CN112894196A - 一种金属陶瓷复合型型电弧喷涂药芯焊丝 - Google Patents

一种金属陶瓷复合型型电弧喷涂药芯焊丝 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种金属陶瓷复合型型电弧喷涂药芯焊丝，本发明中的电弧喷涂药芯丝是用金属或合金作粘结相，用陶瓷颗粒作强化硬质相制成的金属陶瓷丝材，本发明有机地将金属的强韧性、导电导热等特性与陶瓷材料的高硬度、高化学稳定性等特性结合起来，充分发挥两大工程材料的综合优势；同时，由于金属组分的加入，使金属陶瓷涂层与基体材料的结合强度增加，涂层的陶瓷颗粒之间的粘聚强度增大，涂层气孔率降低，致密性提高，从而使涂层具有比纯陶瓷涂层更好的力学性能，能够有针对性地适应电站锅炉，尤其是循环流化床锅炉高。

Description

一种金属陶瓷复合型型电弧喷涂药芯焊丝
原案申请号：2018112470627
原案申请日：2018年10月24日
原案申请人：东莞理工学院
原案申请名称：一种金属陶瓷型型电弧喷涂药芯焊丝。
技术领域
本发明涉及一种金属陶瓷复合型型电弧喷涂药芯焊丝，特别涉及一种锅炉管道用电弧喷涂药芯焊丝。
背景技术
电弧喷涂技术由瑞士人在上世纪20年代首创，起初主要用于装饰业，后来日本人和德国人相继发明了交流电源和直流电源的喷涂设备，使电弧喷涂在设备的旧件修复以及钢铁结构的防腐上得到了实际应用；由于药芯焊丝拔丝容易，制作过程简单，且成分易于调节，在金属陶瓷涂层的制备上更是具有独特的优势，大大促进了电弧喷涂技术的发展及应用。
火力发电厂的运行统计资料表明，锅炉事故占全部火力发电事故的56％，而水冷壁管、过热器管、预热器管和省煤气管等管道因高温氧化、腐蚀、磨损而造成的爆管事故更占到锅炉事故的64％，因此研究如何提高锅炉管道的使用寿命，减少停炉维修具有巨大的经济和社会效益。
锅炉管道在使用过程中，其表面受到含S、SO2等耐磨蚀性气体的高温氧化和腐蚀；受到含煤燃烧颗粒的冲蚀；受到融熔态炉渣的粘着与磨损，尤其是燃烧劣质煤的流华床锅炉损坏尤为严重；而锅炉水冷壁是利用燃气的高温将水蒸发成高压蒸汽的关键部件，它除了要求耐高温燃气的氧化、腐蚀和磨损外，还要求有良好的热交换率；预热器管、过热器管的工作温度更高，燃气流速更大，因而对管道高温冲蚀磨损更厉害。
为适应恶劣和工况条件及设备的运行性能就要求超音速电弧喷涂涂层具有以下特点：涂层的致密性好，空隙率小于1％；结合强度高，涂层与锅炉管道基体的结合强度大于40Mpa；涂层硬度高，涂层硬度HRC大于60，在850℃下具有优异的抗高温磨损性能；涂层耐蚀性好，在850℃高温腐蚀气体中(HC14ml/L+SO20.5ml/L)耐腐蚀性能优异；但是，现有的金属陶瓷型电弧喷涂药芯焊丝不具备上述优良的性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的缺陷，提供一种致密性好、强度高、硬度高、耐腐蚀性能好的金属陶瓷行电弧喷涂药芯焊丝。
本发明针对火力发电厂高温管路发展需求可发出了满足高温管路性能需求的药芯焊丝。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术特征：
金属陶瓷型电弧喷涂药芯焊丝，包括金属陶瓷型药粉以及外皮，，其特征在于，按外皮的重量百分比为：C：0.7-0.8％，Mn：0.8-1.2％，Si：0.4-0.8％，Cr：12-14％，Mo：0.8-1％，Nb：0.8-1％，Al：0.4-0.8％，B：0.8-2％，余量为Fe；药粉按焊丝重量百分比为：TiC：25-34％，Cr3C2：23-32％，Al2O3：7-10％，硼化物：5-8％，NiCrAl：2-3％，Y2O3：0.1-5％，硅酸钾：1-4％。
进一步地，其药粉含量为：TiC：25-30％，Cr3C2：25-32％，Al2O3：8-10％，硼化物：5-6％，NiCrAl：2-3％，Y2O3：0.1-5％，硅酸钾：1-3％。
进一步地，其药粉含量为：TiC：25-34％，Cr3C2：25-32％，Al2O3：9-10％，硼化物：6％，NiCrAl：2-3％，Y2O3：0.1-5％，硅酸钾：1-4％。
在本发明中，TiC采用液相沉积法、烧结、团聚或包覆的方法，使碳化物颗粒被金属Ni包裹起来，其含量为13％Ni+87％TiC。
Cr3C2为在耐热耐腐蚀的NiCr合金奥氏体基相上弥散分布Cr3C2粒子硬质相，其具体含量为25％NiCr+75％Cr3C2。
Al2O3是以A12O3颗粒作芯核，用Ni作包裹层金属，采用加氢还原液相沉积方法制作包覆型复合粉末的形式加入。
要提高涂层的耐磨性，需要添加一些强碳化物形成元素，在涂层中形成碳化物提高涂层的耐磨性；常用的强碳化物形成元素主要是铌、钛；铌与碳形成的碳化物的硬度高于钒的碳化物，而钛元素在焊接过程中的过度系数低，在雾化颗粒过程中容易烧损与挥发，在药芯焊丝中加入铌元素还可以提高涂层的耐腐蚀性，因此，在药芯焊丝材料选择时选用的强碳化物形成元素为铌(Nb)。
钼元素在焊接过程中不易被氧化、过度系数高，因此在电弧喷涂过程中，钼在雾化颗粒中不容易被氧化，可以有效沉积在涂层上，提高涂层的强度与硬度，而且钼元素形成碳化物的能力较Cr、w强，因此在药芯焊丝中添加一些钼(Mo)有利于提高电弧喷涂涂层的性能以及耐磨性。
硼元素也可以形成碳化物，具有较高的耐磨性；为有效提高电弧喷涂涂层与基体的结合强度，国内外普遍的做法是设计一种具有自熔性的合金成分；自熔合金是指：含有B和(或)Si元素，熔点较低，大约在950～1150℃之间，本身具有脱氧、造渣、除气和良好浸润性能的合金。
常用的具有自熔性合金包括铁基与镍基的自熔合金粉未，铁基粉末具有较高的耐磨性与较低的价格，考虑到与基体的结合强度，本发明中在铁基粉末中Ni-Cr-B-Si自熔性合金成分来改善基体与涂层的结合强度。
Al熔点658°，相对密度2.7，在焊接过程中可以氧化放热效应，有利于提高涂层的温度，在雾化颗粒子沉积在涂层表面时，加速其熔化从而提高其结合强度。
镍熔点1452℃，相对密度8.9，Ni还有耐高温氧化性能，在焊接过程中不容易发生氧化，过度系数较高，在喷涂过程中不容易烧损，能够大量沉积在涂层表面。
在涂层成分中加入Ni有利于提高涂层的机械性能，改善其孔隙率及其机械性能，Ni也是属于自熔性合金，在氧化时放出大量热量，从而促进涂层与基体的结合，有利于提高涂层的结合强度。
硬质耐磨的碳化物粉末：碳化物在喷涂的高温氧化性气氛中，均会发生不同程度的氧化烧损和分解，用液相沉积法、烧结、团聚、或包覆的方法，使碳化物颗粒被金属或合金粉末包裹起来，就能有效地防止或减少碳化物喷涂时发生的氧化、脱碳和分解，有效地保持碳化物碳化的晶格结构和颗粒形状，从而保证其高的硬度和耐磨蚀性能。
TiC<15％Ni+85％WTiC2>。
TiC是碳和钛的化合物，其熔点很高，组成范围很宽，从TiC0.5到TiC0.97都是稳定的；TiC的晶体结构为面心立方结构，原子半径大的金属钛原子占据面心立方晶格的点阵位置，成紧密堆集，钛原子与氧原子的亲和力大于碳原子对氧的亲和力，钛原子在高温氧化性气氛中能生成致密的结合牢固的TiO2薄膜，因而具有很好的抗高温氧化能力。
Cr3C2<25％NiCr+75％Cr3C2>。
Cr3C2在高温下能生成致密的Cr3C2保护层，具有优异的抗高温氧化性，极好的耐腐蚀性；高温硬度高，有优异的高温抗磨损性。
在高温条件下，其膨胀系数达109×10-6/k<150～980℃>与高温用耐热合金基体的膨胀系数比较接近，因而在高温下与耐热合金基体有相当好的热膨胀性能匹配。
NiCr耐热合金作为Cr3C2颗粒的高温粘结母相，使喷涂层与基体金属有满意的结合强度，NiCr——Cr3C2的显微组织为在耐热耐蚀的NiCr合金奥氏体基相上弥散分布Cr3C2粒子硬质相，具有理想的抗高温磨粒磨损、微动磨损、抗高温燃气冲蚀磨损及硬面磨损性能。
与耐热合金组合的耐高温陶瓷材料粉末Al2O3<Ni/A1203>。
涂层中Al2O3是以Al2O3颗粒作芯核，用Ni作包裹层金属，采用加氢还原液相沉积方法制作包覆型复合粉末的形式加入；芯核a-Al2O3熔点高、硬度高、化学性能稳定，起着抗高温磨粒磨损、粘着磨损、冲蚀磨损等的支撑与骨架作用，具有很好的抗高温磨损性能；涂层与基体金属的粘接强度高，涂层致密。
具有优异耐磨性能的硬质合金性硼化物复合粉过渡金属的硼化物具有优异的高温性能，然而，由于硼化物在大气环境下喷涂时会发生氧化或分解，这就要求制粉——采用机械合金化法，将金属镍粉与硼化粉在高能球磨机中球磨制成复合粉，能获得具有极好高温性能的金属陶瓷涂层，其显微结构是在镍基质相中均匀弥散分布着硼化物的耐磨硬质钢相。
镍充分熔化，对硼化物的润湿性好，且与镍不发生化学反应，硼化物颗粒保持原有的形状和结构，涂层致密，其显微硬度可达1500(HV)，是性能优异耐高温磨损涂层。
金属间化合物粉末NiCrA1电弧喷涂过程中或在涂层形成过程中，在Al的熔点附近Ni和Al发生强烈的放热反应，生成Ni3A1、NiA1等金属间化合物。
然而，铬在镍的奥氏体基相溶解度很大，在1150℃高温下，铬在奥氏体的溶解度达20％，这样铬的加入就显著提高了镍基质相和高温强化相的高温强度和高温抗氧化能力，同时由于Cr、A1均为强氧化物形成元素，在高温下生成的Cr2O3、A12O3薄膜十分致密、强韧、化学性能稳定，因而使其抗高温氧化性能十分优异。
在喷涂时发生强烈的放热反应，提高了喷射粒子的热焓，对基体表面薄层施加补加热，延长喷射熔滴在基体表面的凝固和冷却时间，有利于熔滴的碰撞变形和铺展，因而显著提高基体的结合强度。
NiCrA1的高温粘结强度降低程度最小，即使加热到900℃时其结合强度仍足够高，同时其热膨胀系数与耐热高温合金的膨胀系数相近，因而由尺寸效应所产生的应力小。
Y2O3是重稀土金属元素忆的氧化物，熔点高，约为2410℃，沸点4300℃，在高温氧化性气氛和高温还原性气氛中化学性能十分稳定；用Y2O3作稳定剂掺入ZrO2晶体中，能使ZrO2在高温下形成稳定化或半稳定化的晶体结构，这种晶体结构在高温下使得ZrO2具有较低的平均热膨胀系数，且其热膨胀系数由于常用金属和高温合金的热膨胀系数相近，因而在热循环使用时热应力最小，使涂层具有更优异的抗热震性能。
稳弧剂硅酸钾、云母等的加入，增加了低电离点位钾、钠等物质，改善熔滴过渡起到较好的稳定熔化的作用。
本发明的有益效果是:
本发明通过设置电弧喷涂药芯丝用金属或合金作粘结相，用陶瓷颗粒作强化硬质相知成的金属陶瓷丝材；其有机地将金属的强韧性、导电导热等特性与陶瓷材料的高硬度、高化学稳定性等特性结合起来，充分发挥两大工程材料的综合优势。
同时，由于金属组分的加入，使金属陶瓷涂层与基体材料的结合强度增加，涂层的陶瓷颗粒之间的粘聚强度增大，涂层气孔率降低，致密性提高，从而使涂层具有比纯陶瓷涂层更好的力学性能，能够有针对性地适应电站锅炉，尤其是循环流化床锅炉高。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进一步说明。
电弧喷涂工艺参数包括：喷涂电流(I)、喷涂电压(U)、喷涂距离(L)与喷涂时雾化空气压力(P)。
实际电弧喷涂过程中，由于喷涂设备与喷涂丝材的不同，电弧喷涂工艺参数对其涂层性能影响的程度不同；但是，事实生产过程中，对于耐磨电弧喷涂的合金药芯焊丝电弧喷涂涂层性能影响主要工艺参数是喷涂电流，其次是喷涂距离，喷涂电压与雾化空气压力影响很小。
本发明通过研究得出，工艺参数对电弧喷涂涂层性能影响结果为：
1、喷涂电流与送丝速度成正比，提高喷涂电流可以提高电弧喷涂生产效率，减小涂层孔隙率，提高基体与涂层的结合强度；
2、喷涂电压越高，碳及合金元素的氧化及烧损越严重，涂层与基体的结合强度降低，涂层显微硬度和耐磨性变差；
3、喷涂距离控制着雾化颗粒撞击基体的温度与速度，从而影响涂层耐磨性和结合强度；随着喷涂距离的增大，涂层中氧化物含量和孔隙率升高，喷涂距离越小，粒子加速不充分，雾化效果不好，未能够完全融化；
4、在0.5～0.7MPa内，雾化空气压力越大，粒子雾化越充分，涂层致密性越好，但氧化物含量也越高，涂层与基体的结合强度越好，雾化空气中水分含量越高，涂层性能越差。
根据研究数据以及实验设备，最终确定的电弧喷涂的工艺参数为：电弧电压24V，工作电流250A，压缩空气压力0.6MPa，喷涂距离150mm。
实施例一
金属陶瓷型电弧喷涂药芯焊丝，包括金属陶瓷型药粉以及外皮，按外皮的重量百分比为：C：0.7-0.8％，Mn：0.8-1.2％，Si：0.4-0.8％，Cr：12-14％，Mo：0.8-1％，Nb：0.8-1％，Al 0.4-0.8％，B：0.8-2％，余量为Fe；药粉按焊丝重量百分比为：TiC：25-34％，Cr3C2：23-32％，Al2O3:7-10％，硼化物：5-8％，NiCrAl：2-3％，Y2O3：0.1-5％，硅酸钾：1-4％。
电弧喷涂的工艺参数为：电弧电压24V，工作电流250A，压缩空气压力0.6MPa，喷涂距离150mm。
获得涂层与基体的焊接试样，通过测试涂层与基体的结合强度为43Mpa，孔隙率为0.93％，在850℃下抗高温磨损实验结果为：磨损失重量为112.21mg，在850℃下高温腐蚀气体中，未发现腐蚀现象。
实施例二
金属陶瓷型电弧喷涂药芯焊丝，包括金属陶瓷型药粉以及外皮，按外皮的重量百分比为：C：0.7-0.8％，Mn：0.8-1.2％，Si 0.4-0.8％，Cr：12-14％，Mo：0.8-1％，Nb：0.8-1％，Al 0.4-0.8％，B：0.8-2％，余量为Fe；药粉按其重量百分比为：TiC：27-34％，Cr3C2：23-30％，Al2O3：7-8％，硼化物：6-8％，NiCrAl：2-3％，Y2O3：0.1-5％，硅酸钾：1-3％。
电弧喷涂的工艺参数为：电弧电压24V，工作电流250A，压缩空气压力0.6MPa，喷涂距离150mm。
获得涂层与基体的焊接试样，通过测试涂层与基体的结合强度为44.6Mpa，孔隙率为0.86％，在850℃下抗高温磨损实验结果为：磨损失重量为120.34mg，在850℃下高温腐蚀气体中，未发现腐蚀现象。
实施例三
金属陶瓷型电弧喷涂药芯焊丝，包括金属陶瓷型药粉以及外皮，按外皮的重量百分比为：C：0.7-0.8％，Mn：0.8-1.2％，Si 0.4-0.8％，Cr：12-14％，Mo：0.8-1％，Nb：0.8-1％，Al 0.4-0.8％，B：0.8-2％，余量为Fe；其药粉含量为：TiC：25-30％，Cr3C2：25-32％，Al2O3：8-10％，硼化物：5-6％，NiCrAl：2-3％，Y2O3：0.1-5％，硅酸钾：1-3％。
电弧喷涂的工艺参数为：电弧电压24V，工作电流250A，压缩空气压力0.6MPa，喷涂距离150mm。
获得涂层与基体的焊接试样，通过测试涂层与基体的结合强度为45.3Mpa，孔隙率为0.89％，在850℃下抗高温磨损实验结果为：磨损失重量为125.27mg，在850℃下高温腐蚀气体中，未发现腐蚀现象。
实施例四
金属陶瓷型电弧喷涂药芯焊丝，包括金属陶瓷型药粉以及外皮，按外皮的重量百分比为：C：0.7-0.8％，Mn：0.8-1.2％，Si 0.4-0.8％，Cr：12-14％，Mo：0.8-1％，Nb：0.8-1％，Al 0.4-0.8％，B：0.8-2％，余量为Fe；其药粉含量为：TiC：25-28％，Cr3C2：25-30％，Al2O3：8-9％，硼化物：5-6％，NiCrAl：2-3％，Y2O3：0.1-5％，硅酸钾：1-3％。
电弧喷涂的工艺参数为：电弧电压24V，工作电流250A，压缩空气压力0.6MPa，喷涂距离150mm。
获得涂层与基体的焊接试样，通过测试涂层与基体的结合强度为44.2Mpa，孔隙率为0.96％，在850℃下抗高温磨损实验结果为：磨损失重量为128.31mg，在850℃下高温腐蚀气体中，未发现腐蚀现象。
实施例五
金属陶瓷型电弧喷涂药芯焊丝，包括金属陶瓷型药粉以及外皮，按外皮的重量百分比为：C：0.7-0.8％，Mn：0.8-1.2％，Si 0.4-0.8％，Cr：12-14％，Mo：0.8-1％，Nb：0.8-1％，Al 0.4-0.8％，B：0.8-2％，余量为Fe；其药粉含量为：TiC：25-34％，Cr3C2：25-32％，Al2O3：9-10％，硼化物：6％，NiCrAl：2-3％，Y2O3：0.1-5％，硅酸钾：1-4％。
电弧喷涂的工艺参数为：电弧电压24V，工作电流250A，压缩空气压力0.6MPa，喷涂距离150mm。
获得涂层与基体的焊接试样，通过测试涂层与基体的结合强度为46.2Mpa，孔隙率为0.94％，在850℃下抗高温磨损实验结果为：磨损失重量为117.31mg，在850℃下高温腐蚀气体中，未发现腐蚀现象。
实施例六
金属陶瓷型电弧喷涂药芯焊丝，包括金属陶瓷型药粉以及外皮，按外皮的重量百分比为：C：0.7-0.8％，Mn：0.8-1.2％，Si 0.4-0.8％，Cr：12-14％，Mo：0.8-1％，Nb：0.8-1％，Al 0.4-0.8％，B：0.8-2％，余量为Fe；其药粉含量为：TiC：25-32％，Cr3C2：28-32％，Al2O3：10％，硼化物：6％，NiCrAl：2-3％，Y2O3：0.1-5％，硅酸钾：1-3％。
电弧喷涂的工艺参数为：电弧电压24V，工作电流250A，压缩空气压力0.6MPa，喷涂距离150mm。
获得涂层与基体的焊接试样，通过测试涂层与基体的结合强度为47.4Mpa，孔隙率为0.86％，在850℃下抗高温磨损实验结果为：磨损失重量为115.43mg，在850℃下高温腐蚀气体中，未发现腐蚀现象。
从上述实施例1-6的结果可以看出，本发明中通过采用金属或合金作粘结相的电弧喷涂药芯丝，用陶瓷颗粒作强化硬质相制成的金属陶瓷丝材，有机地将金属的强韧性、导电导热等特性与陶瓷材料的高硬度、高化学稳定性等特性结合起来，充分发挥两大工程材料的综合优势；同时，由于金属组分的加入，使金属陶瓷涂层与基体材料的结合强度增加，涂层的陶瓷颗粒之间的粘聚强度增大，涂层气孔率降低，致密性提高，从而使涂层具有比纯陶瓷涂层更好的力学性能，能够有针对性地适应电站锅炉，尤其是循环流化床锅炉高，具备良好的应用前景。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种金属陶瓷复合型型电弧喷涂药芯焊丝，包括金属陶瓷型药粉以及外皮，其特征在于，药粉按焊丝重量百分比为：TiC：25-34％，Cr3C2：23-32％，Al2O3：7-10％，硼化物：5-8％，NiCrAl：2-3％，Y2O3：0.1-5％，硅酸钾：1-4％；TiC采用液相沉积法、烧结、团聚或包覆的方法，使碳化物颗粒被金属Ni包裹起来，其含量为13％Ni+87％TiC；Cr3C2为在耐热耐腐蚀的NiCr合金奥氏体基相上弥散分布Cr3C2粒子硬质相，其具体含量为25％NiCr+75％Cr3C2。
2.根据权利要求1所述的一种金属陶瓷复合型型电弧喷涂药芯焊丝，其特征在于：其药粉含量为：TiC：25-30％，Cr3C2：25-32％，Al2O3：8-10％，硼化物：5-6％，NiCrAl：2-3％，Y2O3：0.1-5％，硅酸钾：1-3％。
3.根据权利要求1所述的一种金属陶瓷复合型型电弧喷涂药芯焊丝，其特征在于：其药粉含量为：TiC：25-34％，Cr3C2：25-32％，Al2O3：9-10％，硼化物：6％，NiCrAl：2-3％，Y2O3：0.1-5％，硅酸钾：1-4％。
4.根据权利要求1所述的一种金属陶瓷复合型型电弧喷涂药芯焊丝，其特征在于：Al2O3是以Al2O3颗粒作芯核，用Ni作包裹层金属，采用加氢还原液相沉积方法制作包覆型复合粉末的形式加入。
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