專利名稱：一種制備鎳基涂層用的粉芯絲材、涂層的制備方法及應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于材料加工工程中的熱噴涂領域，涉及一種粉芯絲材、涂層的制備方法及應用，特別涉及一種用電弧噴涂方法制備含Cr23C6陶瓷顆粒增強相鎳基涂層的粉芯絲材、 涂層的制備方法及應用，該發(fā)明主要應用耐熱腐蝕、耐磨等工業(yè)領域。
背景技術：
自21世紀開始，廢棄物資源化(Waste-to-Energy，WTE)垃圾焚燒技術已成為現(xiàn)今處理固體廢棄垃圾的主要發(fā)展趨勢。廢棄物資源化WTE垃圾焚燒爐內過熱器及水冷壁等易腐蝕部件的腐蝕形式主要是活性氧化和熔鹽腐蝕。活性氧化主要是由于飛灰顆粒中的金屬氯化物在管壁上沉積、以及焚燒過程所產(chǎn)生的高濃度HCl所導致，而燃燒氣氛中的氯則來源于城市垃圾中富含的有機物質和PVC材料。在溫度達到450°C以上時，金屬氯化物和HCl的氧化會產(chǎn)生高活性的 Cl2,極易擴散滲入表面氧化膜，并與氧化膜/金屬基體界面處的或者其它金屬元素反應生成金屬氯化物，在高溫作用下?lián)]發(fā)擴散至管壁表面，再次氧化將Cl2釋放出來從而構成循環(huán)腐蝕、減薄過程。同時，部分沉積的金屬氯化物與燃燒氣氛中的或SO3等反應，易形成低熔點共晶鹽，在高溫下會熔化分解具有保護性的氧化膜，造成熔鹽腐蝕。而近年來逐步提高的燃燒溫度、以及氣體與金屬基材之間存在的溫度梯度、由于城市垃圾物理化學性質不均所導致的溫度波動、堿金屬和重金屬組份在沉積物中的出現(xiàn)等因素，都使得水冷壁管和過熱器管等構件的腐蝕速率顯著增加。影響WTE垃圾焚燒爐熱能利用率及其運轉效率。其解決方法通常為以高溫合金作為服役材料或在傳統(tǒng)材料表面制備具有耐熱腐蝕、耐磨性涂層或制備耐蝕性熔敷金屬的方法，以提高其服役可靠性。等離子噴涂、爆炸噴涂、超音速火焰噴涂等噴涂工藝設備復雜，成本高，不適宜原位大面積現(xiàn)場施工，且噴涂原材料粉體制備復雜。采用堆焊方法在過熱器及水冷壁表面堆焊hconel 625合金的放在在實際工作溫度達到400-420°C時已不能對基體起到有效防護。而電弧噴涂因具有設備簡單，操作方便，噴涂材料制備方便、經(jīng)濟，可以實現(xiàn)原位大面積噴涂等優(yōu)點，已成為在實際應用領域制備耐熱腐蝕涂層的主要制備方法。經(jīng)檢索，目前并無采用電弧噴涂制備含Cr23C6陶瓷顆粒增強相鎳基涂層相關技術的專利報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在獲得一種用電弧噴涂制備含Cr23C6陶瓷顆粒增強相鎳基涂層的粉芯絲材、涂層制備方法及應用。利用鎳鉻合金涂層具備耐蝕性及Cr23C6陶瓷顆粒增強相改善涂層耐磨骨架、增強耐磨性的特點，獲得同時滿足耐熱腐蝕、耐磨損的涂層。提高WTE垃圾焚燒爐內易腐蝕、磨損部件服役穩(wěn)定性，為獲得更高熱能利用率創(chuàng)造可能。—種用電弧噴涂制備含Cr23C6陶瓷顆粒增強相鎳基涂層的粉芯絲材，其特征在于 藥芯成分原子百分比為:Cr :20-35at. % ；B :30-55at. % ；C :2. 5-5. 5at. % ；Ni 余量；粉芯絲材外皮所用帶材為Ni-Cr帶；粉芯絲材填充率32%。所述粉芯絲材外 皮所用帶材為80Ni_20Cr帶。優(yōu)選所述粉芯絲材藥芯成分原子百分比為Cr :25-35at. % ；B :35_55at. % ；C 3-5. 5at. % ；Ni 余量。進一步優(yōu)選所述粉芯絲材藥芯成分原子百分比為Cr :25-30at. % ；B 35-50at. % ；C :3-5at. % ；Ni 余量。采用本發(fā)明上述粉芯絲材制備一種含Cr23C6陶瓷顆粒增強相鎳基涂層的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1，對基體表面進行預處理基體表面經(jīng)粒度180目砂紙預磨后，利用粒度為 60目棕剛玉，氣壓0. 4-0. 6MPa,噴砂槍擺速度5mm/s，進行基體表面噴砂粗化；步驟2，將本發(fā)明上述粉芯絲材進行粉芯絲材軋制，最終獲得直徑為2. Omm的粉芯絲材。步驟3，采用電弧噴涂工藝制備涂層，噴涂工藝參數(shù)為電壓28-34V ；電流 160-220A ；噴涂距離190-210匪；壓縮空氣壓力0· 5-0. 6MPa。步驟3所述噴涂工藝進行優(yōu)化，將噴涂工藝參數(shù)設定為電壓30-32V ；電流 180-200A ；噴涂距離200mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa，制備涂層。采用上述方法制備的一種含Cr23C6陶瓷顆粒增強相鎳基涂層；將此涂層應用于廢棄物資源化WTE垃圾焚燒爐中水冷壁管和過熱器管上。本發(fā)明所述方法制備的一種含Cr23C6陶瓷顆粒增強相鎳基涂層在高溫環(huán)境下具有在Na2S04/NaCl腐蝕介質中的耐蝕性，該介質可較好模擬廢棄物資源化WTE垃圾焚燒爐中易腐蝕部件的工作環(huán)境。同時該涂層具有硬度高、耐磨性好的特點。因此通過在廢棄物資源化WTE垃圾焚燒爐中水冷壁管和過熱器管制備本發(fā)明所述涂層，可改善上述部件高溫腐蝕及磨損工況下的服役穩(wěn)定性，延長其使用壽命。本發(fā)明所述方法制備的一種含Cr23C6陶瓷顆粒增強相鎳基涂層所具有的耐熱腐蝕性、耐磨性是其自身組分所決定的。其作用為NiXr元素Ni元素的氧化物生成速度比Cr元素快，因此在形成Cr2O3氧化膜前， 可生成大量的NiO和NiCr2O4，降低了氧化膜與合金界面的氧分壓，促進涂層中的Cr形成具有良好耐蝕性的連續(xù)致密的Cr2O3氧化膜，伴隨M元素所形成的NiO及尖晶石型化合物 NiCr2O4，對涂層起到保護作用。B元素降低晶界化學能，增強晶粒間結合力、細化晶粒C元素與Cr元素發(fā)生反應形成Cr23C6金屬陶瓷增強相，改善涂層耐磨骨架，提高涂層硬度，增強涂層耐磨性。雖然涂層中的各個元素都是常規(guī)的元素，但是涂層的耐磨耐蝕性是通過各個元素的協(xié)同作用決定的，并不是單一元素決定的，也不是僅僅通過有限次試驗就可以得到的。本發(fā)明是提供一種電弧噴涂制備含Cr23C6陶瓷顆粒增強相鎳基涂層用的粉芯絲材及涂層制備方法。該粉芯絲材經(jīng)電弧噴涂在材料表面制備涂層后，涂層中含有Cr23C6陶瓷顆粒增強相，獲得硬度高耐磨性好的涂層。提高WTE垃圾焚燒爐中易腐蝕、磨損部件的服役穩(wěn)定性。


圖1實施例1-14涂層顯微硬度變化規(guī)律；圖2實施例1-14涂層相對耐磨性變化規(guī)律；圖3實施例1-14涂層涂鹽腐蝕210h后單位面積增重變化規(guī)律；圖4實施例13涂層XRD分析圖譜；圖5實施例5、8、13、14涂層涂鹽腐蝕實驗曲線；圖6實施例5、8、13、14涂層顯微硬度；圖7實施例5、8、13、14涂層相對耐磨性。
具體實施例方式下面通過實施例進一步闡明本發(fā)明的實質性特點和顯著優(yōu)點，本發(fā)明決非僅局限于所陳述的實施例。各實施例中相同部分如下所述1.實施例中粉芯絲材外皮選用規(guī)格為12X0. 3mm(寬度為12mm，厚度為0.3mm) 的80Ni-20Cr帶，粉芯絲材藥芯成分在實施例中具體說明，通過已有粉芯絲材軋制技術，將粉芯絲材經(jīng)逐道拉拔減徑至2. Omm ;2.基體選用SA213-T2 (20 X 15 X 5mm、57 X 25 X 5mm)及采用Q235鋼依照ASTM C633-79 (1993年重新核準)中所規(guī)定的試件尺寸所制備的拉伸試樣棒經(jīng)粒度為180目砂紙預磨后，采用粒度為40-60目棕剛玉，氣體壓力0. 4-0. 6MPa，噴砂槍擺速度5mm/s，對試件進行噴砂粗化處理；3.噴涂工藝參數(shù)在實施例中具體說明，磨粒磨損、耐蝕性實驗用涂層每次噴涂厚度不超過50 μ m,分多次噴涂到450 μ m ；結合強度試驗用涂層在同一實施例中，與磨粒磨損、耐蝕性實驗涂層制備工藝參數(shù)相同，每次噴涂厚度不超過50 μ m，分多次噴涂到250 μ m。實施例1按照粉芯絲材藥芯成分原子百分比為=Cr :20at. % ；B :30at. % ；C :2. 5at. % ；Ni 余量。填充率32%，軋制粉芯絲材。制備涂層所用噴涂參數(shù)電壓；電流160-180A ； 噴涂距離190mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。實施例2按照粉芯絲材藥芯成分原子百分比為=Cr :20at. % ；B :30at. % ；C :2. 5at. % ；Ni 余量。填充率32%，軋制粉芯絲材。制備涂層所用噴涂參數(shù)電壓30-32V ；電流180-200A ； 噴涂距離200mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。實施例3按照粉芯絲材藥芯成分原子百分比為=Cr :20at. % ；B :30at. % ；C :2. 5at. % ；Ni 余量。填充率32%，軋制粉芯絲材。制備涂層所用噴涂參數(shù)電壓32-34V ；電流200-220A ； 噴涂距離210mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。實施例4按照粉芯絲材藥芯成分原子百分比為=Cr :25at. % ；B :35at. % ；C :3at. % ；Ni 余量。填充率32%，軋制粉芯絲材。制備涂層所用噴涂參數(shù)電壓觀-3(^;電流160-180A; 噴涂距離190mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。實施例5
按照粉芯絲材藥芯成分原子百分比為=Cr :25at. % ；B :35at. % ；C :3at. % ；Ni 余量。填充率32%，軋制粉芯絲材。制備涂層所用噴涂參數(shù)電壓30-32V;電流180-200A; 噴涂距離200mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。實施例6按照粉芯絲材藥芯成分原子 百分比為=Cr :25at. % ；B :35at. % ；C :3at. % ；Ni 余量。填充率32%，軋制粉芯絲材。制備涂層所用噴涂參數(shù)電壓32-34V;電流200-220A; 噴涂距離210mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。實施例7按照粉芯絲材藥芯成分原子百分比為Cr :30at. % ；B :50at. % ；C :5at. % ；Ni 余量。填充率32%，軋制粉芯絲材。制備涂層所用噴涂參數(shù)電壓28-30V;電流160-180A; 噴涂距離190mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。實施例8按照粉芯絲材藥芯成分原子百分比為=Cr :30at. % ；B :50at. % ；C :5at. % ；Ni 余量。填充率32%，軋制粉芯絲材。制備涂層所用噴涂參數(shù)電壓30-32V;電流180-200A; 噴涂距離200mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。實施例9按照粉芯絲材藥芯成分原子百分比為=Cr :30at. % ；B :50at. % ；C :5at. % ；Ni 余量。填充率32%，軋制粉芯絲材。制備涂層所用噴涂參數(shù)電壓32-34V;電流200-220A; 噴涂距離210mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。實施例10按照粉芯絲材藥芯成分原子百分比為=Cr :35at. % ；B :55at. % ；C 5. 5at. % ；Ni 余量。填充率32%，軋制粉芯絲材。制備涂層所用噴涂參數(shù)電壓28-30V ；電流160-180A ； 噴涂距離190mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。實施例11按照粉芯絲材藥芯成分原子百分比為=Cr :35at. % ；B :55at. % ；C 5. 5at. % ；Ni 余量。填充率32%，軋制粉芯絲材。制備涂層所用噴涂參數(shù)電壓30-32V ；電流180-200A ； 噴涂距離200mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。實施例12按照粉芯絲材藥芯成分原子百分比為=Cr :35at. % ；B :55at. % ；C 5. 5at. % ；Ni 余量。填充率32%，軋制粉芯絲材。制備涂層所用噴涂參數(shù)電壓32-34V ；電流200-220A ； 噴涂距離210mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。實施例13按照粉芯絲材藥芯成分原子百分比為=Cr 26. 5at. % ；B :40at. % ；C 3. 5at. % ； Ni:余量。填充率32%，軋制粉芯絲材。制備涂層所用噴涂參數(shù)電壓30-32V;電流 180-200A ；噴涂距離200mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa，涂層XRD分析圖譜見圖4。實施例14按照粉芯絲材藥芯成分原子百分比為=Cr :28at. % ；B :45at. % ；C 4. 5at. % ；Ni 余量。填充率32%，軋制粉芯絲材。制備涂層所用噴涂參數(shù)電壓30-32V ；電流180-200A ； 噴涂距離200mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。
各實施例所制備涂層性能檢測如下所述1.實施例所制 備涂層進行顯微硬度測試試驗中，采用HXD-1000數(shù)字式顯微硬度計，載荷100g，持續(xù)時間15s，取10點顯微硬度平均值；2.對實施例所制備涂層進行耐磨損實驗，采用MLS-225型濕砂橡膠輪式磨粒磨損試驗機進行。試驗參數(shù)如下橡膠輪轉速240r/min、橡膠輪直徑178mm、橡膠輪硬度 60 (紹爾硬度)、載荷100N、橡膠輪轉數(shù)預磨1000轉、精磨2000轉、磨料粒度40-70目石英砂。材料耐磨性能用磨損的失重量來衡量。在實驗前、后，將試件放入盛有丙酮溶液的燒杯中，在超聲波清洗儀中清洗3-5分鐘，實驗中用SA 213-T2鋼作為對比試樣，對比件失重量與測量件失重量之比作為該配方的相對耐磨性。即相對耐磨性ε =標準試樣失重量/ 試樣失重量。3.對實施例所制備涂層進行耐熱腐蝕實驗，僅選取涂層作為試樣，對比試樣選用SA 213-Τ2型鋼材，規(guī)格20X15X5mm;將所有試樣進行250°C /20min預熱后，利用 Na2S04+10wt. % NaCl混合鹽所配置的濃度為16wt. %的溶液進行浸泡，取出后經(jīng)120°C /2h 用于烘干剩余水分，涂鹽量3-5mg/cm2，在800°C空氣爐中進行涂鹽腐蝕實驗，每IOh后取出，置于空氣中冷卻后稱重，經(jīng)210h循環(huán)試驗后，獲得其單位面積增重曲線及最終單位面積增重量，見圖3、5。4.對實施例所制備涂層進行結合強度測試，依照ASTM C633-79 (1993年重新核準)標準所述進行，粘接劑選用上海市合成樹脂研究所所制E-7型高溫結構膠，膠體配比依照說明書提供，并經(jīng)100°C /3h固化后進行結合強度測試，見表1。5.對實施例所制備涂層進行孔隙率分析，采用Image Pro Plus 6. 0圖像分析軟件，利用圖像法分析涂層孔隙率，以評價涂層致密度。分別對每個實施例所制涂層的五張截面金相照片進行計算，并取其平均值，見表1。通過綜合考慮實施例1-14涂層孔隙率、結合強度、顯微硬度、相對耐磨性及耐腐蝕性，實施例1-14涂層顯微硬度變化規(guī)律見圖1，實施例1-14涂層相對耐磨性變化規(guī)律見圖2，實施例1-14涂層涂鹽腐蝕210h單位面積增重變化規(guī)律見圖3，對粉芯絲材藥芯成分進行逐步優(yōu)化，最終獲得耐蝕性好、耐磨性好的涂層，應用于廢棄物資源化WTE垃圾焚燒爐過熱器管、水冷壁管部件防護，以提高上述部件服役穩(wěn)定性。提高熱能利用率及運轉效率， 實施例13涂層XRD圖譜分析見圖4，實施例5、8、13、14涂層涂鹽腐蝕實驗曲線見圖5，實施例5、8、13、14涂層顯微硬度見圖6，實施例5、8、13、14涂層相對耐磨性見圖7。表1實施例1-14孔隙率及結合強度
權利要求
1.一種用電弧噴涂制備含Cr23C6陶瓷顆粒增強相鎳基涂層的粉芯絲材，其特征在于 藥芯成分原子百分比為:Cr :20-35at. % ；B :30_55at. % ；C 2. 5-5. 5at. % ；Ni 余量；粉芯絲材外皮所用帶材為Ni-Cr帶；粉芯絲材填充率32%。
2.按照權利要求1的一種粉芯絲材，其特征在于所述粉芯絲材外皮所用帶材為 80Ni-20Cr 帶。
3.按照權利要求1的一種粉芯絲材，其特征在于藥芯成分原子百分比為Cr 25-35at. % ；B :35_55at. % ；C :3_5· 5at. % ；Ni 余量。
4.按照權利要求3的一種粉芯絲材，其特征在于藥芯成分原子百分比為Cr 25-30at. % ；B :35_50at. % ；C :3_5at. % ；Ni 余量。
5.一種采用權利要求1的任一粉芯絲材制備含Cr23C6陶瓷顆粒增強相鎳基涂層的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1，對基體表面進行預處理基體表面經(jīng)粒度180目砂紙預磨后，利用粒度為60目棕剛玉，氣壓0. 4-0. 6MPa,噴砂槍擺速度5mm/s，進行基體表面噴砂粗化； 步驟2，將粉芯絲材軋制，最終獲得直徑為2. Omm的粉芯絲材；步驟3，采用電弧噴涂工藝制備涂層，噴涂工藝參數(shù)為電壓28-34V ；電流160-220A ； 噴涂距離190-210mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。
6.按照權利要求5的方法，其特征在于，步驟3所述的噴涂工藝參數(shù)設定為電壓 30-32V ；電流180-200A ；噴涂距離200mm ；壓縮空氣壓力0. 5-0. 6MPa。
7.采用權利要求5的方法所制備的一種含Cr23C6陶瓷顆粒增強相鎳基涂層。
8.權利要求7的一種涂層應用于廢棄物資源化WTE垃圾焚燒爐中水冷壁管和過熱器管上。
全文摘要
一種制備鎳基涂層用的粉芯絲材、涂層的制備方法及應用，屬于材料加工工程中的熱噴涂領域。藥芯成分原子百分比為Cr20-35at.％；B30-55at.％；C2.5-5.5at.％；Ni余量；粉芯絲材外皮所用帶材為Ni-Cr帶；粉芯絲材填充率32％。用電弧噴涂制備含Cr23C6陶瓷顆粒增強相鎳基涂層時，需先對基體進行預處理，噴涂工藝電壓28-34V；電流160-220A；噴涂距離190-210mm；壓縮空氣壓力0.5-0.6MPa。本發(fā)明可獲得硬度高耐磨性好、耐腐蝕的涂層，提高廢棄物資源化WTE垃圾焚燒爐中水冷壁管和過熱器管服役穩(wěn)定性。
文檔編號C23C4/10GK102277550SQ201110232270
公開日2011年12月14日 申請日期2011年8月15日 優(yōu)先權日2011年8月15日
發(fā)明者周正, 崔麗, 李冉, 李曉延, 王智慧, 蔣建敏, 賀定勇, 趙曉舟, 趙秋穎 申請人:北京工業(yè)大學