專(zhuān)利名稱(chēng)：用于制備高溫耐磨耐蝕熔覆層的粉末材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種用于制備高溫耐磨耐蝕熔覆層的粉末材料及制備方法；利用激光束熔覆粉末材料，形成耐磨耐蝕熔覆層；適用于煤與生物質(zhì)共燃的循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管、省煤器管以及過(guò)熱器管的耐磨耐蝕表面處理。
背景技術(shù)：
煤與生物質(zhì)共燃是一種綜合利用生物質(zhì)能和煤炭資源、并同時(shí)降低污染排放的新型燃燒方式。利用煤與生物質(zhì)共燃技術(shù)，可增加鍋爐效率、減少燃料消耗、減少污染物(NOx、SO2)和溫室氣體CO2的排放。 由于循環(huán)流化床鍋爐對(duì)燃料適應(yīng)性強(qiáng)、可同時(shí)燃燒幾種不同特性的燃料、燃料種類(lèi)的選擇和摻混比例比較靈活，因而利用循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行煤與生物質(zhì)共燃具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。秸桿、稻殼鋸末等生物質(zhì)原料具有較高的氯含量，生物質(zhì)燃燒后的灰份中含有大量的堿金屬氯化物。當(dāng)煤與氯含量較高的生物質(zhì)共燃時(shí)，在一定的溫度下對(duì)水冷壁管、省煤器管以及過(guò)熱器造成嚴(yán)重氯腐蝕，嚴(yán)重影響了鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)生物質(zhì)摻燒熱量不高于10%時(shí)，鍋爐的腐蝕速率比純煤運(yùn)行時(shí)明顯增加，但基本不影響運(yùn)行。而當(dāng)生物質(zhì)摻燒熱量大于10%時(shí)，腐蝕問(wèn)題不容忽視。在煤與生物質(zhì)共燃煙氣中，當(dāng)氯含量較高的生物質(zhì)摻燒比例達(dá)到60%時(shí)，煙氣中氯含量是單獨(dú)燃用煤時(shí)的20倍，這樣就使得過(guò)熱器管、水冷壁管和省煤器管的高溫氯腐蝕問(wèn)題十分嚴(yán)重。循環(huán)流化床鍋爐的工作原理為將煤(或煤與生物質(zhì)燃料)和脫硫劑送入爐膛著火燃燒，同時(shí)進(jìn)行脫硫反應(yīng)，固體顆粒在上升煙氣流的作用下向爐膛上部運(yùn)動(dòng)，對(duì)水冷壁和爐內(nèi)布置的其他受熱面放熱；粗大粒子進(jìn)入懸浮區(qū)域后在重力及外力作用下偏離主氣流，從而貼水冷壁向下流動(dòng)，造成水冷壁管的磨損。循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管的磨損主要集中在爐膛下部衛(wèi)燃帶與水冷壁管過(guò)渡區(qū)域、爐膛四周角落等區(qū)域和不規(guī)則區(qū)域。水冷壁管的平均磨損速率一般為O. 685-2mm/年,一些燃用劣質(zhì)煤電廠的水冷壁管運(yùn)行壽命僅200多小時(shí)。在燃燒煤的工況下，磨損是引起循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管失效的主要原因。當(dāng)煤與生物質(zhì)共燃時(shí)，水冷壁管及省煤氣管在磨損、高溫氯腐蝕的惡劣環(huán)境下工作，需要對(duì)水冷壁管、省煤器管進(jìn)行耐磨、耐蝕表面防護(hù)。對(duì)過(guò)熱器管而言，主要是進(jìn)行高溫氯腐蝕防護(hù)。目前國(guó)內(nèi)外主要采用熱噴涂技術(shù)(主要是電弧噴涂)對(duì)循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管進(jìn)行防磨處理。但熱噴涂技術(shù)還存在如下局限性I、涂層與基體為機(jī)械結(jié)合，涂層在顆粒高速撞擊下易脫落失效；2、涂層厚度受限制，一般涂層厚度為300-500 μ m,厚的涂層(500-1500 μ m)易在熱應(yīng)力作用下剝落失效；3、如對(duì)水冷壁管進(jìn)行二次噴涂，由于難以通過(guò)噴砂去除原有涂層殘留物中包含的硬質(zhì)顆粒，導(dǎo)致二次噴涂的涂層結(jié)合強(qiáng)度低、防磨效果更差；
4、熱噴涂涂層存在2-10%的孔隙率，即便涂封孔劑也易形成腐蝕通道，從而顯著降低了涂層的整體耐磨耐蝕性。激光熔覆技術(shù)為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外各種加工技術(shù)中最先進(jìn)的技術(shù)，具有能量密度高、稀釋度低、工件熱變形極小等特點(diǎn)。激光熔覆法制備的熔覆層具有組織致密、無(wú)氣孔、與基體冶金結(jié)合、成分及厚度均勻等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)是其它表面技術(shù)難以具備的。因此，利用激光熔覆技術(shù)在鍋爐管外表面制備耐磨耐蝕熔覆層具有極大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。Ni-Cr-Mo系、Ni-Fe-Cr-Mo系合金雖然具有優(yōu)異的高溫耐氯腐蝕性能,但其耐磨性較差；Fe-Cr-B-C系、Ni-Cr-B-Si系等合金具有較高的耐磨性，但其高溫耐氯腐蝕性能差?，F(xiàn)有用于電廠鍋爐的耐磨耐蝕材料難以滿足煤與生物質(zhì)共燃工況下水冷壁管、省煤器管的耐磨、耐高溫氯腐蝕要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于制備高溫耐磨耐蝕熔覆層的粉末材料及制備方法，可同時(shí)滿足鍋爐管高溫耐磨、耐氯腐蝕的技術(shù)要求，可顯著延長(zhǎng)水冷壁管、省煤器管和過(guò)熱器管的壽命。本發(fā)明采用高能量密度的激光熔覆技術(shù)，使熔覆層具有低的稀釋率，從而可有效控制基體材料中Fe元素?cái)U(kuò)散對(duì)熔覆層耐蝕性的影響。所制備的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料熔覆層的表面顯微硬度可在480-900HV范圍，其耐磨耐蝕相對(duì)壽命可達(dá)基體材料的3倍以上。本發(fā)明是通過(guò)以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用于制備高溫耐磨耐蝕熔覆層的粉末材料的組分及各組分含量為NbC粉(粒度-140+400 目，純度彡 99. 5% ) 8-15wt. %;TiC 粉(粒度-150+400 目，純度彡 99. 5% )3-8wt. %;Ti 粉(粒度-150+300 目，純度彡 99. 5%) :1-1. 5wt. %;VC 粉(粒度-140+400 目，純度彡 99. 5%) 3-6wt. %;Ni-Cr-Mo 系合金粉(粒度-140+325 目):余量；其中，Ni-Cr-Mo系合金粉的成分為Cr 22-28wt. %, Mo 13-20wt. %, Co l-2wt. %, W 3-5wt. %，Ni :余量，且Cr與Mo的重量百分比之和> 37wt. %。粉末原料中各組分作用如下Ni-Cr-Mo系合金粉末經(jīng)熔覆后作為熔覆層中的連續(xù)相，其耐高溫氯、硫腐蝕性能優(yōu)異，與哈氏合金C22的耐蝕性相當(dāng)。熔覆過(guò)程中，基體中的Fe元素向熔覆層擴(kuò)散，導(dǎo)致熔覆層中Cr、Mo元素含量降低，從而使熔覆層的耐蝕性下降。為提高熔覆層的耐蝕性能，所述Ni-Cr-Mo系合金粉末中，Cr、Mo的總含量高于哈氏合金C系列中的對(duì)應(yīng)值。混合粉末中，NbC, TiC, VC的作用是在Ni-Cr-Mo系合金熔覆層中形成彌散分布的陶瓷顆粒增強(qiáng)體，使熔覆層具有較高的耐磨性；Ti的作用是與熔覆層中游離碳起反應(yīng)生成細(xì)小彌散分布的TiC增強(qiáng)相，從而避免游離碳與Cr反應(yīng)生成鉻的碳化物。由于熔覆層中Ni-Cr-Mo系合金為連續(xù)相、陶瓷顆粒彌散分布，即便陶瓷顆粒因磨損而剝落或被腐蝕，熔覆層中也不會(huì)形成通向基體材料的腐蝕通道，從而使鍋爐管基體材料在熔覆層的保護(hù)下免于腐蝕。所述Ni-Cr-Mo系合金粉末的制備方法為現(xiàn)有成熟工藝，即其制作的原理是將合金在熔爐中熔化，經(jīng)中間包過(guò)渡，將熔體注入到氣霧化區(qū)霧化得到Ni-Cr-Mo系合金粉末，將粉末篩分后得到所需粒度的Ni-Cr-Mo系合金粉末(用于送粉器的最佳粒度為-140+325目)。本發(fā)明的制備方法包括以下步驟I、配制粉末原料所述粉末原料的重量百分?jǐn)?shù)范圍如下NbC粉(粒度-140+400目是指粒度大于400目并小于等于140目，純度≥ 99. 5% ) 8-15wt. % ;TiC 粉(粒度-150+400 目，純度≥ 99. 5% ) 3-8wt. % ；Ti 粉(粒 度-150+300 目，純度≥ 99. 5% ) :1-1. 5wt. %;VC 粉(粒度-140+400 目，純度≥ 99. 5% ) 3-6wt. %;Ni-Cr-Mo合金粉(粒度-140+325目):余量；其中，Ni-Cr-Mo系合金粉末的成分為Cr 22-28wt. % ,Mo 13-20wt. %,Co l-2wt. %,ff 3-5wt. %,Ni :余量，且 Cr 與 Mo 的重量百分比之和≥37wt. %。2、制備混合粉末的工藝(I)按步驟I所述的各種粉末比例，稱(chēng)取所需的各種粉末；(2)將粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱溫度為100-150°C，干燥時(shí)間為2_3小時(shí)；(3)利用干粉混料設(shè)備(如V型混料機(jī))混合粉末原料，形成混合粉末，混料時(shí)間為3-5小時(shí)；(4)將混和后的混合粉末裝入塑料袋密封儲(chǔ)存。3、制備熔覆層工藝 本發(fā)明的技術(shù)主要用于在循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管、省煤器管和過(guò)熱器管外表面制備耐磨耐蝕熔覆層。制備熔覆層設(shè)備包括光纖傳輸?shù)腘d:YAG燈泵浦固體激光器或半導(dǎo)體直接輸出激光器、螺桿式同步送粉器、數(shù)控機(jī)械臂和熔覆工作臺(tái)。如選用Nd:YAG燈泵浦固體激光器，其波長(zhǎng)為1064nm、光纖偶合、功率為700-1500W ;如選用半導(dǎo)體直接輸出激光器，其輸出功率為l-4kW。激光熔覆工藝為已有成熟技術(shù)，熔覆時(shí)利用數(shù)控機(jī)械臂控制激光頭作直線運(yùn)動(dòng)、鍋爐管作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方法，在鍋爐管外表面進(jìn)行螺旋搭接熔覆，單層熔覆層厚度為400-1000 μ m。采用多層熔覆方法，可使熔覆層厚度達(dá)到800-3000 μ m。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為利用高能量密度激光束熔化混合粉末，在水冷壁管、省煤器管和過(guò)熱器管外表面形成以Ni-Cr-Mo系合金為粘結(jié)相的陶瓷顆粒增強(qiáng)耐磨耐蝕熔覆層，熔覆層與基體達(dá)到冶金結(jié)合、稀釋率低。本發(fā)明的方法具有制備成本較低、熔覆層耐磨耐腐蝕壽命長(zhǎng)、工藝較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可顯著延長(zhǎng)水冷壁管、省煤器管和過(guò)熱器管外表面的耐磨耐蝕壽命O


圖I為熔覆層顯微硬度隨熔覆層深度變化曲線(X = O表示熔覆層表面硬度)。圖2為水冷壁管斷面及熔覆層所在位置示意圖。其中，熔覆層I、水冷壁管基體2。圖3為熔覆層與基體結(jié)合界面的掃描電鏡照片(侵蝕后)。其中，熔覆層3，基體4。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例I :在水冷壁管受熱面制備耐磨耐蝕熔覆層一、混合粉末的制備
I、配制粉末原料所述粉末原料的重量百分?jǐn)?shù)范圍如下NbC 粉(粒度-140+300 目，純度彡 99. 5%) 10wt. %;TiC 粉(粒度-150+300 目，純度彡 99. 5 % ) 4wt. % ；Ti 粉(粒度-150+300 目，純度彡 99. 5 % ) lwt. % ；VC 粉(粒度-140+300目，純度彡99. 5% ) 4wt. % ；Ni-Cr-Mo系合金粉(粒度-140+325目):余量；其中，Ni-Cr-Mo 系合金粉的成分為Cr 25wt. %, Mo 15wt. %, Co lwt. %, W 3wt. %, Ni 余量；Ni-Cr-Mo系合金粉由現(xiàn)有成熟的氣霧化方法制備。2、混合粉末的制備工藝(I)按步驟I所述的各種粉末比例，稱(chēng)取粉末原料所需的各種粉末；(2)將粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱溫度為120°C，干燥時(shí)間為3小時(shí)；(3)利用球磨機(jī)混合粉末原料，形成混合粉末，混料時(shí)間為3小時(shí)；(4)將混合粉末用塑料袋密封存儲(chǔ)。二、熔覆層制備工藝在循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管外表面制備耐磨耐蝕熔覆層，水冷壁管材料為20G鋼，其外徑57mm、管壁厚度6mm、長(zhǎng)度為4m。制備熔覆層的工藝步驟為(I)利用電動(dòng)砂輪對(duì)水冷壁管外表面進(jìn)行除銹處理；(2)在水冷壁管受熱面制備耐磨耐蝕熔覆層。制備熔覆層的設(shè)備主要由輸出功率為700W的Nd = YAG燈泵浦固體激光器、螺桿式同步送粉器、數(shù)控機(jī)械臂和熔覆工作臺(tái)等部分組成。熔覆前將水冷壁管固定在可作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的熔覆工作臺(tái)上。激光熔覆工藝為已有成熟技術(shù)，熔覆時(shí)利用數(shù)控機(jī)械臂控制激光頭作直線運(yùn)動(dòng)、水冷壁管作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在水冷壁管外表面進(jìn)行螺旋搭接熔覆。熔覆時(shí)激光器工作電流為320A，激光頭水平移動(dòng)速度為0. 072mm/s，水冷壁管旋轉(zhuǎn)速度為0. 04轉(zhuǎn)/s，通過(guò)數(shù)控機(jī)械臂控制激光頭出口處與水冷壁管外表面垂直距離不變(30mm)，所得單層熔覆層的平均厚度為400 Um0采用2層熔覆方法，使熔覆層平均厚度達(dá)到800 u m。由于僅需在水冷壁管受熱面進(jìn)行耐磨耐蝕防護(hù)、且現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)水冷壁管由鰭片連接，所需熔覆的面積為水冷壁管外表面面積的43. 3%。熔覆時(shí)，通過(guò)行程開(kāi)關(guān)控制激光頭在所需熔覆區(qū)域工作、而在其它不需熔覆部位激光頭停止工作，水冷壁管熔覆區(qū)域斷面圖見(jiàn)圖2。實(shí)施例2 :在省煤器管外表面制備耐磨耐蝕熔覆層一、混合粉末的制備I、配制粉末原料所述粉末原料的重量百分?jǐn)?shù)范圍如下NbC 粉(粒度-140+300 目，純度彡 99. 5%) llwt. %;TiC 粉(粒度-150+300 目，純度彡 99. 5% ) 5wt. % ；Ti 粉(粒度-150+300 目，純度彡 99. 5% ) :1. 5wt. % ;VC 粉(粒度-140+300目，純度彡99. 5%) 4wt. % ;Ni-Cr_Mo系合金粉(粒度-140+325目):余量;其中，Ni-Cr-Mo 系合金粉的成分為Cr 27wt. %, Mo 13wt. %, Co lwt. %, W 3wt. % , Ni 余量；Ni-Cr-Mo系合金粉由現(xiàn)有成熟的氣霧化方法制備。2、混合粉末的制備工藝(I)按步驟I所述的各種粉末比例，稱(chēng)取粉末原料所需的各種粉末；(2)將粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱溫度為120°C，干燥時(shí)間為3小時(shí)；(3)利用球磨機(jī)混合粉末原料，形成混合粉末，混料時(shí)間為3小時(shí)；(4)將混合粉末用塑料袋密封存儲(chǔ)。二、熔覆層制備工藝在循環(huán)流化床鍋爐省煤器管外表面制備耐磨耐蝕熔覆層，省煤器管的材料牌號(hào)為SA210-C，其外徑60臟、管壁厚度7. 5mm、長(zhǎng)度為4m。制備熔覆層的工藝步驟為(I)利用電動(dòng)砂輪對(duì)省煤器壁管外表面進(jìn)行除銹處理；(2)在省煤器管外表面制備耐磨耐蝕熔覆層。制備熔覆層的設(shè)備主要由最大輸出功率為4kW的半導(dǎo)體直接輸出激光器(激光的光斑寬度為8mm)、螺桿式同步送粉器、數(shù)控機(jī)械臂和熔覆工作臺(tái)等部分組成。熔覆前將省煤器管固定在可作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的熔覆工作臺(tái)上。激光熔覆工藝為已有成熟技術(shù)，熔覆時(shí)利用數(shù)控機(jī)械臂控制激光頭作直線運(yùn)動(dòng)、省煤器管作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在省煤器管外表面進(jìn)行螺旋搭接熔覆。熔覆時(shí)激光器功率為2. 2kW，激光頭水平移動(dòng)速度為O. 33mm/s，省煤器管旋轉(zhuǎn)速度為 O. 064轉(zhuǎn)/s，通過(guò)數(shù)控機(jī)械臂的垂直高度控制裝置使激光器作用于省煤器外表面的光斑寬度為8mm，所得單層熔覆層的平均厚度為900 μ m。
權(quán)利要求
1.ー種用于制備高溫耐磨耐蝕熔覆層的粉末材料，其特征在于，該粉末材料的組分及各組分含量為NbC 粉8-15wt. % ;TiC 粉3-8wt. % ；Ti 粉:トI. 5wt. % ;VC 粉3-6wt. % ；Ni-Cr-Mo系合金粉余量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于制備高溫耐磨耐蝕熔覆層的粉末材料，其特征在于，所述的 Ni-Cr-Mo 系合金粉末的成分為Cr 22-28wt. %, Mo 13-20wt. %, Co l-2wt. %, W 3-5wt. %, Ni :余量，且Cr與Mo的重量百分比之和彡37wt.
3.—種權(quán)利要求I所述用于制備高溫耐磨耐蝕熔覆層的粉末材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)配制粉末原料 組分及各組分含量為=NbC粉8-15wt. % ；TiC粉3-8wt. % ；Ti粉:トI. 5wt. % ；VC粉3-6wt. % ；Ni-Cr-Mo系合金粉余量； (2)制備混合粉末 按步驟I所述的各種粉末比例，稱(chēng)取所需的各種粉末； 將粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱溫度為100-150°C，干燥時(shí)間為2-3小時(shí)； 利用干粉混料設(shè)備混合粉末原料，形成混合粉末，混料時(shí)間為3-5小時(shí)； 將混和后的混合粉末裝入塑料袋密封儲(chǔ)存； (3)制備熔覆層 選用Nd = YAG燈泵浦固體激光器，其波長(zhǎng)為1064nm、光纖偶合、功率為700-1500W ;或選用半導(dǎo)體直接輸出激光器，其輸出功率為l_4kW; 熔覆時(shí)利用數(shù)控機(jī)械臂控制激光頭作直線運(yùn)動(dòng)，鍋爐管作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在鍋爐管外表面進(jìn)行螺旋搭接熔覆，單層熔覆層厚度為400-1000 μ m ； 采用多層熔覆，使熔覆層厚度達(dá)到800-3000 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，制備熔覆層設(shè)備包括光纖傳輸?shù)腘d:YAG燈泵浦固體激光器或半導(dǎo)體直接輸出激光器、螺桿式同步送粉器、數(shù)控機(jī)械臂和熔覆工作臺(tái)。
全文摘要
一種用于制備高溫耐磨耐蝕熔覆層的粉末材料及制備方法，屬于表面工程技術(shù)領(lǐng)域。該粉末材料的組分及各組分含量為NbC粉8-15wt.％；TiC粉3-8wt.％；Ti粉1-1.5wt.％；VC粉3-6wt.％；Ni-Cr-Mo系合金粉余量。制備方法包括配制粉末原料、制備混合粉末、制備熔覆層。優(yōu)點(diǎn)在于，可同時(shí)滿足鍋爐管高溫耐磨、耐氯腐蝕的技術(shù)要求，可顯著延長(zhǎng)水冷壁管、省煤器管和過(guò)熱器管的壽命。
文檔編號(hào)C23C4/06GK102634747SQ20121012837
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月26日
發(fā)明者任威宇, 劉再德, 劉宗德, 溫鵬, 王永田, 鐘成圓 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)