CN108927513B

CN108927513B - 一种耐高温冲蚀磨损的粉末材料及熔覆层的制备方法

Info

Publication number: CN108927513B
Application number: CN201810731943.XA
Authority: CN
Inventors: 刘宗德
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: Beijing Qingshan Technology Co ltd
Priority date: 2018-07-05
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2020-02-21
Anticipated expiration: 2038-07-05
Also published as: CN108927513A

Abstract

本发明公开了一种耐高温冲蚀磨损的粉末材料，其包括以下重量百分比的组份：Al‑Si‑Ti合金粉末：20‑30wt.％；CrB₂粉末15‑25％wt.％；Ni‑Cr‑Mo‑C合金粉末：余量。使用所述粉末材料可以制备带有耐高温冲蚀磨损的熔覆层的工件，先将待熔覆工件表面预处理，再将所述粉末材料装入送粉器中，激光头静止、所述待熔覆工件相对于激光头作螺旋运动、采用搭接熔覆方式在待熔覆工件表面形成熔覆层。本发明制备的熔覆层的抗氧化温度最高可达1300℃，其室温硬度可达650‐900HV，具有导热性好、抗热震性强、耐热、耐磨等优点。

Description

一种耐高温冲蚀磨损的粉末材料及熔覆层的制备方法

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，涉及一种用于在金属部件表面制备耐高温冲蚀磨损熔覆层的粉末材料及熔覆层的制备工艺。

背景技术

热电偶是火电厂、水泥厂等企业在生产中常用的测温元件，热电偶保护管不仅要在高温环境下工作,而且还要承受颗粒的高温冲蚀磨损。水泥生产线所用的一些热电偶保护管需要在1000‐1300℃、颗粒冲蚀的恶劣条件下工作，如采用高温合金管，其寿命一般为7-30天。近年来，随着环保部门不断制定更高的排放标准，脱硝设备已经成为火电机组的标配。循环流化床锅炉常采用SNCR(选择性非催化还原)法脱销，脱销用喷氨合金管长期在温度为800-1100℃、颗粒高速冲刷的恶劣环境下工作，其寿命仅为1-6个月，严重影响了锅炉的安全、环保运行。

目前火电厂、水泥厂常用的高温材料主要有高温合金和陶瓷材料等两大类。高温合金部件的优点是强度高、导热性好，但常用高温合金的极限耐氧化温度≤1100℃、高温耐磨性较差，这使得高温部件的寿命短，难以满足企业正常生产的要求。碳化硅、氧化铝等陶瓷材料具有高的高温耐磨性与抗氧化性，但与金属材料比，陶瓷材料存在韧性低、抗热震性能差等缺点，在使用过程中常常存在因机械冲击和热震而脆断的问题。

金属间化合物为金属与金属或金属与准金属形成的化合物，金属间化合物由于具有优于高温合金的耐热性、高的比强度和高的抗氧化性，以及优于陶瓷材料的韧性和良好的热加工性而受到广泛关注。金属间化合物原子间的结合键常为混合键，一般由离子键、共价键和金属键组成。由于存在离子键或共价键，故金属间化合物往往存在硬而脆的缺点(强度高，塑性差)，难以直接作为高温部件应用。

常用的陶瓷颗粒增强金属基复合材料(例如Cr₃C₂-NiCr、TiC-Ni、TiB₂-Ni、CrB₂-Ni、WC-Co等)具有高的耐磨性，但其抗氧化温度一般在500-1000℃范围，无法满足1000-1300℃环境下的抗氧化及耐磨要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种用于部件高温冲蚀磨损防护的粉末材料及高温耐磨陶瓷-金属复合材料熔覆层的制备方法。该熔覆层兼顾了金属和陶瓷的优点，具有导热性好、抗热震性强、耐热、耐磨等优点。熔覆层在冲蚀环境下的工作温度最高可达1300℃。

本发明的技术方案如下。

一种耐高温冲蚀磨损的粉末材料，包括以下重量百分比的组份：

Al-Si-Ti合金粉末(粒度-140+400目,纯度≥99.5％；其中,-140+400目表示粉末粒度在400目至140目范围)：20-30wt.％；CrB₂粉末(粒度-200+400目,纯度≥99.5％)：15-25％wt.％；Ni-Cr-Mo-C合金粉末(粒度-140+325目,纯度≥99.5％)：余量。其中：Al-Si-Ti合金粉末的成分为：Si:20-25wt.％；Ti:0.5-3wt.％；Al:余量；Ni-Cr-Mo-C合金粉末的成分为：Cr:10-20wt.％；Mo:3-5wt.％；C:1-1.5wt.％；Ni:余量。

粉末原料中各组分作用如下：

混合粉末在激光束的加热作用下熔化并形成熔池，熔池冷却后所形成熔覆层含有Ni‐Al金属间化合物相(Ni_xAl_y)、Ni‐Mo‐Si固溶体、弥散分布的Cr‐C碳化合物颗粒(Cr_xC_y)、Cr‐B化合物颗粒(Cr_xB_y)和少量Ti与CrB₂反应生成的Ti‐B化合物颗粒(Ti_xB_y)。

当熔覆层在高温环境下工作时，由于Al、Si元素具有较高的扩散能力，可以在靠近熔覆层表面处生成较为致密的Al₂O₃、SiO₂保护膜。Al₂O₃的形成既可以显著提高熔覆层的抗氧化能力，又能使熔覆层表面硬度和耐磨性显著增加。

采用已有成熟技术制备上述Al-Si-Ti、Ni-Cr-Mo-C合金粉末，为了使上述合金粉末具有较好的球形度，本发明采用气雾化法制备Al-Si-Ti、Ni-Cr-Mo-C合金粉末。所用CrB₂粉末为常用的陶瓷粉末。

混合粉末的制备方法如下：

(1)按以下配比称取粉末材料：Al-Si-Ti合金粉末(粒度-140+400目,纯度≥99.5％)：20-30wt.％；CrB₂粉末(粒度-200+400目,纯度≥99.5％)：15-25％wt.％；Ni-Cr-Mo-C合金粉末(粒度-140+325目,纯度≥99.5％)：余量。其中：Al-Si-Ti合金粉末的成分为：Si:20-25wt.％；Ti:0.5-3wt.％；Al:余量；Ni-Cr-Mo-C合金粉末的成分为：Cr:10-20wt.％；Mo:3-5wt.％；C:1-1.5wt.％；Ni:余量。

(2)将上述粉末材料置于干燥箱中，在100‐120℃下干燥3-5小时；然后将干燥后的粉末在球磨机中进行混料，混料时间为4-8小时，得到混合粉末。

制备熔覆层的方法如下：

选用2-3kW的光纤耦合输出半导体激光器或光纤激光器制备熔覆层，激光束焦点光斑直径为1-3mm，送粉器送粉量2-4kg/h，激光光斑与工件相对运动速度为3-7cm/s；单次熔覆时，相邻两道熔覆层的搭接率为40-50％，单层熔覆所形成熔覆层厚度为500-1200μm。

本发明的材料可用于在金属部件表面制备高温耐磨熔覆层，其优点在于，避免了金属材料高温耐磨性和抗氧化性差的缺点，也避免了陶瓷材料抗热振性差的缺点，熔覆层具有导热性好、抗热震性强、耐热、耐磨等优点。本发明所制备熔覆层的抗氧化温度最高可达1300℃，其室温硬度可达650‐900HV。

附图说明

图1为熔覆层样品经1100℃高温氧化64小时后熔覆层表面形貌照片。

图2为熔覆层断面扫描电镜照片。

图3为1100℃高温氧化64小时后熔覆层表面氧化物的扫描电镜照片。

图4为样品经1100℃高温氧化64小时后熔覆层断面显微硬度图。

图5为带有熔覆层的喷氨管照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。

图1为熔覆层样品经1100℃高温氧化64小时后熔覆层表面形貌照片，316不锈钢基材已经被严重氧化并形成厚度约4mm的氧化层，熔覆层表面生成了致密的保护性氧化膜；熔覆层1，基体氧化层2。

图2为熔覆层断面扫描电镜照片，Cr‐B化合物3，Cr‐C化合物4，Ni‐Al金属间化合物5。

图3为1100℃高温氧化64小时后熔覆层表面氧化物的扫描电镜照片，Ni‐Mo‐Si固溶体与少量Al₂O₃的混合物6，Al₂O₃与少量Ni‐Mo‐Si固溶体的混合物7。

图4为样品经1100℃高温氧化64小时后熔覆层断面显微硬度，从图中可发现，由于氧化铝的生成，靠近熔覆层表面处(约600μm的厚度)的显微硬度显著高于断面其它区域的显微硬度。

图5为带有熔覆层的喷氨管照片，在其头部沿长度方向200mm的区域制备了熔覆层，熔覆层厚度2.2mm；熔覆层8。

实施例1：在保护管外表面制备高温耐磨熔覆层

1、制备混合粉末。

(1)按以下配比称取粉末材料：Al-Si-Ti合金粉末(粒度-140+400目,纯度≥99.5％)：21wt.％；CrB₂粉末(粒度-200+400目,纯度≥99.5％)：20％wt.％；Ni-Cr-Mo-C合金粉末(粒度-140+325目,纯度≥99.5％)：余量。其中：Al-Si-Ti合金粉末的成分为：Si:20wt.％；Ti:0.5wt.％；Al:余量；Ni-Cr-Mo-C合金粉末的成分为：Cr:10wt.％；Mo:3wt.％；C:1wt.％；Ni:余量。

(2)将上述粉末材料置于干燥箱中，在100℃下干燥3小时；然后将干燥后的粉末在WSM型卧式球磨机中进行混料，混料时间为5小时，得到混合粉末。

2、在热电偶保护管外表面制备熔覆层

保护管材料为GH3039镍基高温合金，其外径为24mm、内径为8mm、管壁厚度为8mm、保护管长度为600mm，需要在保护管长度为300mm的外表面制备熔覆层。具体步骤如下：

制备熔覆层的具体步骤如下：

1)将待熔覆保护管进行表面除锈、除油处理，将待熔覆保护管固定在熔覆工作台的卡盘上；

2)将上述粉末材料装入气动同步送粉器的储粉容器中，采用激光头静止、保护管相对于激光头作螺旋运动、搭接熔覆的方法制备熔覆层；

3)熔覆主要参数为：选用功率为2kW的光纤耦合输出半导体激光器进行熔覆，激光束焦点光斑为2.5mm，熔覆时激光器输出功率为1.9kW、送粉器送粉量2kg/h，激光光斑与工件相对运动速度3cm/s；相邻两道熔覆层的搭接率为50％，所形成熔覆层厚度为600μm。

在相同区域重复步骤2)-3)三次，可制备平均厚度约1800μm的熔覆层。

实施例2：在脱硝用喷氨管外表面制备高温耐磨熔覆层

1、制备混合粉末。

(1)按以下配比称取粉末材料：Al-Si-Ti合金粉末(粒度-140+325目,纯度≥99.5％)：30wt.％；CrB₂粉末(粒度-200+400目,纯度≥99.5％)：25％wt.％；Ni-Cr-Mo-C合金粉末(粒度-140+325目,纯度≥99.5％)：余量。其中：Al-Si-Ti合金粉末的成分为：Si:25wt.％；Ti:3wt.％；Al:余量；Ni-Cr-Mo-C合金粉末的成分为：Cr:20wt.％；Mo:5wt.％；C:1.5wt.％；Ni:余量。

(2)将上述粉末材料置于干燥箱中，在120℃下干燥5小时；然后将干燥后的粉末在WSM型卧式球磨机中进行混料，混料时间为5小时，得到混合粉末。

2、在喷氨管外表面制备熔覆层

喷氨管材料为304不锈钢，其外径为95mm、内径为75mm、管壁厚度为10mm、喷氨管长度为800mm，在喷氨管头部、长度为200mm的外表面制备熔覆层。具体步骤如下：

制备熔覆层的具体步骤如下：

1)对待熔覆喷氨管进行表面除锈、除油处理，将待熔覆喷氨管固定在熔覆工作台的卡盘上；

2)将上述混合粉末装入气动同步送粉器的储粉容器中，采用激光头静止、保护管相对于激光头作螺旋运动、搭接熔覆的方法制备熔覆层；

3)熔覆主要参数为：选用功率为2kW的光纤激光器进行熔覆，激光束焦点光斑直径为1mm，熔覆时激光器输出功率为2kW、送粉器送粉量3kg/h，激光光斑与工件相对运动速度4cm/s；相邻两道熔覆层的搭接率为45％，所形成熔覆层厚度为1100μm。

在相同区域重复步骤2)-3)二次，可制备平均厚度约为2200μm的熔覆层。

上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种耐高温冲蚀磨损的熔覆层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将待熔覆工件表面预处理，然后将待熔覆工件固定在操作台的卡盘上；

2)将粉末材料装入送粉器中，激光头静止、所述待熔覆工件相对于激光头作螺旋运动、采用搭接熔覆方式在待熔覆工件表面形成熔覆层；

所述粉末材料包括以下重量百分比的组分：

Al-Si-Ti合金粉末：20-30wt.％；

CrB₂粉末15-25％wt.％；

Ni-Cr-Mo-C合金粉末：余量；

所述激光头为2-3kW的光纤耦合输出半导体激光器或光纤激光器，激光束焦点光斑直径为1-3mm，激光光斑与待熔覆工件相对运动速度为3-7cm/s。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Al-Si-Ti合金粉末的粒度-140+400目,纯度≥99.5％；所述CrB₂粉末的粒度-200+400目,纯度≥99.5％；所述Ni-Cr-Mo-C合金粉末的粒度-140+325目,纯度≥99.5％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Al-Si-Ti合金粉末的成分为：Si:20-25wt.％；Ti:0.5-3wt.％；Al:余量；所述Ni-Cr-Mo-C合金粉末的成分为：Cr:10-20wt.％；Mo:3-5wt.％；C:1-1.5wt.％；Ni:余量。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粉末材料的制备方法是将所述各组分置于干燥箱中，在100-120℃干燥3-5小时；然后送入球磨机中进行混料，混料时间为4-8小时。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预处理包括表面除锈、除油处理。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述送粉器是气动同步送粉器，送粉量2-4kg/h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于；单次熔覆时，相邻两道熔覆层的搭接率为40-50％，单层熔覆所形成熔覆层厚度为500-1200μm。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于；重复步骤2)的搭接熔覆方式，在相同区域形成平均厚度1800-2200μm的熔覆层。