CN114000088A - 一种用于电站锅炉水冷壁管现场防护的涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于电站锅炉水冷壁管现场防护的涂层，由铁基非晶复合粉芯丝材依次经过超音速电弧喷涂和二次瞬间在线重熔处理得到；所述铁基非晶复合粉芯丝材包括依次叠加设置的外壁和粉芯丝。本申请还提供了一种用于电站锅炉水冷壁管现场防护的涂层的制备方法。本发明基于二次瞬间在线重熔铁基涂层的耐磨耐蚀性能，并首次提出利用二次瞬间在线重熔铁基涂层局部强化防护技术用于电站锅炉水冷壁系统现场防护的方法，有效减轻锅炉水冷壁运行过程中的磨损腐蚀问题，经济效益显著。

Description

一种用于电站锅炉水冷壁管现场防护的涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及表面处理技术领域，尤其涉及一种用于电站锅炉水冷壁管现场防护的涂层及其制备方法。
背景技术
大型燃煤发电锅炉水冷壁腐蚀是失效的重要原因。据调查，我国100MW以上机组由于腐蚀和冲蚀使锅炉管壁减薄，导致锅炉四管爆漏事故造成的停机抢修时间约占整个机组非计划停用时间的40％左右，占锅炉设备本身非计划停用时间的70％以上。锅炉四管爆漏事故是长期困扰火电站安全和经济性的一个重大问题。上述事故的原因除管材和焊接质量问题外，主要是由于腐蚀、磨损等引起。
目前，锅炉管道的高温腐蚀问题是久未解决的技术问题，金属喷涂保护受热面管子的常规方法分以下几种：超音速火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂以及超音速电弧喷涂等。热喷涂层常常含有一定比例的空隙，涂层与基材为机械结合，结合强度为30～50MPa，容易发生涂层脱落问题，高温腐蚀气体或液体能够通过毛细原理渗透进入空隙，加剧腐蚀减薄进程。
非晶态是人们早已熟悉的一种物质形态，它通常指熔体、液体和不具有晶体结构的物质。非晶态是与晶态相区别的一类结构状态，其原子或分子的空间排列不具备长程有序，只是由于原子间的相互关联作用，使其在数个原子间距的小区域内仍然保持着某些短程有序特征。非晶态合金，又称金属玻璃，其是固态时其原子在三维空间是长程无序排列，仅存在短程有序性，并且于一定温度范围内保持这种状态相对稳定的合金，是兼有金属和玻璃两者截然不同性质的材料。非晶材料由于具有独特的结构特点，使得非晶合金的力学、物理和化学性能有许多优点，诸如具有高强度、硬度、耐磨性、耐蚀性、优异的软磁性能等。
重熔涂层的发展可以追溯到60年代，当时许多学者致力于在低熔点基体上熔覆抗磨材料，这些材料包括：钨及其碳化物、铝、钽、铼、铌、钛及其碳化物和氧化铝，大部分采用等离子或火焰喷涂的方法，将熔覆材料预置在基体材料上，随后进行激光二次熔覆；20世纪70年代中期到80年代中期，重熔涂层经历了发展相对缓慢的时期；到80年代末，重熔涂层技术得到了迅速的发展。近年来一些关于利用重熔涂层技术制造高质量涂层的研究也逐步兴起。经过四十多年的发展，重熔涂层技术已成为材料表面工程领域的前沿和热门课题。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种用于电站锅炉水冷壁管现场防护的涂层的制备方法，其可增强涂层与基体的整体结合性能，且具有耐磨耐蚀性能。
有鉴于此，本申请提供了一种用于电站锅炉水冷壁管现场防护的涂层，由铁基非晶复合粉芯丝材依次经过超音速电弧喷涂和二次瞬间在线重熔处理得到；
所述铁基非晶复合粉芯丝材包括依次叠加设置的外壁和粉芯丝；
所述粉芯丝由FeB、FeSi、Mo、NbFe和Cr制备得到。
优选的，所述铁基非晶复合粉芯丝材成分的原子比Fe：Cr：B：Si：Mo：Nb＝(55～60)：(20～35)：(13～15)：(3～5)：(1～2)：(1～2)。
优选的，所述粉芯丝的重量为所述复合粉芯丝材的30～40wt％。
优选的，所述外壁的材料为不锈钢，所述铁基非晶复合粉芯丝材的外径为1.5～2.0mm。
本申请还提供了一种用于电站锅炉水冷壁管现场防护的涂层的制备方法，包括以下步骤：
A)对电站锅炉水冷壁管的表面进行喷砂处理，利用铁基非晶复合粉芯丝材对喷砂处理后的电站锅炉冷壁管进行超音速电弧喷涂；
B)对步骤A)得到的电站锅炉水冷壁管的易腐蚀部分进行二次瞬间在线重熔处理，得到涂层；
所述铁基非晶复合粉芯丝材包括依次叠加设置的外壁和粉芯丝；
所述粉芯丝由FeB、FeSi、Mo、NbFe和Cr制备得到。
优选的，所述喷砂的砂料为白刚玉或石英砂。
优选的，所述超音速电弧喷涂的喷枪与所述电站锅炉水冷壁管的喷涂距离为200～500mm，喷枪的移动速度为2～10cm/s。
优选的，步骤A)得到的涂层的厚度为0.2～1.2mm。
优选的，所述二次瞬间在线重熔处理过程中，重熔区域的连续加热时间小于1s。
优选的，步骤B)得到的涂层的厚度为0.2～1.2mm。
本申请提供了一种用于电站锅炉水冷壁管现场防护的涂层的制备方法，其采用同一种铁基非晶复合粉芯丝母材进行电弧热喷涂和二次瞬间在线重熔施工，实现了铁基非晶复合热喷涂层和二次瞬间在线重熔层对电站锅炉水冷壁系统的现场防护；热喷涂适用于高效率的快速施工，二次瞬间在线重熔层适合电站锅炉水冷壁管等极易发生腐蚀部位，通过二次瞬间在线重熔处理，可以消除内部裂纹和空隙，减轻残余应力，对腐蚀严重部位进行强化；二次瞬间在线重熔铁基复合涂层具有加工成本低，耐磨耐蚀性能优异等特点，适合电站锅炉水冷壁系统局部强化和防护；且二次瞬间在线重熔铁基非晶复合涂层为非晶与纳米晶的复合结构，非晶相所占体积分数为30％～50％，维氏硬度大于350HV；纳米晶颗粒均匀分布在非晶基体中，相对于需要较高冷却速率的纯非晶态热喷涂层，激光重熔非晶复合涂层的性价比突出。
附图说明
图1为二次瞬间在线重熔铁基非晶复合涂层的界面区域的金相照片；
图2为带有二次瞬间在线重熔铁基非晶复合涂层的样块的外形照片；
图3为二次瞬间在线重熔铁基非晶复合涂层的X射线衍射图；
图4为二次瞬间在线重熔铁基非晶复合涂层截面的硬度曲线图；
图5为模拟烟气腐蚀试验中不同试样腐蚀速率随腐蚀时间的变化曲线图；
图6为不同试样在50％浓硫酸中腐蚀速率随时间的变化曲线图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
鉴于电站锅炉水冷壁管现场防护防腐防蚀、耐高温的性能需求，本申请提供了一种用于电站锅炉水冷壁管现场防护的涂层，该涂层利用铁基非晶复合粉芯丝材依次经过超音速电弧喷涂和二次瞬间在线重熔处理，该种方法可实现涂层和界面的冶金结合，消除内部孔隙和裂纹，内部为非晶相和纳米相的复合结构，维氏硬度大于350HV，具有较好的耐蚀耐腐和耐高温性。具体的，本发明实施例公开了一种用于电站锅炉水冷壁管现场防护的涂层，由铁基非晶复合粉芯丝材依次经过超音速电弧喷涂和二次瞬间在线重熔处理得到；
所述铁基非晶复合粉芯丝材包括依次叠加设置的外壁和粉芯丝；
所述粉芯丝由FeB、FeSi、Mo、NbFe和Cr制备得到。
在本申请提供铁基非晶复合粉芯丝材中，其粉芯丝材成分的原子比为Fe：Cr：B：Si：Mo：Nb＝(55～60)：(25～35)：(13～15)：(3～5)：(1～2)：(1～2)；更具体地，Fe：Cr：B：Si：Mo：Nb＝(55～57)：(20～24.5)：(13～15)：(3～5)：(1～2)：(1～2)。在粉芯丝材中，上述原子比的粉芯丝材能够改善涂层的抗氧化作用，提高抗腐蚀能力，有利于非晶相的形成，且可促进形成完整的氧化膜，提高高温防护效果。本申请中，所述粉芯丝的重量为所述复合粉芯丝材的30～40wt％，更具体地，所述粉芯丝的重量为所述复合粉芯丝材的32～38wt％。所述铁基非晶复合粉芯丝材的外壁材料为不锈钢，其外径为1.5～2.0mm。
本申请还提供了一种用于电站锅炉水冷壁管现场防护的涂层的制备方法，包括以下步骤：
A)对电站锅炉水冷壁管的表面进行喷砂处理，利用铁基非晶复合粉芯丝材对喷砂处理后的电站锅炉冷壁管进行超音速电弧喷涂；
B)对步骤A)得到的电站锅炉水冷壁管的易腐蚀部分进行二次瞬间在线重熔处理，得到涂层；
所述铁基非晶复合粉芯丝材包括依次叠加设置的外壁和粉芯丝；
所述粉芯丝由FeB、FeSi、Mo、NbFe和Cr制备得到。
在本申请中，在对电站锅炉水冷壁管处理前，先对其表面进行喷砂除锈，以露出新鲜的金属表面，且增大水冷壁管的表面粗糙度，促使涂层与基材结合紧密。喷砂之后则用高压气吹扫换热管外表面，去除表面的浮灰。所述喷砂为本领域技术人员熟知的处理，对此本申请没有特别的限制。在具体实施例中，所述喷砂的砂料为白刚玉或石英砂。
按照本发明，在上述喷砂之后，则将电站锅炉水冷壁管进行超音速电弧喷涂处理，所述超音速电弧喷涂的喷枪与所述电站锅炉水冷壁管的喷涂距离为300～400mm，喷枪的移动速度为5～8cm/s；在具体实施例中，所述超音速电弧喷涂的喷枪与所述电站锅炉水冷壁管的喷涂距离为200～500mm，喷枪的移动速度为2～10cm/s。
本申请然后同样利用铁基非晶复合粉芯丝材对易腐蚀部分进行二次瞬间在线重熔处理，以得到涂层；在上述过程中，优选对待处理部分采用热喷涂方式喷涂在基体表面，即预处理，然后采用激光等高温热源在涂层表面进行二次瞬间在线重熔处理，涂层表面吸收了能量使温度升高，同时通过热传导将表面热量向内部传递，使涂层或者部分基材熔化，热源束离开后熔化的金属快速凝固，从而在基材表面形成冶金结合的涂层。所述二次瞬间在线重熔处理过程中，重熔区域的连续加热时间小于1s。
本发明基于二次瞬间在线重熔铁基涂层的耐磨耐蚀性能，并首次提出利用二次瞬间在线重熔铁基涂层局部强化防护技术用于电站锅炉水冷壁系统现场防护的方法，提高了重熔层质量，降低了重熔过程带来的基体变形，增强涂层整体结合性能，有效延长涂层使用期限，有效减轻锅炉水冷壁运行过程中的磨损腐蚀问题，经济效益显著。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的用于电站锅炉水冷壁管现场防护的涂层及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
(1)通过已有的粉芯丝轧制技术，制得1.6mm外径的粉芯丝，该粉芯丝材成分为Fe57Cr20B15Si5Mo2Nb1，外皮包覆材料为不锈钢带，内部填充FeB、FeSi、Mo、NbFe、Cr等粉末，粉末填充比例为30％～40％；
(2)对水冷壁管进行严格的进行喷砂处理，砂料为白刚玉或石英砂；
(3)采用超音速电弧喷涂设备，高速电弧喷枪与水冷壁管的喷涂距离为300mm，喷枪移动速度为5cm/s，喷涂8-10遍后，涂层厚度应达到0.5mm以上(涂层边缘除外)；
(4)采用热喷涂方式喷涂在上述处理后的基体表面，这部分也称预处理过程，然后采用激光等高温热源在涂层表面进行扫描，涂层表面吸收了能量使温度升高，同时通过热传导将表面热量向内部传递，使涂层或者部分基材熔化，热源束离开后熔化的金属快速凝固，从而在基材表面形成冶金结合的涂层。
图1为二次瞬间在线重熔铁基非晶复合涂层的界面区域的金相照片；由图1可知铁基涂层的微观结构均匀致密。
图2为带有二次瞬间在线重熔铁基非晶复合涂层的样块的外形照片；由图2可知铁基涂层表面呈现出金属光泽。
图3为二次瞬间在线重熔铁基非晶复合涂层的X射线衍射图；由图3可知铁基涂层含有一定的非晶相。
实施例2
(1)通过已有的粉芯丝轧制技术，制得2.0mm外径的粉芯丝，该粉芯丝材成分为Fe60Cr20B12Si5Mo2Nb1，外皮包覆材料为不锈钢带，内部填充FeB、FeSi、Mo、NbFe、Cr等粉末，粉末填充比例为30％～40％；
(2)对水冷壁管进行严格的进行喷砂处理，砂料为白刚玉或石英砂；
(3)采用超音速电弧喷涂设备，高速电弧喷枪与水冷壁管的喷涂距离为250mm，喷枪移动速度为8cm/s，喷涂8-10遍后，涂层厚度应达到0.5mm以上(涂层边缘除外)；
(4)采用热喷涂方式喷涂在上述处理后的基体表面，这部分也称预处理过程，然后采用激光等高温热源在涂层表面进行扫描，涂层表面吸收了能量使温度升高，同时通过热传导将表面热量向内部传递，使涂层或者部分基材熔化，热源束离开后熔化的金属快速凝固，从而在基材表面形成冶金结合的涂层。
图4为二次瞬间在线重熔铁基非晶复合涂层截面的硬度曲线图；由图4可知铁基非晶复合涂层的维氏硬度相对于没有进行重熔的涂层提高2倍以上。
图5为模拟烟气腐蚀试验中不同试样腐蚀速率随腐蚀时间的变化曲线图；由图5可知，含有非晶相的二次瞬间在线重熔铁基涂层的腐蚀速率在整个腐蚀周期内均远低于其它三种试样的腐蚀速率说明非晶复合涂层具有极好的耐腐蚀性能。
图6为不同试样随腐蚀时间的变化曲线图；由图6可知，随着时间的变化，各材料腐蚀速率均有所减小，含有非晶相的二次瞬间在线重熔铁基涂层的腐蚀速率在整个腐蚀周期内都远低于其它材料。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于电站锅炉水冷壁管现场防护的涂层，由铁基非晶复合粉芯丝材依次经过超音速电弧喷涂和二次瞬间在线重熔处理得到；
所述铁基非晶复合粉芯丝材包括依次叠加设置的外壁和粉芯丝；
所述粉芯丝由FeB、FeSi、Mo、NbFe和Cr制备得到。
2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述铁基非晶复合粉芯丝材成分的原子比Fe：Cr：B：Si：Mo：Nb＝(55～60)：(20～35)：(13～15)：(3～5)：(1～2)：(1～2)。
3.根据权利要求1或2所述的涂层，其特征在于，所述粉芯丝的重量为所述复合粉芯丝材的30～40wt％。
4.根据权利要求1或2所述的涂层，其特征在于，所述外壁的材料为不锈钢，所述铁基非晶复合粉芯丝材的外径为1.5～2.0mm。
5.一种用于电站锅炉水冷壁管现场防护的涂层的制备方法，包括以下步骤：
A)对电站锅炉水冷壁管的表面进行喷砂处理，利用铁基非晶复合粉芯丝材对喷砂处理后的电站锅炉冷壁管进行超音速电弧喷涂；
B)对步骤A)得到的电站锅炉水冷壁管的易腐蚀部分进行二次瞬间在线重熔处理，得到涂层；
所述铁基非晶复合粉芯丝材包括依次叠加设置的外壁和粉芯丝；
所述粉芯丝由FeB、FeSi、Mo、NbFe和Cr制备得到。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述喷砂的砂料为白刚玉或石英砂。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述超音速电弧喷涂的喷枪与所述电站锅炉水冷壁管的喷涂距离为200～500mm，喷枪的移动速度为2～10cm/s。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤A)得到的涂层的厚度为0.2～1.2mm。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述二次瞬间在线重熔处理过程中，重熔区域的连续加热时间小于1s。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤B)得到的涂层的厚度为0.2～1.2mm。
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