑架的各种管接头分别用金属软管与车间供油、供风管道相接。喷枪头部插入渣层的深度，根据喷吹气体压力变化由计算机自动调节。浸没在渣中的喷枪往往会被铅渣腐蚀而失效，频繁的换枪操作会严重影响整个熔炼过程， 进而影响经济效益。
艾萨炉喷枪的失效主要是因为晶间腐蚀。晶间腐蚀的原因可能是金属碳化物或金属间化合物在晶界上的析出； 孔蚀的原因可能是喷枪中残余的α 相与基体中的γ 相构成两相区，形成微电池，最终导致点蚀。在条件允许的情况下， 在喷枪基体材料中加入钽、铌、钛、钒中的任一元素，它们形成的碳化物分布在晶界上，能起到强化作用。因此，艾萨炉在运行过程中，喷枪在高温环境下的热腐蚀和扩散问题一直是影响喷枪使用寿命的关键。因此，寻求一种涂层材料能够有效阻滞喷枪表面的腐蚀是解决这一问题的有效途径。
发明内容
本发明第一目的在于提供一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高熵合金涂层，以期能有效的提升不锈钢枪体的强度，降低不锈钢枪体与熔体之间的互扩散行为，进而大大提升喷枪的使用寿命。
本发明的另一目的在于提供一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高熵合金涂层的制备方法。
本发明的第一目的是这样实现的，所述艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高熵合金涂层，所述高熵合金涂层为镍基合金、钴基合金或铝基合金中的任意一种或一种以上组合，经喷涂工艺复合于基体表面制备而成。
本发明的另一目的是这样实现的，所述的艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高熵合金涂层的制备方法，包括表面处理、涂层制备、强化处理和研磨处理步骤，具体包括：
（1）表面处理：对常规304或316L不锈钢质艾萨炉冶炼喷枪用喷砂磨料进行喷砂处理；
（2）涂层制备：利用大气等离子喷涂或超音速火焰喷涂在喷枪表面制备高熵合金涂层；
（3）强化处理：对制备好的涂层进行喷丸处理；
（4）研磨处理：根据使用工况，对合金涂层的表面进行研磨处理。
本发明利用高熵合金具备低层错能、热稳定性、抗辐照、抗腐蚀等优点，采用在传统艾萨炉不锈钢喷枪体表面制备高熵合金层的方式，提高喷枪强度和韧性，同时增强其高温抗腐蚀性能。达到了高熵合金强度与塑性兼得的目的与效果。也就是说，高熵合金层既能提升合金喷枪的高温抗蠕变性能，又能显著的提高不锈钢枪体的抗氧化性能。因为常规热喷涂技术制备的涂层，涂层的内部会存在一定的空隙，这导致了涂层与熔体的扩散失效加剧，本发明采用喷丸技术，在涂层表面形成一层致密的金属层，配合后期的研磨处理，能进一步提升合金喷枪的使用时间。
本发明使得（1）喷枪的强度和韧性，与此同时提高了不锈钢喷枪的抗氧化性能；（2）能进一步延长合金枪体的使用寿命，减少了因为喷枪失效停产换枪而带来的经济损失；（3）喷涂加工过程快速方便，对喷枪相关性能的提升明显。
本发明之涂层致密度和孔隙率可控，提高喷枪在高温1200℃及以上工况下的抗蠕变性能，减缓喷枪热腐蚀，提高喷枪高温高热腐蚀环境下的服役寿命。广泛应用于冶炼铜、铅、锗、锡矿等矿产的冶炼。
附图说明
图1为本发明艾萨炉结构及喷枪状态示意图；
图2为本发明艾萨炉冶炼双层高熵合金涂层结构示意图；
图中：1~下料口；2~导料管；3~混合燃气；4~排烟气管道；5~喷枪；6~熔体；7~不锈钢基体；8~高熵合金层；9~喷丸强化层。
具体实施方式
下面将结合附图与实施例对本发明做进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明之保护范围。
如图1、图2所示，本发明所述艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高熵合金涂层，所述高熵合金涂层为镍基合金、钴基合金或铝基合金中的任意一种或一种以上组合，经喷涂工艺复合于基体表面制备而成。
所述镍基合金为NiCoCr；钴基合金为CoCrFeNi、CoCrFeNiAl、CoCrFeNiMo、CoCrFeNiMn或CoCrNiAl；铝基合金为AlxCrFeNiTi；所述0<x<5。
所述合金粉末之粒径为10~75μm。
所述高熵合金层可制备为单层或两层及以上，各层由不同成分的合金制备而成。
所述高熵合金层之单层厚度为20~500μm；两层及及以上各层厚度分别为20~100μm。
本发明所述的艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高熵合金涂层的制备方法，包括表面处理、涂层制备、强化处理和研磨处理四步骤，具体包括：
（1）表面处理：对常规304或316L不锈钢质艾萨炉冶炼喷枪用喷砂磨料进行喷砂处理；
（2）涂层制备：利用大气等离子喷涂或超音速火焰喷涂在喷枪表面制备高熵合金涂层；
（3）强化处理：对制备好的涂层进行喷丸处理；
（4）研磨处理：根据使用工况，对合金涂层的表面进行研磨处理。
所述步骤（1）中选用白刚玉砂、棕刚玉砂或金刚石砂作为喷砂磨料进行喷砂处理，砂粒粒径为0.1~1mm，喷砂压力为0.2~0.8MPa。
所述步骤（2）中等离子喷涂工艺条件：氩气流量40~60L/min；氢气流量0.5~3.0L/min；电流350~700A；电压40~60V；送粉速度50~200g/min；喷涂距离80~130mm；喷枪移动速度10~300mm/s。
所述步骤（3）中喷丸工艺条件：喷丸强度为0.3~0.6mm，总覆盖率为100%~300%。
所述步骤（4）中研磨处理工艺，表面粗糙度控制在Ra1.6~Ra25，粗糙度大小根据使用工况而决定。
实施例1
本实施例所用喷涂材料为NiCoCr高熵合金粉末，元素成分等摩尔比配制以达到高熵合金的组分要求，粉末粒径为23μm。喷涂前采用选用白刚玉砂，砂粒粒径为0.1mm，喷砂压力为0.2MPa。利用干燥的压缩空气对其表面进行洁净处理。
采用等离子喷涂制备合金涂层，喷涂参数为：氩气流量40L/min；氢气流量0.5L/min；电流350A；电压40V；送粉速度50g/min；喷涂距离100mm；喷枪移动速度50mm/s。高熵合金层，厚度为350μm。
选用0.5μm的不锈钢丸进行喷丸处理，喷丸工艺条件：喷丸强度为0.4mm，总覆盖率为100%。最后根据使用工况进行研磨处理，表面粗糙度为Ra6.3。
实施例2
本实施例所用喷涂材料为CoCrFeNiAl高熵合金粉末，元素成分等摩尔比配制以达到高熵合金的组分要求，粉末粒径为23μm。喷涂前采用选用白刚玉砂，砂粒粒径为0.5mm，喷砂压力为0.6MPa。利用干燥的压缩空气对其表面进行洁净处理。
采用等离子喷涂制备合金涂层，喷涂参数为：氩气流量40L/min；氢气流量0.6L/min；电流400A；电压40V；送粉速度150g/min；喷涂距离100mm；喷枪移动速度50mm/s。高熵合金层，厚度为300μm。
选用0.8μm的不锈钢丸进行喷丸处理，喷丸工艺条件：喷丸强度为0.3mm，总覆盖率为120%。最后根据使用工况进行研磨处理，表面粗糙度为Ra12.5。
实施例3
本实施例所用喷涂材料为CoCrFeNi高熵合金粉末，元素成分等摩尔比配制以达到高熵合金的组分要求，粉末粒径为75μm。喷涂前采用选用棕刚玉砂，砂粒粒径为1mm，喷砂压力为0.8MPa。利用干燥的压缩空气对其表面进行洁净处理。
采用等离子喷涂制备合金涂层，喷涂参数为：氩气流量60L/min；氢气流量3L/min；电流700A；电压60V；送粉速度200g/min；喷涂距离130mm；喷枪移动速度300mm/s。高熵合金层，厚度为260μm。
选用0.5μm的不锈钢丸进行喷丸处理，喷丸工艺条件：喷丸强度为0.6mm，总覆盖率为300%。最后根据使用工况进行研磨处理，表面粗糙度为Ra25。
实施例4
本实施例所用喷涂材料为CoCrFeNiMo高熵合金粉末，元素成分等摩尔比配制以达到高熵合金的组分要求，粉末粒径为33μm。喷涂前采用选用金刚石砂，砂粒粒径为0.7mm，喷砂压力为0.8MPa。利用干燥的压缩空气对其表面进行洁净处理。
采用等离子喷涂制备合金涂层，喷涂工艺条件：氩气流量50L/min；氢气流量2.4L/min；电流500A；电压50V；送粉速度120g/min；喷涂距离100mm；喷枪移动速度100mm/s。高熵合金层，厚度为200μm。
选用0.1μm的不锈钢丸进行喷丸处理，喷丸工艺条件：喷丸强度为0.5mm，总覆盖率为150%。最后根据使用工况进行研磨处理，表面粗糙度为Ra3.2。
实施例5
本实施例所用喷涂材料为CoCrFeNiMn高熵合金粉末，元素成分等摩尔比配制以达到高熵合金的组分要求，粉末粒径为65μm。喷涂前采用选用白刚玉砂，砂粒粒径为0.8mm，喷砂压力为0.75MPa。利用干燥的压缩空气对其表面进行洁净处理。
采用等离子喷涂制备合金涂层，喷涂工艺条件：氩气流量45L/min；氢气流量2.2L/min；电流600A；电压55V；送粉速度165g/min；喷涂距离120mm；喷枪移动速度230mm/s。高熵合金层，厚度为200μm。
选用0.4μm的不锈钢丸进行喷丸处理，喷丸工艺条件：喷丸强度为0.4mm，总覆盖率为200%。最后根据使用工况进行研磨处理，表面粗糙度为Ra1.6。
实施例6
本实施例所用喷涂材料为Al1.5CrFeNiTi高熵合金粉末做为第一层涂层材料，选用CoCrNiAl高熵合金粉末做为第二层涂层材料，元素成分等摩尔比配制以达到高熵合金的组分要求，粉末粒径为40μm。喷涂前采用选用棕刚玉砂，砂粒粒径为1mm，喷砂压力为0.8MPa。利用干燥的压缩空气对其表面进行洁净处理。
采用等离子喷涂制备合金涂层，喷涂参数为：氩气流量55L/min；氢气流量3L/min；电流600A；电压50V；送粉速度85g/min；喷涂距离100mm；喷枪移动速度：200mm/s。Al1.5CrFeNiTi高熵合金层的厚度为100μm，CoCrNiAl高熵合金层的厚度为80μm。
选用0.3μm的不锈钢丸进行喷丸处理，喷丸工艺条件：喷丸强度为0.5mm，总覆盖率为150%。最后根据使用工况进行研磨处理，表面粗糙度为Ra3.2。
实施例7
本实施例所用喷涂材料为NiCoCr高熵合金粉末做为第一层涂层材料，选用CoCrFeNiAl高熵合金粉末做为第二层涂层材料，选用Al0.5CrFeNiTi高熵合金粉末做为第三层涂层材料，元素成分等摩尔比配制以达到高熵合金的组分要求，粉末粒径分别为25μm，40μm，75μm。喷涂前采用选用棕刚玉砂，砂粒粒径为0.7mm，喷砂压力为0.6MPa。利用干燥的压缩空气对其表面进行洁净处理。
采用等离子喷涂制备合金涂层，喷涂参数为：氩气流量50L/min；氢气流量1.4L/min；电流550A；电压60V；送粉速度130g/min；喷涂距离120mm；喷枪移动速度：220mm/s。NiCoCr高熵合金层的厚度为95μm，CoCrFeNiAl高熵合金层的厚度为80μm，Al0.5CrFeNiTi高熵合金层的厚度为55μm。
选用1μm的不锈钢丸进行喷丸处理，喷丸工艺条件：喷丸强度为0.3mm，总覆盖率为200%。最后根据使用工况进行研磨处理，表面粗糙度为Ra25。
Claims (10)
1.一种艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高熵合金涂层，其特征在于所述高熵合金涂层由镍基合金、钴基合金或铝基合金中的任意一种或一种以上组合，经喷涂工艺复合于基体表面制备而成。
2.根据权利要求1所述的艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高熵合金涂层，其特征在于所述镍基合金为NiCoCr；钴基合金为CoCrFeNi、CoCrFeNiAl、CoCrFeNiMo、CoCrFeNiMn或CoCrNiAl；铝基合金为AlxCrFeNiTi；所述0<x<5。
3.根据权利要求1或2所述的艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高熵合金涂层，其特征在于合金粉末之粒径为10~75μm。
4.根据权利要求1所述的艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高熵合金涂层，其特征在于所述高熵合金层可制备为单层或两层及以上，各层由不同成分的合金制备而成。
5.根据权利要求1或5所述的艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高熵合金涂层，其特征在于所述高熵合金层之单层厚度为20~500μm；两层及及以上各层厚度分别为20~100μm。
6.根据权利要求1所述的艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高熵合金涂层的制备方法，包括表面处理、涂层制备、强化处理和研磨处理步骤，其特征在于具体包括：
（1）表面处理：对常规304或316L不锈钢质艾萨炉冶炼喷枪用喷砂磨料进行喷砂处理；
（2）涂层制备：利用大气等离子喷涂或超音速火焰喷涂在喷枪表面制备高熵合金涂层；
（3）强化处理：对制备好的涂层进行喷丸处理；
（4）研磨处理：根据使用工况，对合金涂层的表面进行研磨处理。
7.根据权利要求6所述的艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高熵合金涂层的制备方法，其特征在于所述步骤（1）中选用白刚玉砂、棕刚玉砂或金刚石砂作为喷砂磨料进行喷砂处理，砂粒粒径为0.1~1mm，喷砂压力为0.2~0.8MPa。
8.根据权利要求6所述的艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高熵合金涂层的制备方法，其特征在于所述步骤（2）中等离子喷涂工艺条件为：氩气流量40~60L/min；氢气流量0.5~3.0L/min；电流350~700A；电压40~60V；送粉速度50~200g/min；喷涂距离80~130mm；喷枪移动速度10~300mm/s。
9.根据权利要求6所述的艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高熵合金涂层的制备方法，其特征在于所述步骤（3）中喷丸工艺条件为：喷丸强度为0.3~0.6mm，总覆盖率为100%~300%。
10.根据权利要求6所述的艾萨炉冶炼长寿命喷枪之高熵合金涂层的制备方法，其特征在于所述步骤（4）中研磨处理工艺，表面粗糙度控制在Ra1.6~Ra25。
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