不銹鋼表面堆焊和噴涂相結合的耐熱復合涂層制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熔化極惰性氣體保護焊(MIG)堆焊NiCr合金和電弧噴涂鋁涂層相結合的工藝，屬指耐熱復合涂層的制備工藝方法。
【背景技術】
[0002]不銹鋼指的是一類以Fe?Cr?N1、Fe?Cr和Fe?Cr?C為合金系的高合金鋼，其突出的特點為耐空氣、蒸氣、水等介質，在高溫環(huán)境中有一定的抗氧化性，在高溫下仍能保持其優(yōu)良的物理機械性能，廣泛用于電廠、鍋爐、煤礦、核電等領域；特別是在電廠使用的鍋爐管道和水冷壁中，由于工作環(huán)境惡劣，長期處于硫化腐蝕和高溫氧化、粒子沖蝕的環(huán)境中，且燃燒產物易形成Na2S04、K2SO4等沉積于管壁表面，導致不銹鋼件壁厚減少，乃至于最終失效，有此造成巨大損失。
[0003]為了提高不銹鋼表面的耐高溫和耐腐蝕性，經常采用堆焊或者噴涂的方法進行涂層制備，利用涂層隔絕不銹鋼基體與外界介質，延長其使用時間。在電廠鍋爐管道的防護中，以往采用電弧噴涂NiCr合金絲的方法，這種技術廣泛應用于美國、瑞典、德國、英國、日本、前蘇聯(lián)等，在鍋爐水冷壁部件上噴涂高N1、Cr含量的合金材料，對減緩鍋爐管子的磨損和高溫腐蝕，延長大修期，都有明顯的效果。在國內，陸續(xù)有發(fā)電廠和電站采用此種方法延長鍋爐壽命。雖然NiCr合金絲在噴涂過程中會放熱，提高與基體的結合力，但由于噴涂是以機械結合為主，局部形成冶金結合，涂層與基體的結合強度有待進一步提高。
[0004]相對于噴涂方法，在工件表面堆焊一層硬質合金層，是一種非常經濟和方便的表面改性手段，可以使涂層與基體形成冶金結合，強度高且易于實現自動化。常用的方法有氣體保護焊堆焊、埋弧堆焊、等離子堆焊、手工電弧堆焊、激光堆焊等，而選用的涂層材料為Ni基和Co基合金。熔化極氣體保護焊堆焊可見度好，適合堆焊區(qū)域復雜、形狀不規(guī)則的工件，可實現自動焊或半自動焊，生產效率高，主要用氬氣或二氧化碳氣體或加少量氧氣的混合氣體保護，設備成本低，易于維護。
[0005]采用熔化極氣體保護焊方法在不銹鋼基體上進行NiCr合金的堆焊，現在的研宄較少。而如何進一步提高堆焊層的耐高溫氧化性和延長使用壽命，在熱噴涂領域多采用復合涂層的方法，也就是將NiCr層作為粘結層，在其上噴涂Al2O3陶瓷材料，提高耐磨和耐高溫性。然而在使用過程中發(fā)現，由于熱膨脹系數的差別較大，陶瓷層易出現與粘結層剝離的現象。不直接噴涂陶瓷材料，在NiCr粘結層表面噴涂Al涂層，使其在加熱過程中表面形成氧化鋁阻擋層，可以有效延長使用壽命，同時金屬與金屬間的結合力較強，熱膨脹系數接近，在氧化過程中還會形成元素的互擴散。

【發(fā)明內容】

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[0006]發(fā)明目的:
[0007]本發(fā)明的目的為開發(fā)一種熔化極惰性氣體保護焊(MIG)堆焊NiCr合金和電弧噴涂鋁涂層相結合的工藝，旨在提供一種低成本、高結合、制備耐熱復合涂層的工藝。
[0008]為實現上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案:
[0009]一種不銹鋼表面堆焊和噴涂相結合的耐熱復合涂層制備方法，其特征在于:所述方法按照以下步驟進行:
[0010]步驟1.表面脫脂:在不改變零件尺寸的前題下，選用氫氧化鈉堿洗液去除預堆焊零件表面的油污；
[0011]步驟2.噴砂粗化:使用180目?200目的棕剛玉磨粒對不銹鋼表面進行噴砂處理，噴砂角度為80°?90°，壓縮空氣的壓力為0.6MPa?0.7MPa，噴砂距離為10mm?150mm，以表面出現銀白色金屬光澤為佳；之后利用壓縮空氣吹凈表面粘黏的沙粒；噴砂后試樣的表面粗糙度為Ra3.0 μ m?Ra3.5 μ m ;
[0012]步驟3.熔化極氣體保護堆焊:使用材料為直徑為Φ 1.2mm的NiCr合金絲，其中成分質量分數Cr含量為45 %?48 %，Ti含量為0.3 %?1.0 %，其余為Ni ;堆焊工藝參數為:焊接電流70A?80A，電弧電壓18V?20V，焊接速度5mm/s?8mm/s，保護氣體為Ar，氣體流量為9?12L/min ；
[0013]步驟4.電弧噴涂:使用材料為直徑Φ2.0mm的99.5%?99.7%鋁絲材作為噴涂原材料，使用與噴砂粗化一致的工藝參數，將堆焊后的堆焊層進行表面噴砂處理后，進行電弧噴涂操作，噴涂距離為10mm?150mm，送絲速度3m/min?4m/min，電流I = 130A?150A，電壓U = 30?35V，壓縮氣體0.65?0.75MPa，流量保證在1.6mVmin?2.0mVmin,噴涂時間為Imin?3min ;為提高涂層的抗氧化性，將試件表面用鋼絲刷打磨或使用噴刷酚醛樹脂進行封孔處理。
[0014]在步驟I中，選用質量百分比為4.0%?5.0%的氫氧化鈉堿洗液的，將其加熱到7CTC，浸漬 3.0min ?5.0min。
[0015]在步驟2中，堆焊前用丙酮清洗基材表面，再用酒精擦拭，吹干。
[0016]在步驟3中，適當提高Cr含量在47 %?48 %，可形成致密的Cr2OJ莫或硫化物膜，有效阻止了硫化物的侵蝕，達到抗硫效果。
[0017]在步驟3中，由于NiCr合金絲有自放熱的特點，故基材不需要預熱；若堆焊過程中熔滴噴射較大，使用水性防飛濺液，能在工件表面形成保護膜。
[0018]在步驟4中，由于鋁絲材較軟，要防止壓緊力損壞絲材表面造成送絲困難，需調節(jié)送絲機構的夾緊壓力。
[0019]在步驟4的噴刷酚醛樹脂進行封孔處理中，噴刷時要用甲酮、芳香烴和無水乙醇作稀釋劑進行稀釋。
[0020]優(yōu)點及效果:本發(fā)明制備的涂層與基體結合較好，堆焊層厚度在50 μm，鋁涂層厚度在ΙΟΟμπι。堆焊層與基體形成牢固的冶金結合(強度在300MPa以上)，相對于噴涂涂層，堆焊層組織更為致密，幾乎沒有孔隙存在。硬度測試顯示，NiCr層的維氏顯微硬度值在243Hv左右。噴涂的鋁涂層為典型的噴涂層結構，由于噴涂過程中的加熱氧化，會形成少量的氧化鋁夾在在其中。而純鋁絲中含有〈0.2%的Si，可以在α-Al中少量固溶，對鋁涂層有一定的固溶強化作用，提高涂層強度。經過50h，900°C的高溫氧化加熱后，利用能譜分析發(fā)現，鋁涂層中含有少量的氧化鋁，屬于噴涂過程中形成，而NiCr堆焊層靠近基體部分，有微量鋁元素，屬于加熱中的內氧化元素迀移所致。根據高溫氧化原理，氧化過程中會有一些元素被氧化成氧化物，從而涂層導致重量增加，根據增重數據畫出試樣增重曲線圖，見附圖I?？梢园l(fā)現，12h后，增重變得緩慢，說明保護性的氧化膜形成，阻止氧元素進入涂層組織內部。經過50h后，涂層對基體依然保護完好，無任何表面剝落，起到完善的隔絕氧氣、減緩氧化作用。
【附圖說明】
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[0021]圖1為本發(fā)明電子顯微鏡下的復合涂層橫截面微觀形貌；
[0022]圖2為本發(fā)明NiCr/Al復合涂層高溫氧化增重曲線。
【具體實施方式】
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[0023]下面結合附圖對本發(fā)明進行具體說明:
[0024]不銹鋼表面堆焊和噴涂相結合的耐熱復合涂層制備方法，其特征在于:所述方法按照以下步驟進行:
[0025]步驟1.表面脫脂:去除預堆焊零件油污并不改變零件的尺寸，表面脫脂選擇使用氫氧化鈉(質量百分比為4.0%?5.0% )的堿洗液，將其加熱到70°C，浸漬3.0min?
5.0min,目的是為了去除零件表面的油脂；
[0026]步驟2.噴砂粗化:使用180目?200目的棕剛玉磨粒對304不銹鋼表面進行噴砂處理，噴砂角度為80°?90°，壓縮空氣的壓力為0.6MPa?0.7MPa，噴砂距離為10mm?150mm，以表面出現銀白色金屬光澤為佳，噴砂后試樣的表面粗糙度為Ra3.0 μπι?Ra3.5 μ m，之后利用壓縮空氣吹凈表面粘黏的沙粒。堆焊前用丙酮清洗基材表面，再用酒精擦拭，吹干；
[0027]步驟3.恪化極氣體保護堆焊:使用材料為直徑為Φ1.2mm的NiCr合金絲，其中成分質量分數Cr含量> 45%，最高可達48%，Ti含量為0.3%?1.0%，其余為Ni。適當提高Cr含量，可形成致密的Cr2OJ莫(或硫化物膜)，有效阻止了硫化物的侵蝕，達到抗硫效果。堆焊工藝參數為:焊接電流70A?80A，電弧電壓18V?20V，焊接速度5mm/s?8mm/s，保護氣體為Ar，氣體流量為9?12L/min。由于NiCr合金絲有自放熱的特點，故基材一般