專利名稱：一種含納米結構抗高溫氧化腐蝕涂層用的粉芯絲材的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種含納米結構抗高溫氧化腐蝕涂層用的粉芯絲材，屬于材料加工工程專業(yè)熱噴涂領域。主要用于鍋爐受熱面管大面積防護的高速電弧噴涂材料。
背景技術：
隨著我國經濟的高速增長，電力需求將越來越大。在電力結構中，我國火力發(fā)電設備占總裝機容量的3/4以上。然而，在燃煤電廠，鍋爐“四管”(水冷壁管、過熱器管、再熱器管、省煤器管)的高溫氧化、硫化和熱腐蝕以及由此造成的諸如爆管等故障一直是電力行業(yè)亟待解決的一個技術難題。例如，水冷壁管的高溫腐蝕會導致水冷壁大面積減薄而發(fā)生頻繁的爆漏，不但影響了電廠的安全運行，還造成了巨大的經濟損失。采用電弧噴涂技術制備燃煤鍋爐“四管”大面積防護涂層是一種簡單、經濟、有效的防護工藝，隨著高速電弧噴涂技術的發(fā)展和新材料的不斷研制成功，高速電弧噴涂在電站鍋爐“四管”防腐耐磨方面必將有十分廣泛的應用前景。與晶態(tài)材料相比，亞穩(wěn)態(tài)的非晶納米晶涂層材料具有比傳統(tǒng)材料更為獨特而優(yōu)異的性能，是很有發(fā)展前景的新型材料，采用非晶前驅體的納米化得到的納米晶粒之間的晶界干凈，能夠顯著降低材料本征內應力；非晶化可以提高材料的耐蝕性能，非晶前驅體的部分納米化可以提高材料的耐磨性能。由于電弧噴涂單個粒子的凝固速率為10_7-10_5K/s，具備了非晶形成的條件，只要材料成分設計合理，就能夠得到納米結構涂層。高速電弧噴涂制備鐵基非晶納米晶合金涂層具有優(yōu)質、高效、低成本的優(yōu)勢，國內外學者對此進行了大量研究，在非晶納米晶涂層制備方面，據田浩亮等人在《材料科學與工藝》(2012 20(1) : 108-113)上報道，利用高速電弧噴涂技術制備了 FeAlNbB非晶納米晶涂層，其納米晶尺寸約為14 . lnm。梁秀兵等人(《裝甲兵工程學院學報》2010 24(6) :81-84)利用電弧噴涂制備了 FeAlCrNbB金屬間化合物復合涂層,但該涂層納米晶含量較低。郭金花等人在《電弧噴涂含非晶相的Fe基涂層的電化學行為》(《金屬學報》2007 43(7) :780-784)中的描述，已成功地利用電弧噴涂方法制備出了材料成分為FeCrBSiMoWMn的非晶納米晶涂層，該涂層具有良好的耐腐蝕性能。傅斌友(《材料熱處理學報》2008，29(3) : 159-162.)等利用電弧噴涂鐵基粉芯絲材(FeCrNiBC)，獲得了 49%非晶含量的涂層，涂層耐磨粒磨損性能是 Q235 鋼的 16. 8 倍。Branagan 等(Journal of Thermal Spray Technology, 2005,14 (2) : 196-204)采用電弧噴涂美國Nanosteel公司的SHS7170粉芯絲材(FeCrMoWBCSiMn)制備了非晶納米晶復合涂層，該涂層具有良好的抗高溫沖蝕性能。雖然上述的粉芯絲材制備出的涂層具有非晶納米晶結構和良好的耐常溫磨損、常溫腐蝕以及抗高溫沖蝕性能，但并未發(fā)現(xiàn)其在高溫氧化和高溫腐蝕方面的報道；而且由于其材料成分體系設計不盡合理，獲得的涂層納米晶含量較低，且分布不均勻，并伴隨著硼化物和氧化物產生，直接影響了涂層質量與性能。因此，研發(fā)出具有納米結構且成本相對較低、抗高溫氧化腐蝕性能優(yōu)異的電弧噴涂鐵基納米晶結構涂層用粉芯絲材仍然具有重大的意義。但至今為止，還未見利用電弧噴涂技術制備粉芯絲材成分為FeCrAlBNbM0W納米結構涂層應用于鍋爐抗高溫氧化腐蝕方面的報道。

發(fā)明內容
針對燃煤鍋爐“四管”高溫氧化、硫化和熱腐蝕等問題，本發(fā)明提供了一種含納米結構抗高溫氧化腐蝕涂層用的粉芯絲材，利用高速電弧噴涂該粉芯絲材制備出的涂層具有納米結構，其尺寸范圍為20-75 nm，孔隙率彡3%，涂層的結合強度為45飛5MPa。該涂層可解決電站鍋爐運行中管道高溫氧化、腐蝕及沖蝕等問題，并且具有成本較低等特點。本發(fā)明實現(xiàn)上述目的的技術方案是一種含納米結構抗高溫氧化腐蝕涂層用的粉芯絲材，由430不銹鋼外皮包覆粉芯制成，其特征在于粉芯由七種元素粉末混合而成，所述的粉芯成分質量百分比含量范圍如下0. 5% — 2% B、15%-25% Cr、4%_9% Al,2% - 5% Nb、1% - 3% Mo,2% - 4% W、余量Fe ;粉芯的填充率為30%-40%，粉芯絲材的直徑為2mm。采用高速電弧噴涂該粉芯絲材制備出的納米結構涂層，納米晶尺寸為20-75 nm,孔隙率< 3%，涂層的結合強度為45 55MPa。所述的粉芯絲材，其特征在于用高速電弧噴涂該粉芯絲材制備出的納米結構涂層，納米晶尺寸為20-75 nm，孔隙率彡3%，涂層的結合強度為45 55MPa。本發(fā)明粉芯絲材的制備方法包括以下步驟 1.將430不銹鋼鋼帶扎成U形，再向U形槽中加入占粉芯絲材總重為36%的粉芯粉
末；
2.將U形槽的430不銹鋼鋼帶合口，把粉芯粉末包覆其中，經過拉絲模，逐漸拉拔、減徑，最后得到的粉芯絲材直徑為2mm。本發(fā)明有益的效果合理設計粉芯各組分的含量，采用高速電弧噴涂技術可在冷卻的鋼基體上形成低氧化物含量、致密、均勻分布的納米結構涂層，其納米晶尺寸為30-75nm,孔隙率彡3%，結合強度為45 55MPa ;650°C氧化80h后，納米結構涂層的抗高溫氧化性能約為20g鋼基體的20倍，該涂層具有優(yōu)異的抗高溫氧化和高溫腐蝕性能，解決了電站鍋爐及“四管”運行過程中的高溫氧化腐蝕的問題。


附圖1 :實施例1制備納米結構涂層的X射線衍射圖譜 附圖2 :實施例2制備納米結構涂層的截面形貌
附圖3 :實施例2制備納米結構涂層的微觀組織(TEM)形貌
附圖4 :實施例3制備納米結構涂層與20g鋼基體在650°C下氧化動力學曲線
具體實施例方式本發(fā)明通過如下措施來實現(xiàn)
實施例1:
選用10X0. 4mm(寬度為10mm，厚度為O. 4mm)的430不銹鋼鋼帶，先將其扎成U形。取含七種元素的粉芯粉末按質量百分比0. 5% BU5% Cr,5% Al,2% Nb、l% Mo,2% W、余量Fe，稱重配料。將所取的粉芯粉末放入混粉機內混合30min后，將混合的粉芯粉末加入U形不銹鋼鋼帶槽中，填充率為30%。然后將U形槽合口，使粉芯粉末包覆在其中，再經過拉絲模逐漸減徑至Φ2_。將成品絲材繞制成出廠所需的盤狀，經計量和包裝后形成可以出廠的產品。在經過嗔砂粗化后的鋼基體上制備電弧嗔涂涂層，嗔涂電壓為36V，嗔涂電流為120Α，噴涂距離為200mm，噴涂氣壓為O. 7MPa。實施例1制備納米結構涂層的X射線衍射圖譜見圖1。對實施例1制備的納米結構涂層利用HVS - 1000型維氏硬度計進行了顯微硬度測試，結果表明涂層的顯微硬度為650HVai。結合強度測試結果表明，涂層平均結合強度為46. 8MPa。實施例2:
選用10X0. 4mm(寬度為10mm，厚度為O. 4mm)的430不銹鋼鋼帶，先將其扎成U形。取含七種元素的粉芯粉末按質量百分比1% B,20% Cr,6% Al,4% Nb,2% Mo,3% W、余量Fe，進行稱重配料。將所取的粉芯粉末放入混粉機內混合30min后，將混合的粉芯粉末加入U形不銹鋼鋼帶槽中，填充率為36%。然后將U形槽合口，使粉芯粉末包覆在其中，再經過拉絲模逐漸減徑至Φ2πιπι成品絲材。將成品絲材繞制成出廠所需的盤狀，經計量和包裝后形成可以出廠的產品。在經過噴砂粗化后的鋼基體上制備電弧噴涂涂層，噴涂電壓為36V，噴涂電流110Α，噴涂距離為200mm，噴涂氣壓為O. 7MPa。實施例2制備納米結構涂層的截面形貌如圖2所示?？梢钥闯鐾繉映蕦訝罱Y構，其組織均勻，結構致密，經灰度法分析涂層的孔隙率為2. 8%;涂層平均結合強度為49. 6MPa。圖3是實施例2制備納米結構涂層的TEM (透射電鏡)形貌，可以看出制備的涂層微觀組織為納米結構，其納米晶尺寸為20-75 nm。實施例3: 選用10X0. 4mm(寬度為10mm，厚度為O. 4mm)的430不銹鋼鋼帶，先將其扎成U形。取含七種元素的粉芯粉末按質量百分比1% B,23% Cr,8% Al,5% Nb,3% Mo,4% W、余量Fe，進行稱重配料。將所取的粉芯粉末放入混粉機內混合30min后，將混合的粉芯粉末加入U形不銹鋼鋼帶槽中，填充率為40 %。然后將U形槽合口，使粉芯粉末包覆在其中，再經過拉絲模逐漸減徑至Φ2πιπι成品絲材。將成品絲材繞制成出廠所需的盤狀，經計量和包裝后形成可以出廠的產品。在經過噴砂粗化后的鋼基體上制備電弧噴涂涂層，噴涂電壓為34V，噴涂電流120Α，噴涂距離為200mm，噴涂氣壓為O. 7MPa。經檢測實施例3制備納米結構涂層的平均結合強度為54. 6MPa ;孔隙率為2. 2%。實施例3制備納米結構涂層與20g鋼基體在550°C下氧化動力學曲線如圖4所示，在650°C氧化80h后，納米結構涂層的抗高溫氧化性能約為20g鋼基體的20倍，納米結構涂層具有優(yōu)異的抗高溫氧化性能。
權利要求
1.一種含納米結構抗高溫氧化腐蝕涂層用的粉芯絲材，由430不銹鋼外皮包覆粉芯制成，其特征在于粉芯由七種元素粉末混合而成，粉芯成分質量百分比含量范圍如下O.5% — 2% B、15%-25% Cr、4%_9% Al、2% — 5% Nb、l% — 3% Mo、2% — 4% W、余量 Fe ;粉芯的填充率為30%-40%，粉芯絲材的直徑為2mm。
2.根據權利要求1所述的粉芯絲材，其特征在于用高速電弧噴涂該粉芯絲材制備出的納米結構涂層，納米晶尺寸為20-75 nm，孔隙率彡3%，涂層的結合強度為45 55MPa。
全文摘要
一種含納米結構抗高溫氧化腐蝕涂層用的粉芯絲材，主要應用于電廠鍋爐“四管”的抗高溫氧化、熱腐蝕。粉芯絲材由粉芯和外皮組成，外皮為430不銹鋼鋼帶，其粉芯成分質量百分比0.5%－2%B、15%-25%Cr、4%-9%Al、2%－5%Nb、1%－3%Mo、2%－4%W、余量Fe；粉芯填充率為30%-40%，粉芯絲材的直徑為2mm。其制備方法為將不銹鋼鋼帶扎成U形，向U形槽中加粉系數(shù)為30%-40%；然后將U形槽合口，把粉末包覆其中。經拉絲模，逐漸拉拔、減徑，最后絲材的直徑為2.0mm。采用本發(fā)明研制粉芯絲材制備的涂層具有納米結構，其納米晶尺寸為20-75nm，孔隙率≤3%，結合強度為45~55MPa，涂層具有優(yōu)異的抗高溫氧化腐蝕性能。本發(fā)明可有效提高電廠鍋爐“四管”在使役環(huán)境下的使用性能，延長服役壽命。
文檔編號C23C4/06GK103060737SQ201310001569
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月5日 優(yōu)先權日2013年1月5日
發(fā)明者程江波, 王澤華, 張欣, 林盡染 申請人:河海大學