高溫爐輥表面的納米熱障塗層及製備方法與流程
2023-07-03 15:58:36 2
本發明涉及一種高溫爐輥表面的納米熱障塗層及製備方法。
背景技術：
在鋼鐵行業中，連續加熱爐是鋼材熱處理的重要設備，爐底輥是輥底式連續加熱爐的關鍵部件，該爐底輥為高溫爐輥，其長期承受高溫氧化、燃氣及各種介質的侵蝕以及鋼材重載、撞擊、摩擦等，工作環境十分惡劣。目前高溫爐輥一般使用高鉻鎳耐熱不鏽鋼材質，採用離心鑄造工藝製備，造價昂貴。但在惡劣環境中，爐輥壽命低，每年用於爐輥更換和維護的費用巨大，因此在如何降低爐輥製造成本、延長使用壽命等方面，普遍受到高度重視。造成高溫爐輥損壞的原因主要有：高溫氧化和高溫燃氣中的硫化物等侵蝕造成的剝落或坑蝕、表面結瘤、熱處理鋼材對輥面的磨損等。因此，提高爐輥使用壽命關鍵在於提高爐輥高溫狀態下的抗氧化、耐熱、耐蝕、耐磨、耐結瘤性能。通過材質改進提高爐輥使用性能的潛力不大，而通過表面強化可以有效的提高爐輥性能，延長使用壽命，其中熱噴塗技術是最常用、最有效的表面強化手段。現用熱噴塗技術對高溫爐輥進行表面強化主要有兩種：一種是火焰噴塗高合金耐熱塗層，另一種是等離子噴塗普通陶瓷保護層。兩種方法在一定程度上都能提高高溫爐輥性能，延長使用壽命，但都存在一些不足。火焰噴塗高合金耐熱塗層，塗層與爐輥基材結合強度高，抗衝擊性能好，但耐熱、耐磨、耐蝕等高溫綜合性能有一定局限性；等離子噴塗陶瓷保護層，塗層耐熱、耐磨、耐蝕性能好，但與爐輥基材結合強度較差，熱膨脹係數較小，使用中易發生開裂、剝落等。申請公布號為CN102094164A的發明專利申請給出了《一種納米氧化鋯熱障塗層及製備方法》，即採用超音速火焰噴塗與等離子噴塗相結合，在金屬表面製備NiCrAlY粘結層和納米ZrO2陶瓷工作層，塗層與金屬基體結合強度更高，抗熱震性能和隔熱性能均優於普通ZrO2熱障塗層。但由於製備的納米熱障塗層存在一定的孔隙和微裂紋，若不進行任何後處理，如封孔處理，在高溫環境中易引起腐蝕、氧化等，導致塗層結瘤、剝落失效；且採用超音速火焰噴塗與等離子噴塗相結合的方法，要求在同一噴塗房內同時具備兩種設備，工序繁瑣，不利於工業化生產。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種高溫爐輥表面的納米熱障塗層及製備方法，本熱障塗層及製備方法有效增強了高溫爐輥的抗氧化、耐磨、耐蝕、耐結瘤性能，延長高溫爐輥的使用壽命，降低了高溫爐輥更換及維護的成本。為解決上述技術問題，本發明高溫爐輥表面的納米熱障塗層包括中間粘結層和納米陶瓷工作層，所述中間粘結層是由成分為CoNiCrAlY的粉末製備的塗層，其中Ni30-35%、Cr20-25%、Al5-10%、Y0.4-0.7%、Co餘量，粉末粒徑為20-45μm，所述納米陶瓷工作層是原始粒徑為50-100nm的納米ZrO2塗層，其中加入6-8%的Y2O3並經二次造粒，造粒後顆粒粒度大小為45-106μm，上述百分含量為重量百分比。上述高溫爐輥表面的納米熱障塗層的製備方法包括如下步驟：步驟一、高溫爐輥基體預處理，將高鉻鎳耐熱不鏽鋼爐輥表面清洗乾淨，預熱至90-110℃進行乾燥，採用自動噴砂機進行噴砂處理，噴砂材料為46#白剛玉，噴槍角度90±5º，空氣壓力6kg/cm2，噴槍到爐輥表面距離450-550mm，爐輥表面噴砂後表面粗糙度Ra5-7μm；步驟二、中間粘結層的CoNiCrAlY粉末於120-150℃預熱90-120min，採用等離子噴塗設備製備中間粘結層，噴塗工藝參數為送粉率25-35g/min、電流600-700A、主氣壓力45-50NLPM、輔氣壓力12-15NLPM、送粉氣壓力2-2.5NLPM、噴塗距離100-130mm、塗層厚度0.06-0.10mm；步驟三、將製備工作層的納米ZrO2粉末於120-150℃預熱90-120min，採用等離子噴塗設備製備納米陶瓷工作層，噴塗工藝參數為送粉率40-50g/min、電流600-700A、主氣壓力35-45NLPM、輔氣壓力10-12NLPM、送粉氣壓力2.5-3NLPM、噴塗距離100-130mm、塗層厚度0.15-0.20mm；步驟四、採用封孔劑對納米陶瓷工作層表面進行塗覆封孔,封孔劑可以採用鉻酸鹽水溶液，將噴塗有納米陶瓷工作層的高溫爐輥預熱到85℃—95℃，採用刷塗方式進行塗覆處理，隨後常溫固化30min。由於本發明高溫爐輥表面的納米熱障塗層及製備方法採用了上述技術方案，即塗層為CoNiCrAlY粘結層和其中加入6-8%Y2O3的納米ZrO2納米陶瓷工作層，粘結層的粉末粒徑為20-45μm，納米ZrO2的原始粒徑為50-100nm，加入Y2O3後經二次造粒，粒度大小為45-106μm；其製備方法為首先清洗爐棍並預熱乾燥，採用自動噴砂機進行噴砂處理；然後採用等離子噴塗設備按一定工藝要求製備中間粘結層和納米陶瓷工作層，最後採用封孔劑對納米陶瓷工作層表面進行塗覆封孔。本熱障塗層及製備方法有效增強了高溫爐輥的抗氧化、耐磨、耐蝕、耐結瘤性能，延長高溫爐輥的使用壽命，降低了高溫爐輥更換及維護的成本。具體實施方式本發明高溫爐輥表面的納米熱障塗層包括中間粘結層和納米陶瓷工作層，所述中間粘結層是成分為CoNiCrAlY的粉末塗層，其中Ni32%、Cr21%、Al8%、Y0.5%、Co餘量，粉末粒徑為20-45μm，所述納米陶瓷工作層是原始粒徑為50-100nm的納米ZrO2塗層，其中加入8%的Y2O3並經二次造粒，造粒後顆粒粒度大小為45-106μm，上述百分含量為重量百分比。上述高溫爐輥表面的納米熱障塗層的製備方法包括如下步驟：步驟一、高溫爐輥基體預處理，將高鉻鎳耐熱不鏽鋼爐輥表面清洗乾淨，預熱至100℃進行乾燥，採用自動噴砂機進行噴砂處理，噴砂材料為46#白剛玉，噴槍角度90º，空氣壓力6kg/cm2，噴槍到爐輥表面距離500mm，爐輥表面噴砂後表面粗糙度Ra5-7μm；步驟二、中間粘結層的CoNiCrAlY粉末於120℃預熱120min，採用等離子噴塗設備製備中間粘結層，噴塗工藝參數為送粉率25g/min、電流600A、主氣壓力50NLPM、輔氣壓力13NLPM、送粉氣壓力2NLPM、噴塗距離110mm、塗層厚度0.08mm；步驟三、將製備工作層的納米ZrO2粉末於120℃預熱120min，採用等離子噴塗設備製備納米陶瓷工作層，噴塗工藝參數為送粉率45g/min、電流650A、主氣壓力45NLPM、輔氣壓力12NLPM、送粉氣壓力2.5NLPM、噴塗距離110mm、塗層厚度0.15mm；步驟四、由於高溫爐輥工況與航空、艦船燃氣輪機的工況截然不同，高溫爐輥不僅長期承受高溫氧化，而且還長期承受各種介質的腐蝕及鋼材重載、撞擊、摩擦等，工況更加惡劣；因此採用封孔劑對高溫爐棍的納米陶瓷工作層表面進行塗覆封孔。由於納米陶瓷工作層中存在一定數量的孔隙和微裂紋，腐蝕介質會通過孔隙和微裂紋傳遞到中間粘結層與納米陶瓷工作層界面，甚至到達爐棍基體表面，而引起腐蝕、氧化等，導致塗層剝落，因此對納米陶瓷工作層進行封孔處理，提高納米陶瓷工作層的抗氧化、抗熱震等性能，進一步延長高溫爐輥使用壽命。上述封孔劑可以採用鉻酸鹽水溶液，將噴塗有納米陶瓷塗層的高溫爐輥預熱到90℃，採用刷塗方式進行塗覆處理，隨後常溫固化30min。本發明涉及的新型高溫爐輥，採用等離子噴塗CoNiCrAlY中間粘結層和納米陶瓷工作層進行爐棍表面強化，本製備方法中等離子噴塗可採用UnicoatF4等離子噴塗設備實施塗層噴塗作業，無需多種噴塗設備，簡化了噴塗作業工序，提高了噴塗作業的效率；CoNiCrAlY中間粘結層提高塗層與爐棍基材的結合強度，縮小爐棍基材與納米陶瓷工作層的膨脹係數差異；納米陶瓷工作層採用納米結構Y2O3粉末做餵料劑，縮短顆粒熔化時間，在有限的離子噴塗粉末飛行時間內，納米顆粒熔化效果更好，製備的納米塗層孔隙率更小，緻密性提高，具有更好的抗腐蝕、抗磨損、抗結瘤性能，使得高溫爐輥的使用壽命延長一倍以上，減少停爐概率，降低了高溫爐輥更換及維護的成本。納米陶瓷工作層中納米ZrO2具有更好的穩定性，尤其是在大於1000℃的高溫下，具有更明顯的抗氧化性、抗熱震性、抗結瘤性能，可以提高帶鋼表面質量。同時納米ZrO2熱導率比普通ZrO2低，具有更好的隔熱性能，可以大大減少冷卻水帶走的熱量，節約能源；爐輥輥芯可保持更低的溫度，提高了輥芯強度，不易變形損壞。