一種高Cr含量Ni基納米塗層粉體及製備方法
2023-05-03 21:38:11 1
專利名稱：一種高Cr含量Ni基納米塗層粉體及製備方法
技術領域：
本發明屬於金屬材料領域，涉及一種高Cr含量Ni基納米塗層粉體，特別適 用於對燃煤鍋爐"四管"高溫腐蝕及衝蝕磨損的防護和修補。
技術背景由於國情和經濟高速發展的需要，我國長期以來而且在今後較長時間裡 仍將大量使用高硫低品質燃煤，因此，鍋爐"四管"(包括水冷壁管、過 熱器管、再熱器管和省煤器管)因高溫腐蝕及衝蝕磨損導致的暴管事故仍然 是影響火力發電廠安全生產和制約經濟發展的重要因素。目前，對燃煤鍋爐"四管"高溫腐蝕及衝蝕磨損的主要防護和修補措施 是採用熱噴塗製備防護塗層，塗層材料主要選擇Ni-Cr合金及其複合材料體 系，塗層粉體和製得塗層的晶粒尺度均在微米級範圍。
隨著"確保經濟又好又快發展及和諧發展"目標的提出，對電廠鍋爐運 行的安全性、穩定性提出了更高的要求；進一步挖掘塗層材料的潛力，提高 防護塗層的性能和使用壽命，延長大修周期又成為一項重要課題。而近年來 納米塗層材料和納米塗層製備技術的發展為上述問題的解決提供了基礎，使 實現上述傳統產業的升級和促進相關行業的跨越式發展成為可能。
材料晶粒尺寸減小到納米量級表現出許多不同於宏觀、微觀的介觀特性。納 米顆粒分散度極高，可容許更多陶瓷、金屬間化合物等硬質強化相存在，更充分 地發揮第二相強化的作用；納米晶間比界面值極高，界面處原子排列混亂，位錯 密度高，原子在外力作用產生變形時容易遷移、擴散，表現出極佳的成分、組織 均勻性；材料晶粒間晶界尺寸小而分散，裂紋不易萌生和擴展，外部介質滲入的 通道短小而分散，塗層開裂傾向小，破壞和介質腐蝕可能降低至較低水平。
發明內容
本發明的目的是提供一種高性能NiCrC體系納米結構塗層粉體，用以製備納 米結構塗層，改善防護塗層的質量和水平，提高塗層的綜合使用性能，以進一步 提高燃煤鍋爐"四管"抗高溫腐蝕及衝蝕磨損能力。
工作原理目前應用於鍋爐抗高溫磨損及腐蝕的熱噴塗塗層材料以Ni-Cr合金體系為 主。研究表明鉻含量高於40%時，塗層在鍋爐"四管"500-650。C工作溫度和高 硫、氧介質環境中，鉻能夠優先氧化形成連續緻密穩定的CrA保護。它能阻止 塗層中生成各種不穩定的氧化物和硫化物，從而抵抗燃料生成的腐蝕介質的侵 蝕；0203的生成還能降低鹽中的活度，抑制NiO鹼性熔融，又不至於發生酸性 熔融。但是鉻過高會使塗層脆性增大，因此晶粒尺度在微米量級的傳統塗層其鉻 含量一般不超過30%。而塗層中的鎳的主要作用有改善塗層的機械性能;由於 鎳具有超強的附著特性，使塗層對基體附著牢固；此外，鎳優良的延展性使塗層 與被保護的鋼管基體具有幾乎相同的熱膨脹係數，減少熱應力，防止塗層發生剝 落。一種高Cr含量Ni基納米塗層粉體及製備方法，先按重量百分比成分Ni: 50-52%; Cr: 44-46%; C: 1-2%進行配料，在真空感應熔煉爐中熔化合金，接 著採用霧化制粉設備把上述合金錠製成粉體。使用氮氣為霧化氣體，氣體壓 力1.2-1.8Mpa。霧化後對粉體進行篩分，收得小於38微米的粉體；採用攪拌 式高能低溫球磨機對霧化粉體進行球磨納米化加工，製備出納米粉末。霧化粉體球磨納米化加工方法為把霧化粉體裝入不鏽鋼罐中進行液氮球 磨，不鏽鋼磨球的直徑為6. 5毫米，球料比選擇25: 1，罐內液氮溫度約113K， 攪拌軸轉速200rpm,總球磨時間16-20小時。球磨機在主電機強大動力驅動下， 攪拌軸帶動攪拌臂的高速運動力使研磨介質球與被粉碎物料作無規則運動，攪拌 臂、研磨介質球和物料之間發生相互撞擊和剪切，使磨球對物料進行連續的衝擊 粉碎和研磨，全部動能均有效地用於物料的破碎，從而實現對物料的超細粉碎， 製備出納米粉末。圖1至圖4分別給出了霧化粉末和球磨20小時後粉體低倍和高倍掃描電鏡 照片，同時也對球磨2、 8、 12、 16小時的粉體取樣並作了掃描電鏡分析。霧化粉末形狀雖不很規則，但基本為近球形且表面較光滑，如圖1所示。霧 化粉末橫斷面的微觀組織呈較粗大的樹枝晶形態，見圖2。球磨2小時後上述近球 形形態即被破壞，變成類條狀或類片狀，失去光滑表面，說明粉末發生塑性變形。 球磨8小時後粉末形狀趨於規則，各方向尺寸趨於一致，呈類塊狀。8小時後隨著
球磨時間的延長，條片狀粉末數量不斷減少，類塊狀粉末增加，而且塊狀粉末稜角逐漸鈍化，圓整性提高，說明分明流動性也得到改善，見圖3。分析發現，長 時間球磨後粉末的微觀組織與霧化粉末有較大改變，較粗大的樹枝晶被嚴重塑性 變形的細小層狀組織代替，粉末顆粒內部的晶粒也進一步細化，見圖4。
對不同球磨時間粉體取樣進行X射線衍射分析發現，霧化粉末的組成為Ni(Cr)固熔體和碳化物Cr7C3;球磨半個小時後即產生少量氧化物CrA，但在隨後 的球磨過程中氧化物含量沒有明顯增大，只是發現Ni (Cr)固熔體和碳化物07(:3 的衍射峰展寬，說明晶粒尺寸不斷減小；大約16小時後晶粒平均尺寸約達到30 納米， 一直到20小時這一尺度基本保持不便。透射電鏡對球磨16和20小時粉體的 直接觀察發現粉體的顆粒度在70-300納米範圍；衍射斑點呈多晶衍射環特性，Ni(Cr)固熔體晶粒的尺寸小於200納米，說明粉體的晶粒更小且球磨粉體的微觀 組成均勻。
該粉體具有良好的流動性和熱穩定性，採用HVAF噴塗技術製備塗層後，測試 發現塗層組織緻密且其晶粒尺寸與噴塗粉體相比沒有明顯改變，仍保持在納米量 級範圍。說明粉體在HVAF噴塗的瞬間加熱過程中無明顯晶粒長大發生，熱穩定性 滿足HVAF噴塗要求。另外，與相同成分和噴塗條件的微米塗層相比，該HVAF納米塗層的組織致 密度、顯微硬度、500-65(TC溫度下的硫化腐蝕抗力和抗氧化能力均有一定提高； 該HVAF納米塗層在65(TC溫度下保溫100小時後，晶粒無明顯長大，說明納米 塗層在工作溫度範圍內組織穩定，從而為其進一步提高燃煤鍋爐"四管"抗高 溫腐蝕及衝蝕磨損能力打下了基礎。
圖1霧化粉體的低倍微觀形貌。圖2霧化粉體的高倍微觀形貌。圖3粉體球磨20小時後的低倍微觀形貌圖4粉體球磨20小時後的高倍微觀形貌具體實施方式
原材料按Ni: 52%; Cr: 46%; C: 2%的重量百分比進行配料；使用熔煉能力 50公斤的真空感應爐在165(TC溫度下熔煉合金，接著進行霧化制粉。制粉噴嘴為 限制式環縫噴嘴，霧化氣體為氮氣，壓力1.5Mpa。霧化後對粉體進行篩分，收得 小於38微米的粉體。測得粉體的組成為Ni: 52.26%; Cr: 45.88%; C: 1.86%。 把上述粉體裝入不鏽鋼罐中進行液氮球磨。不鏽鋼磨球的直徑為6. 5毫米，球料 比選擇25: 1，罐內液氮溫度約113K，攪拌軸轉速200 rpm,總球磨時間20小 時。液氮的作用是保證在球磨過程中的低溫環境，防止生成的納米粉末自身的靜 電團聚和在高能摩擦生成熱量時晶粒長大。同時，在液氮介質下進行溼磨也有利 於加快球磨速度，增加球磨效率。
權利要求
1、一種高Cr含量Ni基納米塗層粉體材料，其特徵在於粉體材料成分重量百分比為Ni50-52％；Cr44-46％；C1-2％。
2、 如權利要求l所述高Cr含量Ni基納米塗層粉體材料，其特徵在於製備方法 採用霧化制粉技術，用真空感應熔煉爐熔煉合金，接著採用霧化制粉設備 把合金錠製成粉體；使用氮氣為霧化氣體，氣體壓力1.2-1.8Mpa;霧化後 對粉體進行篩分，收得小於38微米的粉體；採用攪拌式高能低溫球磨機對 霧化粉體進行球磨納米化加工，製備出納米粉末。
3、 如權利要求2所述高Cr含量Ni基納米塗層粉體材料製備方法；其特徵在於攪拌式高能低溫球磨機對霧化粉體進行球磨納米化加工要求是液氮球磨， 不鏽鋼磨球的直徑為6.5毫米，球料比選擇25: 1，罐內液氮溫度為 100-120K，攪拌軸轉速200 rpm，總球磨時間16-20小時。
全文摘要
一種高Cr含量Ni基納米塗層粉體材料的成分及製備方法。屬於金屬材料領域，特別適用於對燃煤鍋爐「四管」高溫腐蝕及衝蝕磨損的防護和修補。粉體材料成分重量百分比為Ni50-52％；Cr44-46％；C1-2％。首先通過真空熔煉和霧化制粉技術製備原始粉體，然後採用液氮保護下的球磨技術對上述粉體進行16-20小時的納米化加工，製成晶粒尺度為納米量級的粉體。該粉體材料具有良好的流動性和熱穩定性，本發明可改善防護塗層的質量和水平，提高塗層的綜合使用性能，能進一步提高燃煤鍋爐「四管」抗高溫腐蝕及衝蝕磨損能力。用該材料採用超音速火焰噴塗製備納米結構塗層；納米塗層組織緻密度、顯微硬度以及在500-650℃溫度下的硫化腐蝕抗力和抗氧化能力均優於相同成分和方法製備的微米塗層。
文檔編號C22C1/02GK101126145SQ20071012223
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月24日 優先權日2007年9月24日
發明者周香林, 華 崔, 張濟山, 凱 陶 申請人:北京科技大學