[发明专利]一种含纳米结构抗高温氧化腐蚀涂层用的粉芯丝材

说明书

 

技术领域    

本发明涉及一种含纳米结构抗高温氧化腐蚀涂层用的粉芯丝材，属于材料加工工程专业热喷涂领域。主要用于锅炉受热面管大面积防护的高速电弧喷涂材料。

背景技术

随着我国经济的高速增长，电力需求将越来越大。在电力结构中，我国火力发电设备占总装机容量的3/4以上。然而，在燃煤电厂，锅炉“四管”（水冷壁管、过热器管、再热器管、省煤器管）的高温氧化、硫化和热腐蚀以及由此造成的诸如爆管等故障一直是电力行业亟待解决的一个技术难题。例如，水冷壁管的高温腐蚀会导致水冷壁大面积减薄而发生频繁的爆漏，不但影响了电厂的安全运行，还造成了巨大的经济损失。采用电弧喷涂技术制备燃煤锅炉“四管”大面积防护涂层是一种简单、经济、有效的防护工艺，随着高速电弧喷涂技术的发展和新材料的不断研制成功，高速电弧喷涂在电站锅炉“四管”防腐耐磨方面必将有十分广泛的应用前景。

与晶态材料相比，亚稳态的非晶纳米晶涂层材料具有比传统材料更为独特而优异的性能，是很有发展前景的新型材料，采用非晶前驱体的纳米化得到的纳米晶粒之间的晶界干净，能够显著降低材料本征内应力；非晶化可以提高材料的耐蚀性能，非晶前驱体的部分纳米化可以提高材料的耐磨性能。由于电弧喷涂单个粒子的凝固速率为10^-7-10^-5K/s，具备了非晶形成的条件，只要材料成分设计合理，就能够得到纳米结构涂层。

高速电弧喷涂制备铁基非晶纳米晶合金涂层具有优质、高效、低成本的优势，国内外学者对此进行了大量研究，在非晶纳米晶涂层制备方面，据田浩亮等人在《材料科学与工艺》（2012 20(1): 108-113）上报道，利用高速电弧喷涂技术制备了FeAlNbB非晶纳米晶涂层，其纳米晶尺寸约为14.1nm。 梁秀兵等人（《装甲兵工程学院学报》2010 24(6):81-84）利用电弧喷涂制备了FeAlCrNbB金属间化合物复合涂层，但该涂层纳米晶含量较低。郭金花等人在《电弧喷涂含非晶相的Fe基涂层的电化学行为》（《金属学报》2007 43(7):780-784）中的描述，已成功地利用电弧喷涂方法制备出了材料成分为FeCrBSiMoWMn的非晶纳米晶涂层，该涂层具有良好的耐腐蚀性能。傅斌友（《材料热处理学报》2008, 29(3): 159-162.）等利用电弧喷涂铁基粉芯丝材(FeCrNiBC)，获得了49％非晶含量的涂层，涂层耐磨粒磨损性能是Q235钢的16.8倍。Branagan等（Journal of Thermal Spray Technology, 2005, 14(2): 196-204）采用电弧喷涂美国Nanosteel公司的SHS7170粉芯丝材（FeCrMoWBCSiMn）制备了非晶纳米晶复合涂层，该涂层具有良好的抗高温冲蚀性能。虽然上述的粉芯丝材制备出的涂层具有非晶纳米晶结构和良好的耐常温磨损、常温腐蚀以及抗高温冲蚀性能，但并未发现其在高温氧化和高温腐蚀方面的报道；而且由于其材料成分体系设计不尽合理，获得的涂层纳米晶含量较低，且分布不均匀，并伴随着硼化物和氧化物产生，直接影响了涂层质量与性能。因此，研发出具有纳米结构且成本相对较低、抗高温氧化腐蚀性能优异的电弧喷涂铁基纳米晶结构涂层用粉芯丝材仍然具有重大的意义。但至今为止，还未见利用电弧喷涂技术制备粉芯丝材成分为FeCrAlBNbMoW纳米结构涂层应用于锅炉抗高温氧化腐蚀方面的报道。

发明内容

针对燃煤锅炉“四管”高温氧化、硫化和热腐蚀等问题，本发明提供了一种含纳米结构抗高温氧化腐蚀涂层用的粉芯丝材，利用高速电弧喷涂该粉芯丝材制备出的涂层具有纳米结构，其尺寸范围为20-75 nm，孔隙率≤3%，涂层的结合强度为45~55MPa。该涂层可解决电站锅炉运行中管道高温氧化、腐蚀及冲蚀等问题，并且具有成本较低等特点。

本发明实现上述目的的技术方案是：一种含纳米结构抗高温氧化腐蚀涂层用的粉芯丝材，由430不锈钢外皮包覆粉芯制成，其特征在于粉芯由七种元素粉末混合而成，所述的粉芯成分质量百分比含量范围如下：0.5%－2% B、15%-25% Cr、4%-9% Al、2%－5% Nb、1%－3% Mo、2%－4% W、余量Fe；粉芯的填充率为30%-40%，粉芯丝材的直径为2mm。采用高速电弧喷涂该粉芯丝材制备出的纳米结构涂层，纳米晶尺寸为20-75 nm，孔隙率≤3%，涂层的结合强度为45~55MPa。

所述的粉芯丝材，其特征在于用高速电弧喷涂该粉芯丝材制备出的纳米结构涂层，纳米晶尺寸为20-75 nm，孔隙率≤3%，涂层的结合强度为45~55MPa。