CN112725717A - 采用双喷双熔法制备金属陶瓷复合涂层的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了采用双喷双熔法制备金属陶瓷复合涂层的工艺，用于锅炉四管的管道中，具体步骤为：喷砂粗化处理、火焰喷涂制备镍基自熔合金底层、对镍基自熔合金底层进行高频重熔、超音速等离子喷涂制备金属陶瓷面层、对金属陶瓷面层进行高频重熔；本发明在原复合涂层制备的基础上又增加了一道高频“再熔”工序，“再熔”和“重熔”的区别是根据面层材料的特点，通过调节高频感应线圈的电参数，既对金属陶瓷中的陶瓷实现退火，同时又对金属陶瓷中的金属实现重熔的双重效果，从而达到提高金属陶瓷面层综合性能的目的。

Description

采用双喷双熔法制备金属陶瓷复合涂层的工艺
技术领域
本发明属于涂层制备技术领域，具体涉及一种应用在锅炉四管中，采用双喷双熔方法制备耐高温、防腐的金属陶瓷复合涂层的工艺。
背景技术
随着国民经济的高速发展，对电力能源迫切需求，进而促进了我国垃圾焚烧发电产业的快速发展。目前制约垃圾焚烧发电的技术发展的瓶颈问题便是锅炉四管(水冷壁、过热器、再热器、省煤器)的受热面，由于高温腐蚀严重，爆管现象频繁发生。特别是应用越来越多的高参数锅炉，再热器管和过热器管烟气侧工作温度在800℃以上，极易发生管壁的剧烈腐蚀。
目前，美国等少数发达国家通过使用高档不锈钢加厚管材的方式，以延长锅炉四管的使用寿命，但该工艺价格昂贵，不符合我国国情，仅少数重要的热力锅炉采用。国内普遍的做法是通过在合金钢锅炉管受热面，堆焊inconel625合金来提高其耐腐蚀性，延长使用寿命。inconel625合金的最大问题是温度到达450℃将出现敏化现象，即只要超过此温度，该材料的耐腐蚀性能开始下降，一旦使用温度超过700℃，其实际服役寿命只有设计寿命的50％。
近年来，江苏科环新材料有限公司在国内率先采用火焰喷涂自熔合金+高频感应重熔的复合方法在管排表面制备涂层，虽然性能明显优于堆焊，但耐温仍低于750℃。为了进一步解决锅炉四管受热面表面在超高温腐蚀方面的防护问题，江苏科环新材料有限公司进一步利用高频重熔与超音速等离子喷涂一体化技术制备金属陶瓷复合涂层。基本原理是利用高频感应重熔过程中的宽频热区效应，即在管排刚移出高频线圈重熔区后但仍处于红热状态下，采用超音速等离子喷枪在重熔后的底层(厚约0.5mm)之上，喷涂NiCr-Cr3C2金属陶瓷制备面层(厚约0.2mm)。由于重熔高温底层软化效应与超音速等离子喷涂的“钉扎”效应，可使金属陶瓷面层与底层界面间的材料相互扩散，从而可提高金属陶瓷面层与底层间的结合强度，使得高参数锅炉的防护寿命从3-5年提高到6年以上，但距离一些发达国家(8-10年)仍有一定的差距。其主要原因如下：(1)金属陶瓷材料脆性较大，高温下易产生热裂纹；(2)由于面层金属陶瓷粒子在重熔与喷涂双重热应力的作用，冷却收缩使金属陶瓷涂层与底层结合界面形成较大的残余拉应力，再加上金属陶瓷材料本身较脆，因而在服役过程中，在高温烟气烘烤下、残余拉应力和热应力的共同作用下极易产生微裂纹，腐蚀气体渗入很快扩展为宏观裂纹，造成面层脱落以致防护失效。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提出一种采用双喷双熔法制备金属陶瓷复合涂层的工艺，在复合涂层制备完成之后，让管道再从高频感应线圈内通过加热一次，也可称为在原复合涂层制备的基础上又增加了一道高频“再熔”工序，“再熔”和“重熔”的区别是根据面层材料的特点，通过调节高频感应线圈的电参数，既对金属陶瓷中的陶瓷实现退火，同时又对金属陶瓷中的金属实现重熔的双重效果，从而达到提高金属陶瓷面层综合性能的目的。
本发明提出的技术方案如下：
采用双喷双熔法制备金属陶瓷复合涂层的工艺，用于锅炉四管的管道中，包括以下步骤：
(1)对管道表面进行喷砂粗化处理；
(2)采用火焰喷涂的方式在管道受热面制备镍基自熔合金底层；
(3)启动高频感应设备，同时管道向前开始相对高频线圈做进给运动，对镍基自熔合金底层进行高频重熔；
(4)管道从高频线圈中间加热退出后，仍处于红热状态，采用超音速等离子喷枪在重熔后的底层上喷涂制备金属陶瓷面层；
(5)管道向后开始高频线圈做反向进给运动，对金属陶瓷面层进行高频重熔，直至管道全部通过线圈完成再熔工序；再熔工艺为：高频感应线圈电流250～400A、电流频率10～18kHz、感应再熔时间5～10s、管道表面到感应线圈距离4～6mm、再熔温度1000～1200℃。
优选地，步骤(3)中的重熔工艺为：高频感应线圈电流200～300A、电流频率8～15kHz、感应重熔时间10～20s、管道表面到感应线圈距离4～6mm、再熔温度950～1050℃。
优选地，步骤(4)中的金属陶瓷面层由以下质量分数的物质组成：Cr3C260～70％、NiCr 30～40％，B和Si2～4％。
优选地，金属陶瓷面层的厚度小于0.2mm。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
(1)本发明增加了一道高频“再熔”工序，首先是通过加热可释放涂层的内应力起到退火作用，有效降低金属陶瓷NiCr-Cr3C2面层的脆性，从而提高面层的塑性和韧性，使其不易开裂和脱落；其次可均匀NiCr的化学成分及组织，细化晶粒，使面层的疲劳强度提高，从而在服役过程中受到锅炉内长期高温烘烤的恶劣工况下，不易产生热裂纹；此外，还可减小或消除结合界面之间的残余拉应力，提高结合强度，以防涂层脱落。
(2)常规的金属陶瓷皆由NiCr和Cr3C2组成，其熔点在1500℃以上，本发明在金属陶瓷配方里添加了少量B、Si(质量分数2％～4％)元素，B、Si的氧化物可以形成低熔点的硼硅酸盐共晶体，显著降低合金熔点，扩大固液相线温度区，形成低熔共晶体；使得金属陶瓷熔点范围下降至1000℃～1200℃，有效地降低了生产成本和操作难度。
具体实施方式
现结合具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明公开了采用双喷双熔法制备金属陶瓷复合涂层的工艺，用于锅炉四管的管道中，包括以下步骤：
(1)采用自动喷砂机对管道表面进行喷砂粗化处理；
(2)采用火焰喷涂的方式在管道受热面制备镍基自熔合金底层；
(3)启动高频感应设备，同时管道向前开始相对高频线圈做进给运动，对镍基自熔合金底层进行高频重熔。重熔工艺参数：高频感应线圈电流200～300A、电流频率8～15kHz、感应重熔时间10～20s、管道表面到感应线圈距离4～6mm、再熔温度950～1050℃；
(4)管道从高频线圈中间加热退出后，仍处于红热状态，采用超音速等离子喷枪在重熔后的底层上喷涂制备金属陶瓷面层，其中，金属陶瓷面层由以下质量分数的物质组成：Cr3C2 60～70％、NiCr 30～40％，B和Si 2～4％；金属陶瓷面层的厚度小于0.2mm；
(5)高频感应设备由程序控制自动变换电参数，管道向后开始高频线圈做反向进给运动，对金属陶瓷面层进行高频重熔，直至管道全部通过线圈完成再熔工序；再熔工艺为：高频感应线圈电流250～400A、电流频率10～18kHz、感应再熔时间5～10s、管道表面到感应线圈距离4～6mm、再熔温度1000～1200℃。
将未经经过再熔工序和经过再熔工序的两组试件经过检测比较后发现，再熔后复合涂层的结合强度提高约18％，孔隙率降低约11％；技术效果显著。
本发明中的复合涂层的制备工艺主要包括两道工序，即火焰喷涂-感应重熔+等离子喷涂-感应再熔，简称为“双喷双熔”工艺。在实际操作时，要让管道在火焰喷涂后再从高频感应线圈通过往、返两个行程。第一个行程是实现重熔与等离子喷涂复合制备面层，第二个返回行程是对面层进行高频感应再熔。从工艺的可操作性来说，该技术不需新增任何装备，就可使复合涂层性能得以有效提升，简单方便易实现。
上述往返的两个行程中的高频感应线圈的操作参数完全可通过程序实现自动控制，两个行程的电参数不同，通过改变电参数，使第一个行程“重熔”温度范围为950～1050℃，加热时间以镍基自熔合金组织完成重熔为准，也就是肉眼可见到涂层表面出现亮面为准，本发明中推荐时间为10～20s，但加热时间的控制是通过控制管道进给速度实现的，本领域技术人员亦可以根据实际情况，进行调整；第二个行程“再熔”温度范围为1000～1200℃，本发明中推荐时间为5～10s，但本领域技术人员亦可以以孔隙率和结合强度等指标有明显改善为原则进行适当的调整。通过高频感应，利用在涂层中产生的感应电流(涡流)来加热和熔化涂层，涂层材料熔化后重新结晶，通过电流控制温度，达到使晶粒细小、气孔率降低、结合强度提高的技术效果。
在本发明“再熔”这道工序中，对金属陶瓷NiCr-Cr3C2中的Cr3C2(质量分数60～70％)陶瓷材料来说，由于其熔点较高，无法熔融，仅能起到退火、释放内应力的作用；而对合金材料NiCr(质量分数30～40％)来说则能起到重熔的作用；NiCr的原始功能是用来充当陶瓷与底层之间粘接剂，由于本发明在金属陶瓷配方里也加了少量B、Si(质量分数2～4％)元素，使得金属陶瓷熔点范围由1500℃以上降低到1000～1200℃。
由于高频感应线圈的“趋肤”效应，从理论上说，感应线圈中的磁场强度随着管表面距离的线圈以指数曲线下降，即越接近表面加热温度越高，涂层厚度0.2mm以下温度就下降很多，再加上时间较短，所以基本不会对已完成重熔的底层镍基自熔合金材料产生影响。

Claims (4)

1.采用双喷双熔法制备金属陶瓷复合涂层的工艺，用于锅炉四管的管道中，其特征在于包括以下步骤：
(1)对管道表面进行喷砂粗化处理；
(2)采用火焰喷涂的方式在管道受热面制备镍基自熔合金底层；
(3)启动高频感应设备，同时管道向前开始相对高频线圈做进给运动，对镍基自熔合金底层进行高频重熔；
(4)管道从高频线圈中间加热退出后，仍处于红热状态，采用超音速等离子喷枪在重熔后的底层上喷涂制备金属陶瓷面层；
(5)管道向后开始高频线圈做反向进给运动，对金属陶瓷面层进行高频重熔，直至管道全部通过线圈完成再熔工序；再熔工艺为：高频感应线圈电流250～400A、电流频率10～18kHz、感应再熔时间5～10s、管道表面到感应线圈距离4～6mm、再熔温度1000～1200℃。
2.根据权利要求1所述的采用双喷双熔法制备金属陶瓷复合涂层的工艺，其特征在于步骤(3)中的重熔工艺为：高频感应线圈电流200～300A、电流频率8～15kHz、感应重熔时间10～20s、管道表面到感应线圈距离4～6mm、再熔温度950～1050℃。
3.根据权利要求1所述的采用双喷双熔法制备金属陶瓷复合涂层的工艺，其特征在于步骤(4)中的金属陶瓷面层由以下质量分数的物质组成：Cr3C260～70％、NiCr 30～40％，B和Si 2～4％。
4.根据权利要求1所述的采用双喷双熔法制备金属陶瓷复合涂层的工艺，其特征在于：金属陶瓷面层的厚度小于0.2mm。
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