CN114015965B - 一种用于锅炉过热管防护的双层复合涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于锅炉过热管防护的双层复合涂层，由依次复合于锅炉过热管表面的青铜合金涂层和铁基非晶合金涂层组成；所述青铜合金涂层由青铜合金实心丝材经过超音速电弧喷涂得到；所述铁基非晶合金涂层由铁基非晶粉芯丝材经过超音速电弧喷涂得到。本申请还提供了一种用于锅炉过热管防护的双层复合涂层的制备方法。本申请提供的双层复合涂层中的铁基非晶合金涂层为非晶与纳米晶的复合结构，纳米晶颗粒均匀的分布在非晶涂层中，青铜合金底层与铁基非晶合金表层的双层复合涂层最大限度的提高了涂层质量，增强了涂层整体防高温腐蚀性能，有效延长了涂层的使用期限。
Description
技术领域
本发明涉及材料的表面处理技术领域，尤其涉及一种用于锅炉过热管防护的双层复合涂层及其制备方法。
背景技术
焚烧是农村生物质材料和城市生活垃圾处理的主要方法之一，其关键设备焚烧锅炉诞生已有100多年历史。当今，采用焚烧技术处理生物质材料和生活垃圾，已成为众多发达国家和地区城市最重要的垃圾处理方式。
焚烧锅炉是生物质或垃圾化学能转换为热能的关键设备，其工艺过程是将生物质或生活垃圾作为固体燃料，投入焚烧锅炉内，在高温条件下，生物质或垃圾中的可燃质与空气中的氧发生剧烈化学反应，放出热量，转化为高温燃烧气体和性质稳定的固态炉渣，完成生物质或生活垃圾的减容、灭菌过程，实现无害化处理；在上述过程中，高温烟气通过余热锅炉产生蒸汽用于发电、供热，实现生物质或垃圾化学能向热能、电能的转换。
生物质/垃圾焚烧锅炉与传统的燃煤、燃油锅炉相比较，其金属受热面因腐蚀导致事故频率要高得多，占其汽水系统事故频发率第一位。出于发电效益要求，目前生物质/垃圾焚烧锅炉工质已从低参数饱和蒸汽向中温中压过热蒸汽参数过渡。生物质/垃圾锅炉既要满足发电工质参数要求，又要避免工质过热段金属受热面超温，产生高温腐蚀现象，腐蚀的结果会造成过热器的管子泄漏损坏，造成严重漏风，引起燃烧工况恶化。严重时不得不经常更换受热面管材，既增加了维修工作量和材料损耗，又影响了锅炉的正常运行，从而影响锅炉安全运行。因此，认真探讨生物质/垃圾锅炉腐蚀成因并研究其防范对策，对生物质/垃圾焚烧锅炉和整个电厂的安全运行，具有重要意义。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种耐高温腐蚀的用于锅炉过热管防护的双层复合涂层。
有鉴于此，本申请提供了一种用于锅炉过热管防护的双层复合涂层，由依次复合于锅炉过热管表面的青铜合金涂层和铁基非晶合金涂层组成；
所述青铜合金涂层由青铜合金实心丝材经过超音速电弧喷涂得到；
所述铁基非晶合金涂层由铁基非晶粉芯丝材经过超音速电弧喷涂得到；
所述铁基非晶粉芯丝材包括依次叠加设置的外壁和粉芯丝，所述粉芯丝由FeSi、Mo、NbFe、FeCr、石墨和稀土钇制备得到。
优选的，所述铁基非晶粉芯丝材成分的原子比为Fe：Cr：B：Si：Mo：C：Nb：Y＝(40～60)：(22～30)：(2～6)：(1～2)：(0～4)：(1～5)：(1～2)：(0.1～1.0)。
优选的，所述青铜合金实心丝材的直径为1.5～2.0mm，所述青铜合金涂层的厚度为20～100μm。
优选的，所述铁基非晶粉芯丝材的外径为1.5～2.0mm，所述铁基非晶合金涂层的厚度为0.2～0.6mm。
优选的，所述粉芯丝的重量为所述铁基非晶粉芯丝材的30～40wt％。
本申请还提供了所述的用于锅炉过热管防护的双层复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
将锅炉过热管进行喷砂处理，再采用青铜合金实心丝材对锅炉过热管进行超音速电弧喷涂，得到青铜合金涂层；
在所述青铜合金涂层表面利用铁基非晶合金粉芯丝材进行超音速电弧喷涂，得到铁基非晶合金涂层；
对所述青铜合金涂层和所述铁基非晶合金涂层加热，得到双层复合涂层；
所述铁基非晶粉芯丝材包括依次叠加设置的外壁和粉芯丝，所述粉芯丝由FeSi、Mo、NbFe、FeCr、石墨和稀土钇制备得到。
优选的，在喷涂的过程中，喷枪与锅炉过热管的距离为200～500mm，喷枪移动速度为2～10cm/s。
优选的，所述加热的方式为乙炔火焰加热，所述加热的温度为500～1000℃。
优选的，所述喷砂的砂料为白刚玉或石英砂。
本申请提供了一种双层复合涂层，其由依次复合于锅炉过热管表面的青铜合金涂层和铁基非晶合金涂层组成，该种双层复合涂层中的铁基非晶合金涂层为非晶与纳米晶的复合结构，纳米晶颗粒均匀的分布在非晶涂层中，青铜合金底层与铁基非晶合金表层的双层复合涂层最大限度的提高了涂层质量，增强了涂层整体防高温腐蚀性能，有效延长了涂层的使用期限。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的双层复合涂层的扫描电镜照片；
图2为本发明实施例1制备的铁基非晶合金涂层的X射线衍射图；
图3为本发明实施例1制备的双层复合涂层和20号锅炉钢基体在650℃下的腐蚀速度随时间变化曲线图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
高硫煤、劣质煤、生物质和垃圾焚烧锅炉过热管的服役工况恶劣，单一防护难以达到效果；鉴于此，本申请提供了一种用于锅炉过热管防护的双层复合涂层，其采用一种低熔点青铜合金丝材进行超音速电弧热喷涂施工，形成铜合金涂层底层；再喷涂铁基非晶粉芯丝母材，形成铁基非晶合金涂层；最后采用乙炔火焰加热，青铜合金发生熔融，过热器管与非晶涂层钎焊连接；青铜合金涂层/铁基非晶涂层双层复合涂层具有加工成本低，耐高温腐蚀性能优异等特点，适合生物质或垃圾焚烧锅炉过热器管的局部强化和防护；非晶复合涂层为非晶与纳米晶的复合结构，非晶相所占体积分数为大于30％，维氏硬度大于600HV；纳米晶颗粒均匀分布在非晶基体中，相对于需要较高冷却速率的纯非晶态热喷涂层，非晶复合涂层的性价比突出。具体的，本发明实施例公开了一种用于锅炉过热管防护的双层复合涂层，由依次复合于锅炉过热管表面的青铜合金涂层和铁基非晶合金涂层组成；
所述青铜合金涂层由青铜合金实心丝材经过超音速电弧喷涂得到；
所述铁基非晶合金涂层由铁基非晶粉芯丝材经过超音速电弧喷涂得到；
所述铁基非晶粉芯丝材包括依次叠加设置的外壁和粉芯丝，所述粉芯丝由FeSi、Mo、NbFe、FeCr、石墨和稀土钇制备得到。
在本申请所述双层复合涂层中，所述青铜合金涂层的厚度为20～100μm，更具体地，所述青铜合金涂层的厚度为40～80μm。所述青铜合金涂层作为复合涂层的底层，其作为连接基底和铁基非晶合金表层的中间层，其熔点较低，浸润性好，在最后加热时最先熔化，将基材和铁基非晶合金涂层钎焊在一起，使得双层复合涂层具有极好的附着力。所述青铜合金实心丝材的直径为1.5～2.0mm。
所述铁基非晶合金涂层的厚度为0.2～0.6mm，更具体地，所述铁基非晶合金涂层的厚度为0.3～0.5mm。所述铁基非晶合金涂层中非晶相的体积分数为30～50％，纳米晶颗粒均匀的分布在非晶基体中。
形成所述铁基非晶合金涂层采用的是铁基非晶粉芯丝材，其包括外壁和粉芯丝，即铁基非晶粉芯丝材的内部是由FeSi、Mo、NbFe、FeCr、石墨和稀土钇状态的粉末填充得到，其外壁为不锈钢。在本申请中，所述铁基非晶粉芯丝材成分的原子比Fe：Cr：B：Si：Mo：C：Nb：Y＝(40～60)：(22～30)：(2～6)：(1～2)：(0～4)：(1～5)：(1～2)：(0.1～1.0)；更具体地，Fe：Cr：B：Si：Mo：C：Nb：Y＝(45～55)：(25～30)：(3～5)：(1～2)：(2～4)：(2～4)：(1～2)：(0.3～1.0)。本申请采用上述铁基非晶粉芯丝材以形成非晶结构，使得涂层具有高温防腐效果；更具体地，Cr加入钢中能显著改善钢的抗氧化作用，增加钢的抗腐蚀能力，B和C原子半径较小，有利于非晶相的形成，Si主要形成脱氧效果，提高非晶形成能力，Y吸收氧杂质，原子半径大，合金中不同元素的原子半径差越大，有利于非晶相形成，Mo促进涂层表面氧化膜的完整性，提高高温防护效果，Nb提高涂层的耐高温性能；因此，本申请通过加入相对应的原料，并调整原子比，最终使得到的铁基非晶合金涂层在具有非晶相的同时，还能够具有耐高温、抗腐蚀的优异性能。在本申请中，所述粉芯丝的重量为所述铁基非晶粉芯丝材的30～40wt％，更具体地，所述粉芯丝的重量为所述铁基非晶粉芯丝材的32～38wt％。
本申请还提供了用于锅炉过热管防护的双层复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
将锅炉过热管进行喷砂处理，再采用青铜合金实心丝材对锅炉过热管采用超音速电弧进行喷涂，得到青铜合金涂层；
在所述青铜合金涂层表面利用铁基非晶合金粉芯丝材采用超音速电弧进行喷涂，得到铁基非晶合金涂层；
对所述青铜合金涂层和所述铁基非晶合金涂层加热，得到双层复合涂层。
在制备双层复合涂层的过程中，本申请首先对锅炉过热管进行喷砂处理，以去除钢管表面的铁锈，增大钢管的表面粗糙度，以利于涂层与基体的紧密结合。所述喷砂处理的砂料为白刚玉或石英砂。在喷砂处理之后则利用高压气吹扫钢管外表面，去除表面的浮灰。
按照本发明，然后采用青铜合金实心丝材对锅炉过热管采用超音速电弧进行喷涂，得到青铜合金涂层。在此过程中，所述超音速电弧喷涂的喷枪与锅炉过热管的距离为200～500mm，喷枪移动速度为2～10cm/s；更具体地，所述超音速电弧喷涂的喷枪与锅炉过热管的距离为300～400mm，喷枪移动速度为5～8cm/s。最终得到的青铜合金涂层的厚度为20～100μm。
本申请然后在青铜合金涂层表面利用铁基非晶合金粉芯丝材进行超音速电弧喷涂，以得到铁基非晶合金涂层；在此过程中，所述超音速电弧喷涂的喷枪与锅炉过热管的距离为200～500mm，喷枪移动速度为2～10cm/s；更具体地，所述超音速电弧喷涂的喷枪与锅炉过热管的距离为300～400mm，喷枪移动速度为5～8cm/s。最终得到的铁基非晶合金涂层的厚度为0.2～0.6mm。所述铁基非晶合金涂层的内部为非晶相与纳米相的复合结构，非晶相所占体积分数为30～50％，维氏硬度大于600HV，纳米晶颗粒分布在非晶基体中。
本申请最后将上述得到的涂层采用乙炔火焰加热，此时低熔点青铜合金发生熔融，使得过热管和铁基非晶合金涂层钎焊连接在一起。所述加热的温度大于800℃。
本申请提供的用于锅炉过热管防护的双层复合涂层，大幅度提高了锅炉过热器管的服役寿命，降低了电厂腐蚀部件的维修费用和对原材料的消耗，为发电行业节能降耗开辟了新途径。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的用于锅炉过热管防护的双层复合涂层及其制备方法，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
(1)通过已有的粉芯丝轧制技术，制得1.6mm外径的粉芯丝，该粉芯丝材成分为Fe54Cr30B4Si2Mo4C3Nb2Y1.0，外皮包覆材料为不锈钢带，内部填充FeB、FeSi、Mo、NbFe、FeCr、石墨和稀土钇等粉末，粉末填充比例为30％；
(2)电弧喷涂前对基体锅炉过热管进行严格的喷砂处理，砂料为白刚玉或石英砂，然后用高压气吹扫钢管外表面，去除表面的浮灰；
(3)再利用上述粉芯丝材采用超音速电弧喷涂设备对上述处理后的过热管进行喷涂，采用高速电弧喷枪，喷涂距离300mm，喷枪移动速度为5～8cm/s；先喷涂50微米的青铜合金涂层底层，再喷涂400微米厚度的铁基非晶涂层表层；
(4)采用乙炔火焰对涂层加热到800℃以上，青铜合金涂层发生熔化，实现对过热器管和铁基非晶复合涂层钎焊连接，得到双层复合涂层。
图1为铜合金底层/铁基非晶合金双层复合涂层截面的扫描电镜图，可以看到组织结构比较致密，没有大的空隙和裂纹。图2为铁基非晶复合涂层的X射线衍射图，呈现出明显的非晶弥散峰。图3为双层复合涂层和20号锅炉钢基体在650℃下的腐蚀速度随时间变化曲线图；样品放置于配置摩尔比为7:3的Na2SO4+K2SO4的混合盐中，从图中可以看出20号钢基体的腐蚀速度远大于涂层的腐蚀速度，而且双层非晶涂层的腐蚀速度在36小时后明显减缓，基本为0，可见双层复合非晶涂层耐腐蚀性能要比基体好得多。
实施例2
(1)通过已有的粉芯丝轧制技术，制得2.0mm外径的粉芯丝，该粉芯丝材成分为Fe58Cr26B4Si2Mo4C3Nb2Y1.0，外皮包覆材料为不锈钢带，内部填充FeB、FeSi、Mo、NbFe、FeCr、石墨和稀土钇等粉末，粉末填充比例为35％；
(2)电弧喷涂前对基体锅炉过热管进行严格的喷砂处理，砂料为白刚玉或石英砂，然后用高压气吹扫钢管外表面，去除表面的浮灰；
(3)再利用上述粉芯丝材采用超音速电弧喷涂设备对上述处理后的过热管进行喷涂，采用高速电弧喷枪，喷涂距离300mm，喷枪移动速度为8cm/s；先喷涂100微米的青铜合金涂层底层，再喷涂600微米厚度的铁基非晶涂层表层；
(4)采用乙炔火焰对涂层加热到900℃以上，青铜合金涂层发生熔化，实现对过热器管和铁基非晶复合涂层钎焊连接，得到双层复合涂层。
该工艺成本低廉，自动化程度高，适合在线作业，满足大规模生产与维护的需求。青铜合金底层与铁基非晶合金表层双层复合工艺最大限度的提高了涂层质量，增强涂层整体防高温腐蚀性能，有效延长涂层使用期限。
本发明基于非晶合金金属优良的耐磨耐蚀性能，并首次提出利用青铜合金底层与铁基非晶表层局部强化防护技术用于发电锅炉的方法，有效减轻锅炉过热器管的高温腐蚀问题，经济效益显著。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种用于锅炉过热管防护的双层复合涂层，由依次复合于锅炉过热管表面的青铜合金涂层和铁基非晶合金涂层组成；
所述青铜合金涂层由青铜合金实心丝材经过超音速电弧喷涂得到；
所述铁基非晶合金涂层由铁基非晶粉芯丝材经过超音速电弧喷涂得到；
所述铁基非晶粉芯丝材包括依次叠加设置的外壁和粉芯丝，所述粉芯丝由FeSi、Mo、NbFe、FeCr、石墨和稀土钇制备得到；
所述铁基非晶粉芯丝材成分的原子比为Fe：Cr：B：Si：Mo：C：Nb：Y＝(40～60)：(22～30)：(2～6)：(1～2)：(0～4)：(1～5)：(1～2)：(0.1～1.0)；
所述铁基非晶合金涂层的内部为非晶相与纳米相的复合结构，非晶相所占体积分数为30～50％，纳米晶颗粒分布在非晶基体中。
2.根据权利要求1所述的双层复合涂层，其特征在于，所述青铜合金实心丝材的直径为1.5～2.0mm，所述青铜合金涂层的厚度为20～100μm。
3.根据权利要求1所述的双层复合涂层，其特征在于，所述铁基非晶粉芯丝材的外径为1.5～2.0mm，所述铁基非晶合金涂层的厚度为0.2～0.6mm。
4.根据权利要求1所述的双层复合涂层，其特征在于，所述粉芯丝的重量为所述铁基非晶粉芯丝材的30～40wt％。
5.权利要求1所述的用于锅炉过热管防护的双层复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
将锅炉过热管进行喷砂处理，再采用青铜合金实心丝材对锅炉过热管进行超音速电弧喷涂，得到青铜合金涂层；
在所述青铜合金涂层表面利用铁基非晶合金粉芯丝材进行超音速电弧喷涂，得到铁基非晶合金涂层；
对所述青铜合金涂层和所述铁基非晶合金涂层加热，得到双层复合涂层；
所述铁基非晶粉芯丝材包括依次叠加设置的外壁和粉芯丝，所述粉芯丝由FeSi、Mo、NbFe、FeCr、石墨和稀土钇制备得到。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在喷涂的过程中，喷枪与锅炉过热管的距离为200～500mm，喷枪移动速度为2～10cm/s。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述加热的方式为乙炔火焰加热，所述加热的温度为500～1000℃。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述喷砂的砂料为白刚玉或石英砂。
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