專利名稱：一種高Cr含量Ni基納米涂層粉體及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及一種高Cr含量Ni基納米涂層粉體，特別適 用于對燃煤鍋爐"四管"高溫腐蝕及沖蝕磨損的防護(hù)和修補。
技術(shù)背景由于國情和經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的需要，我國長期以來而且在今后較長時間里 仍將大量使用高硫低品質(zhì)燃煤，因此，鍋爐"四管"(包括水冷壁管、過 熱器管、再熱器管和省煤器管)因高溫腐蝕及沖蝕磨損導(dǎo)致的暴管事故仍然 是影響火力發(fā)電廠安全生產(chǎn)和制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。目前，對燃煤鍋爐"四管"高溫腐蝕及沖蝕磨損的主要防護(hù)和修補措施 是采用熱噴涂制備防護(hù)涂層，涂層材料主要選擇Ni-Cr合金及其復(fù)合材料體 系，涂層粉體和制得涂層的晶粒尺度均在微米級范圍。
隨著"確保經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展及和諧發(fā)展"目標(biāo)的提出，對電廠鍋爐運 行的安全性、穩(wěn)定性提出了更高的要求；進(jìn)一步挖掘涂層材料的潛力，提高 防護(hù)涂層的性能和使用壽命，延長大修周期又成為一項重要課題。而近年來 納米涂層材料和納米涂層制備技術(shù)的發(fā)展為上述問題的解決提供了基礎(chǔ)，使 實現(xiàn)上述傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級和促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的跨越式發(fā)展成為可能。
材料晶粒尺寸減小到納米量級表現(xiàn)出許多不同于宏觀、微觀的介觀特性。納 米顆粒分散度極高，可容許更多陶瓷、金屬間化合物等硬質(zhì)強化相存在，更充分 地發(fā)揮第二相強化的作用；納米晶間比界面值極高，界面處原子排列混亂，位錯 密度高，原子在外力作用產(chǎn)生變形時容易遷移、擴(kuò)散，表現(xiàn)出極佳的成分、組織 均勻性；材料晶粒間晶界尺寸小而分散，裂紋不易萌生和擴(kuò)展，外部介質(zhì)滲入的 通道短小而分散，涂層開裂傾向小，破壞和介質(zhì)腐蝕可能降低至較低水平。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高性能NiCrC體系納米結(jié)構(gòu)涂層粉體，用以制備納 米結(jié)構(gòu)涂層，改善防護(hù)涂層的質(zhì)量和水平，提高涂層的綜合使用性能，以進(jìn)一步 提高燃煤鍋爐"四管"抗高溫腐蝕及沖蝕磨損能力。
工作原理目前應(yīng)用于鍋爐抗高溫磨損及腐蝕的熱噴涂涂層材料以Ni-Cr合金體系為 主。研究表明鉻含量高于40%時，涂層在鍋爐"四管"500-650。C工作溫度和高 硫、氧介質(zhì)環(huán)境中，鉻能夠優(yōu)先氧化形成連續(xù)致密穩(wěn)定的CrA保護(hù)。它能阻止 涂層中生成各種不穩(wěn)定的氧化物和硫化物，從而抵抗燃料生成的腐蝕介質(zhì)的侵 蝕；0203的生成還能降低鹽中的活度，抑制NiO堿性熔融，又不至于發(fā)生酸性 熔融。但是鉻過高會使涂層脆性增大，因此晶粒尺度在微米量級的傳統(tǒng)涂層其鉻 含量一般不超過30%。而涂層中的鎳的主要作用有改善涂層的機械性能;由于 鎳具有超強的附著特性，使涂層對基體附著牢固；此外，鎳優(yōu)良的延展性使涂層 與被保護(hù)的鋼管基體具有幾乎相同的熱膨脹系數(shù)，減少熱應(yīng)力，防止涂層發(fā)生剝 落。一種高Cr含量Ni基納米涂層粉體及制備方法，先按重量百分比成分Ni: 50-52%; Cr: 44-46%; C: 1-2%進(jìn)行配料，在真空感應(yīng)熔煉爐中熔化合金，接 著采用霧化制粉設(shè)備把上述合金錠制成粉體。使用氮氣為霧化氣體，氣體壓 力1.2-1.8Mpa。霧化后對粉體進(jìn)行篩分，收得小于38微米的粉體；采用攪拌 式高能低溫球磨機對霧化粉體進(jìn)行球磨納米化加工，制備出納米粉末。霧化粉體球磨納米化加工方法為把霧化粉體裝入不銹鋼罐中進(jìn)行液氮球 磨，不銹鋼磨球的直徑為6. 5毫米，球料比選擇25: 1，罐內(nèi)液氮溫度約113K， 攪拌軸轉(zhuǎn)速200rpm,總球磨時間16-20小時。球磨機在主電機強大動力驅(qū)動下， 攪拌軸帶動攪拌臂的高速運動力使研磨介質(zhì)球與被粉碎物料作無規(guī)則運動，攪拌 臂、研磨介質(zhì)球和物料之間發(fā)生相互撞擊和剪切，使磨球?qū)ξ锪线M(jìn)行連續(xù)的沖擊 粉碎和研磨，全部動能均有效地用于物料的破碎，從而實現(xiàn)對物料的超細(xì)粉碎， 制備出納米粉末。圖1至圖4分別給出了霧化粉末和球磨20小時后粉體低倍和高倍掃描電鏡 照片，同時也對球磨2、 8、 12、 16小時的粉體取樣并作了掃描電鏡分析。霧化粉末形狀雖不很規(guī)則，但基本為近球形且表面較光滑，如圖1所示。霧 化粉末橫斷面的微觀組織呈較粗大的樹枝晶形態(tài)，見圖2。球磨2小時后上述近球 形形態(tài)即被破壞，變成類條狀或類片狀，失去光滑表面，說明粉末發(fā)生塑性變形。 球磨8小時后粉末形狀趨于規(guī)則，各方向尺寸趨于一致，呈類塊狀。8小時后隨著
球磨時間的延長，條片狀粉末數(shù)量不斷減少，類塊狀粉末增加，而且塊狀粉末棱角逐漸鈍化，圓整性提高，說明分明流動性也得到改善，見圖3。分析發(fā)現(xiàn)，長 時間球磨后粉末的微觀組織與霧化粉末有較大改變，較粗大的樹枝晶被嚴(yán)重塑性 變形的細(xì)小層狀組織代替，粉末顆粒內(nèi)部的晶粒也進(jìn)一步細(xì)化，見圖4。
對不同球磨時間粉體取樣進(jìn)行X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，霧化粉末的組成為Ni(Cr)固熔體和碳化物Cr7C3;球磨半個小時后即產(chǎn)生少量氧化物CrA，但在隨后 的球磨過程中氧化物含量沒有明顯增大，只是發(fā)現(xiàn)Ni (Cr)固熔體和碳化物07(:3 的衍射峰展寬，說明晶粒尺寸不斷減??；大約16小時后晶粒平均尺寸約達(dá)到30 納米， 一直到20小時這一尺度基本保持不便。透射電鏡對球磨16和20小時粉體的 直接觀察發(fā)現(xiàn)粉體的顆粒度在70-300納米范圍；衍射斑點呈多晶衍射環(huán)特性，Ni(Cr)固熔體晶粒的尺寸小于200納米，說明粉體的晶粒更小且球磨粉體的微觀 組成均勻。
該粉體具有良好的流動性和熱穩(wěn)定性，采用HVAF噴涂技術(shù)制備涂層后，測試 發(fā)現(xiàn)涂層組織致密且其晶粒尺寸與噴涂粉體相比沒有明顯改變，仍保持在納米量 級范圍。說明粉體在HVAF噴涂的瞬間加熱過程中無明顯晶粒長大發(fā)生，熱穩(wěn)定性 滿足HVAF噴涂要求。另外，與相同成分和噴涂條件的微米涂層相比，該HVAF納米涂層的組織致 密度、顯微硬度、500-65(TC溫度下的硫化腐蝕抗力和抗氧化能力均有一定提高； 該HVAF納米涂層在65(TC溫度下保溫100小時后，晶粒無明顯長大，說明納米 涂層在工作溫度范圍內(nèi)組織穩(wěn)定，從而為其進(jìn)一步提高燃煤鍋爐"四管"抗高 溫腐蝕及沖蝕磨損能力打下了基礎(chǔ)。


圖1霧化粉體的低倍微觀形貌。圖2霧化粉體的高倍微觀形貌。圖3粉體球磨20小時后的低倍微觀形貌圖4粉體球磨20小時后的高倍微觀形貌具體實施方式
原材料按Ni: 52%; Cr: 46%; C: 2%的重量百分比進(jìn)行配料；使用熔煉能力 50公斤的真空感應(yīng)爐在165(TC溫度下熔煉合金，接著進(jìn)行霧化制粉。制粉噴嘴為 限制式環(huán)縫噴嘴，霧化氣體為氮氣，壓力1.5Mpa。霧化后對粉體進(jìn)行篩分，收得 小于38微米的粉體。測得粉體的組成為Ni: 52.26%; Cr: 45.88%; C: 1.86%。 把上述粉體裝入不銹鋼罐中進(jìn)行液氮球磨。不銹鋼磨球的直徑為6. 5毫米，球料 比選擇25: 1，罐內(nèi)液氮溫度約113K，攪拌軸轉(zhuǎn)速200 rpm,總球磨時間20小 時。液氮的作用是保證在球磨過程中的低溫環(huán)境，防止生成的納米粉末自身的靜 電團(tuán)聚和在高能摩擦生成熱量時晶粒長大。同時，在液氮介質(zhì)下進(jìn)行濕磨也有利 于加快球磨速度，增加球磨效率。
權(quán)利要求
1、一種高Cr含量Ni基納米涂層粉體材料，其特征在于粉體材料成分重量百分比為Ni50-52％；Cr44-46％；C1-2％。
2、 如權(quán)利要求l所述高Cr含量Ni基納米涂層粉體材料，其特征在于制備方法 采用霧化制粉技術(shù)，用真空感應(yīng)熔煉爐熔煉合金，接著采用霧化制粉設(shè)備 把合金錠制成粉體；使用氮氣為霧化氣體，氣體壓力1.2-1.8Mpa;霧化后 對粉體進(jìn)行篩分，收得小于38微米的粉體；采用攪拌式高能低溫球磨機對 霧化粉體進(jìn)行球磨納米化加工，制備出納米粉末。
3、 如權(quán)利要求2所述高Cr含量Ni基納米涂層粉體材料制備方法；其特征在于攪拌式高能低溫球磨機對霧化粉體進(jìn)行球磨納米化加工要求是液氮球磨， 不銹鋼磨球的直徑為6.5毫米，球料比選擇25: 1，罐內(nèi)液氮溫度為 100-120K，攪拌軸轉(zhuǎn)速200 rpm，總球磨時間16-20小時。
全文摘要
一種高Cr含量Ni基納米涂層粉體材料的成分及制備方法。屬于金屬材料領(lǐng)域，特別適用于對燃煤鍋爐“四管”高溫腐蝕及沖蝕磨損的防護(hù)和修補。粉體材料成分重量百分比為Ni50-52％；Cr44-46％；C1-2％。首先通過真空熔煉和霧化制粉技術(shù)制備原始粉體，然后采用液氮保護(hù)下的球磨技術(shù)對上述粉體進(jìn)行16-20小時的納米化加工，制成晶粒尺度為納米量級的粉體。該粉體材料具有良好的流動性和熱穩(wěn)定性，本發(fā)明可改善防護(hù)涂層的質(zhì)量和水平，提高涂層的綜合使用性能，能進(jìn)一步提高燃煤鍋爐“四管”抗高溫腐蝕及沖蝕磨損能力。用該材料采用超音速火焰噴涂制備納米結(jié)構(gòu)涂層；納米涂層組織致密度、顯微硬度以及在500-650℃溫度下的硫化腐蝕抗力和抗氧化能力均優(yōu)于相同成分和方法制備的微米涂層。
文檔編號C22C1/02GK101126145SQ20071012223
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月24日
發(fā)明者周香林, 華 崔, 張濟(jì)山, 凱 陶 申請人:北京科技大學(xué)