CN1641061A - Ni(Fe)－Al系金属间化合物涂层制备方法 - Google Patents

Ni(Fe)－Al系金属间化合物涂层制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Ni(Fe)－Al系金属间化合物涂层制备方法，它采用热喷涂加高温冶金扩散法，就是基体金属材料经过表面净化、喷砂处理，喷涂纯铝之后，利用水玻璃和SiO2铀料在铝涂层表面封闭一密封外壳，进一步的表面净化处理，然后放入高温电炉进行高温冶金扩散反应，停炉后材料随炉冷却至250～300℃，再出炉空冷。通过调整工艺参数，获得适用于各种高温腐蚀性环境和耐腐蚀要求的Ni(Fe)－Al系金属间化合物涂层。该涂层制备工艺简单，成本较低，推广应用前景广阔。制备的材料高温耐腐蚀性及磨损性好，适用范围广。

Description

Ni(Fe)-Al系金属间化合物涂层制备方法
技术领域
本发明属于热喷涂技术制备金属间化合物表面涂层的方法，尤其涉及铁基或镍基金属材料高温耐磨耐蚀表面涂层的制备方法。
技术背景
现代工业的发展，对电力、化工等行业的工业产品提出了更高的要求，要求产品能在高参数(如高温、高速、高压)、高度自动化和恶劣的工况条件下长期运转，这就必然对机件表面的性能提出了更高的要求。如在石化工业中的某些设备的零部件工作温度高达1300℃，工作环境为浓硫化氢(98％H2S)强腐蚀性气体；高温和强腐蚀性气体大大缩短了这些零部件的使用寿命。以其测温元件热电偶保护套管为例，各类镍基高温合金的保护管，平均使用寿命仅在7～15天之间。目前国内外广泛采用的火力发电循环流化床锅炉的埋管和水冷壁的使用寿命也仅有三个月左右，大大影响了电力系统的生产效率和经济效益，也给安全生产带来很大的隐患。在电力、冶金、航空、化工、汽车、机械和农业等许多领域，急需耐高温腐蚀与磨损的材料和零部件，目前尚无理想有效的解决办法。
金属间化合物是很好的高温结构材料，具有优异的高温耐腐蚀和耐磨损特性，能够很好的满足上述需要；但该类材料存在室温脆性大，断裂抗力低，制备加工困难等缺点，作为结构材料应用范围非常有限。
传统涂层技术所制备的耐磨、耐蚀类涂层，一般都是由多相合金材料构成，或是由合金材料、金属间化合物，陶瓷形成的多相复合涂层，由于涂层中各相电化学特性的不同，在高温下很容易形成电化学腐蚀或局部腐蚀，加速了涂层的破坏失效，不能够很好的满足工业需要。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种单相层状分布Ni(Fe)-Al系金属间化合物涂层的制备方法，通过该方法将金属间化合物以表面涂层的方式应用解决目前金属间化合物的不足，制备出含有高温耐磨蚀性金属间化合物涂层的材料或零部件。
技术方案：采用热喷涂加高温冶金扩散法。具体步骤是：
1、基体金属材料先经过表面净化，喷砂处理，获得活性表面；2、利用电弧喷涂设备在金属材料基体上喷涂纯铝，获得纯铝涂层，厚度在2～3mm之间；3、利用水玻璃和SiO2铀料在铝涂层表面封闭一密封外壳；4、作进一步的表面净化处理，然后放入高温电炉进行高温冶金扩散反应，扩散温度在850～950℃之间，扩散时间为2～5hr；5、停炉后材料随炉冷却至250～300℃，再出炉空冷，获得具有优异耐腐蚀性能的单相层状分布Ni(Fe)-Al系金属间化合物涂层。
在工业中普遍应用的高温结构材料，为铁基或镍基高温合金，根据铁铝或镍铝合金相图，Fe、Ni元素和Al元素在高温下均能够化合形成Ni(Fe)-Al系金属间化合物相，如FeAl、Fe2Al5、NiAl、Ni3Al等，且反应为放热的自发反应，在反应过程中，可通过控制反应温度和时间，形成层状分布的金属间化合物涂层。
该发明积极效果是：1、涂层中金属间化合物呈单相层状分布，耐腐蚀性能非常优异，该类涂层尤其适用于普通材料难于承受的超高温(1300℃)和强氧化性氛围工矿环境。2、该方法将材料制备与涂层制备结合在一起进行，涂层和基体为扩散结合，且抗氧化性元素Al从表层到基体含量逐渐降低，呈梯度过渡，即确保了涂层的耐腐蚀性能，又实现了涂层和基体材料的热应力匹配。3、将Ni(Fe)-Al系金属间化合物材料以涂层的方式应用，避免了传统金属间化合物的不足扩大该类材料的应用范围，开辟了其进入工业应用的新途径，同时又有效解决了工业生产中结构材料的高温耐腐蚀及磨损问题，延长了此类材料的使用寿命。4、涂层制备工艺简单，成本较低，推广应用前景广阔。
附图说明
图1为在GH3030镍基高温合金基体上采用该方法获得的Ni-Al系金属间化合物涂层显微组织图；图2为在GH3030高温合金基体上采用该方法所得Ni-Al系金属间化合物的高温氧化增重和氧化时间的关系图；图3为在0Cr25Ni20铁基高温合金上采用该方法获得的Fe-Al系金属间化合物涂层显微组织图；
具体实施方式
下面以在GH3030镍基材料制成的热电偶保护套管上制备Ni-Al系金属间化合物涂层为例说明制备方法。
1、将GH3030镍基高温合金热电偶保护套管表面净化后喷砂处理，获得活性表面；2、用电弧喷涂设备在套管上面喷涂2mm的纯铝；3、在纯铝涂层上浇注一层水玻璃和SiO2釉料形成密封外壳；4、将密封外壳作进一步净化处理，再放入高温炉进行高温冶金扩散反应，扩散温度950℃；5、扩散4.5小时后停炉，让保护套管在炉内慢慢冷却，当炉温降到250℃时取出，在空气中自然冷却即成。
将该热电偶保护套管在乙烯裂解炉上应用，使用寿命由原来的10～15天延长到5个月以上。
从图1看出用该方法获得的Ni-Al系金属间化合物涂层显微组织非常明显，A区为Ni2Al3和Al2Cr3等富铝相组织，B区为NiAl相组织，C区为Ni3Al相组织，D区为基体组织。图2表明三组试样500h静态氧化增重速率分别为0.021、0.018、0.028g/m2·h，结果表明抗氧化性能极为优异。
用同样的方法在0Cr25Ni20铁基高温合金上可获得Fe-Al系金属间化合物涂层。
从图3看出，在0Cr25Ni20铁基高温合金上采用该方法获得的Fe-Al系金属间化合物涂层显微组织也非常明显，E区为Al2Cr相，F区所示主要为FeAl和NiAl相，G区所示为Fe3Al相，H区所示为基体奥氏体相。

Claims (1)

1、一种Ni(Fe)-Al系金属间化合物涂层制备方法，其特征是包括以下步骤：
(1)基体金属材料先经过表面净化，喷砂处理，获得活性表面；
(2)利用电弧喷涂设备在基体金属材料表面喷涂2～3mm的纯铝涂层；
(3)在纯铝涂层上浇注一层水玻璃和SiO2釉料形成密封外壳；
(4)作进一步的表面净化处理，然后放入高温电炉进行高温冶金扩散反应，扩散温度为850～950℃，扩散时间为2～5hr；
(5)停炉后材料随炉冷却至250～300℃，再出炉空冷，获得单相层状分布Ni(Fe)-Al系金属间化合物涂层。
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