CN107034427B - 锅炉受热面耐高温腐蚀的合金涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种锅炉受热面的耐高温腐蚀合金涂层及其制备方法，所述耐高温腐蚀合金涂层包括NiCrAlY合金打底层和Incone1625/NiCr合金面层；所述制备方法包括步骤：(1)将Incone1625合金粉末与NiCr合金粉末按比例混合均匀，制得球状复合合金粉末、烘干待用；(2)对基底表面进行清洁、粗化处理；(3)采用热喷涂技术于基底表面喷涂NiCrAlY合金粉末，形成打底层；(4)采用热喷涂技术于所述打底层上喷涂所述球状复合合金粉末，形成面层。(5)冷却，即得所述耐高温腐蚀的合金涂层。通过该方法制备的涂层，具有孔隙率低、各层结合紧密、表面均匀致密，抗高温腐蚀性能好等特点，能延长锅炉的使用寿命，节省成本。
Description
技术领域
本发明涉及防腐涂层技术领域，具体涉及一种锅炉受热面耐高温腐蚀的合金涂层及其制备方法。
背景技术
垃圾焚烧是目前垃圾处理的一种主要手段，但是垃圾成分非常复杂，有机物含量高，同时含有大量Cl、S和碱金属等有害物质，这些成分在高温焚烧后会生成HCl气体和NaCl、KCl等沉积盐，导致锅炉金属受热面腐蚀严重。高温腐蚀导致事故发生率大大增加，限制了垃圾焚烧技术的推广和发展。因此解决垃圾焚烧锅炉高温氯腐蚀的问题至关重要。
金属表面覆盖保护性涂层是一种高温氯腐蚀的有效保护方法，但是保护涂层的性能首先取决于合金本身的抗高温腐蚀能力，其次取决于涂层与基体的结合能力及致密度，而涂层与基体的结合性能又取决于喷涂工艺和合金材料自身自熔性能。
目前广泛使用的热喷涂材料为含较高铬含量的镍基合金。NiCr合金涂层中，美国研制的45CT抗腐蚀能力是碳钢的60倍，平剥蚀速度小于0.0127mm/年，涂层的使用寿命达到10年以上，具有优异的抗腐蚀性能，已被用为锅炉管道高温含硫气氛中的耐蚀耐磨防护涂层，但是其价格较为贵，国内垃圾焚烧电厂基本无法承担，因而难以推广。
Inconel625合金(Ni-Cr-Mo-Nb)较其他合金更加优异的防护性能，研究表明，Inconel625合金在很多介质中都表现出极好的耐腐蚀性，具有很好的耐无机酸腐蚀性，如硫酸、盐酸等，同时在氧化和还原环境中也具有耐碱和有机酸腐蚀的性能，特别是在氯化物介质中具有出色的抗点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和侵蚀的性能。该合金表现出有效的抗氯离子还原性应力腐蚀开裂，在静态或循环环境中都具有抗碳化和氧化性。它是含氯高温烟气中能可靠工作的耐高温腐蚀材料，从低温到980℃高温区间均具有良好的拉伸性能和疲劳性能。但利用Inconel625合金涂层致密度和封孔工艺需要改进。
发明内容
为解决上述的技术问题，本发明提供一种适合垃圾焚烧锅炉受热面耐高温腐蚀的合金涂层及制备方法，所述的合金涂层具有优异的耐高温腐蚀性能，尤其适用于碳钢及其他合金钢锅炉受热面，可用于锅炉、发动机燃烧室、燃气涡轮等。
本发明采用以下技术方案来实现：
耐高温腐蚀合金涂层，包括依次涂覆于基底上的打底层和面层，所述打底层为NiCrAlY合金涂层，所述面层为Incone1625/NiCr合金涂层。
在其中一些实施例中，所述打底层的材料为平均粒径25-55μm的球状粉末NiCrAlY；所述面层的材料为Incone1625合金粉末与NiCr合金粉末按(60wt％-90wt％)：(10wt％-40wt％)混合均匀制得的球状复合合金粉末，且所述球状复合合金粉末的平均粒径为25-55μm。
在其中一些实施例中，所述打底层的厚度为90-110μm，所述面层的厚度为350-500μm。
本发明的另一目的是提供上述耐高温腐蚀合金涂层的制备方法。
具体的技术方案如下：
上述耐高温腐蚀合金涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Incone1625合金粉末与NiCr合金粉末按比例混合均匀，制得球状复合合金粉末、烘干待用；
(2)对基底表面进行清洁、粗化处理；
(3)采用热喷涂技术于所述基底表面喷涂NiCrAlY合金粉末，形成打底层；
(4)采用热喷涂技术于所述打底层上喷涂所述球状复合合金粉末，形成面层；
(5)冷却，即得所述耐高温腐蚀的合金涂层。
在其中一些实施例中，所述步骤(1)中的Inconel625合金粉末与NiCr合金粉末的比例为(60wt％-90wt％):(10wt％-40wt％)，所述球状复合合金粉末的平均粒径为25-55μm；所述NiCrAlY合金粉末为按质量百分比的组成是Ni 60-70％，Cr 15-25％，Al 10-15％，Y0.5-1.5％，所述NiCrAlY合金粉末平均粒径25-55μm的球状粉末。
在其中一些实施例中，所述打底层的喷涂厚度为90-110μm；所述面层喷涂厚度为350-500μm。
在其中一些实施例中，所述热喷涂技术为超音速火焰喷涂技术。
在其中一些实施例中，所述超音速火焰喷涂技术的工艺参数为：助燃气体氧气流量为1700～1750cfh；燃料气体煤油流量为6.0～6.5gph；载气流量为21～25cfh；送粉速度为55～65g/min；枪距是300-500mm；线速度是450-550mm/s；所述步骤(3)中喷涂打底层时喷涂次数为4-8次；所述步骤(4)中喷涂面层时喷涂次数为8-12次。
在其中一些实施例中，步骤(2)中，所述对基底表面进行清洁、粗化处理的步骤包括：先清除基底表面油污，再对基底表面进行喷砂处理，除去基底表面氧化膜，粗化基底表面；所述喷砂处理的工艺参数为：喷砂粒度为40-50目，压力为0.2-0.5MPa，喷砂角度为80-100°，喷砂距离50-70mm，喷砂时间为20-50s。
在其中一些实施例中，对所述粗化处理后的基底进行加热，预热后再进行NiCrAlY合金粉末的喷涂，喷涂方法采用HVOF中性火焰喷涂。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)Incone1625/NiCr-NiCrAlY合金涂层的孔隙率低，表面均匀致密，涂层完整、连续，各层之间的结合紧密，抗高温、耐腐蚀性能好，且兼备了多种合金涂层的功能，能更好的解决垃圾焚烧炉受热面高温腐蚀和磨损的问题，延长垃圾焚烧炉的使用寿命，节省成本。
(2)采用超音速火焰喷涂工艺制备合金涂层，可提高涂层的致密度和结合力，使其具备更优异的耐高温氯腐蚀和抗蚀性能。
(3)简化工艺的同时，提高了涂层的防护性能：在Inconel625合金中添加自熔NiCr合金，通过调控喷涂火焰性质，使涂层在施工过程中实现自封孔效果，增强了涂层的致密度和硬度，同时由于Inconel625具有良好的组织稳定性和使用可靠性，且具有很好的耐无机酸腐蚀性能等优点，NiCr合金涂层具有良好的抗高温冲蚀能力，可提高涂层的防护效果。
(4)打底层NiCrAlY合金具有介于基片和防护涂层之间的热膨胀系数，可以有效的实现热膨胀系数的过渡，减小热应力对防护涂层带来的危害；NiCrAlY合金打底层还可以提高涂层与基体的结合强度，微量元素Y可以起到氧化物钉扎和细化晶粒的作用，从而改善涂层和打底层的粘附性；NiCrAlY合金本身具有良好的抗高温氧化性能，NiCrAlY合金中的Al和Cr可形成致密的具有高温稳定性的Al2O3和Cr2O3氧化膜，能防止氧化腐蚀气体的进一步往里扩散，降低打底层的氧化速率，提高其抗高温氧化的能力，从而延长了涂层的寿命。
附图说明
图1是本发明一实施例锅炉受热面的耐高温腐蚀合金涂层的结构示意图。
图2是本发明一实施例中合金涂层表面的微观形貌图。
图3是本发明一实施例中合金涂层表面对应的能谱图。
图4是本发明一实施例中合金涂层截面的微观形貌图。
图5是本发明一实施例中合金涂层截面与Incone1625/NiCr合金面层对应的能谱图。
图6是本发明一实施例中合金涂层截面与NiCrAlY合金打底层对应的能谱图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明，但本发明不局限于这些实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例锅炉受热面的耐高温腐蚀合金涂层，从基底1依次向外为打底层2和面层3，所述打底层2为NiCrAlY合金涂层，所述面层3为Incone1625/NiCr合金涂层；所述打底层2的厚度为90-110μm，所述面层3的厚度为350-500μm。
本实施例的锅炉受热面的耐高温腐蚀合金涂层的制备方法包括以下步骤：
(1)将Inconel625合金粉末与NiCr合金粉末按比例混合均匀，制得复合合金粉末、烘干待用。
具体按质量百分比称取75％的Inconel625合金粉末和25％的NiCr合金粉末，混合均匀，并制得平均粒径为25-55μm球状复合合金粉末，于烘箱中用120℃温度烘干水分，待用。
(2)对锅炉受热面的表面进行清洁、粗化处理。
在本实施例中，所述锅炉受热面是以Q235、20#碳钢作为基体材料，对其表面用丙酮清理油污，再用白刚玉砂采用压缩空气进行喷砂处理，除去表面氧化膜，粗化工件表面。所使用的喷砂参数：喷砂粒度为40-50目，压力为0.2-0.5MPa，喷砂角度为80-100°，喷砂距离50-70mm，喷砂时间为20-50s。
(3)采用超音速火焰喷涂技术于基底表面喷涂NiCrAlY合金粉末，形成打底层2。
本实施例中，对清洁、粗化后的基底加热，预热到一定温度后再进行打底层的喷涂，打底层喷涂材料是以按质量百分比的组成是Ni-66.0％，Cr-20.0％，Al-13.0％，Y-1.0％，且平均粒径为25-55μm的NiCrAlY球状粉末，采用超音速火焰喷涂技术进行喷涂；喷涂厚度为90-110μm，喷涂的工艺参数为：助燃气体氧气流量为1720cfh；燃料气体煤油流量为6.3gph；载气流量为23cfh；送粉速度为60g/min；枪距是400mm；线速度是500mm/s，喷涂次数为6次。
(4)采用热喷涂技术于所述打底层上喷涂所述球状复合合金粉末，形成面层3。
采用超音速火焰喷涂技术在底漆层上喷涂Incone1625/NiCr合金面层，喷涂厚度为350-500μm，喷涂的工艺参数为：助燃气体氧气流量为1730cfh；燃料气体煤油流量为6.2gph；载气流量为24cfh；送粉速度为50g/min；枪距是450mm；线速度是500mm/s，喷涂次数为10次。
(5)自然冷却，即得所述耐高温腐蚀的合金涂层。
如图2所示，是通过本实施例制备方法制备得到的合金涂层的表面SEM微观形貌图，从图中可以看出，锅炉受热面的耐高温腐蚀合金涂层的表面均匀、致密，说明喷涂效果极好，涂层对基底具有良好的保护作用。
如图3所示，是本实施例锅炉受热面的耐高温腐蚀合金涂层表面EDS能谱图，并对其进行分析得到各原子的质量百分比和数量百分比，详细数据见下表1。
表1 Incone1625/NiCr-NiCrAlY合金涂层表面各原子含量
接下来，对本实施例锅炉受热面的耐高温腐蚀合金涂层的截面进行SEM显微，如图4所示，是通过本实施例制备方法制备得到的合金涂层的截面SEM微观形貌图，从图中可以看出，Incone1625/NiCr合金面层严密覆盖于NiCrAlY合金打底层之上，打底层与基底结合处平整、无孔洞，说明涂层之间具有优良的结合力，可以对基底起到良好的保护效果。
对本实施例锅炉受热面的的耐高温腐蚀合金涂层中的NiCrAlY合金打底层和Incone1625/NiCr合金面层分别进行EDS能谱分析，如图5所示，是本实施例Incone1625/NiCr合金面层的EDS能谱分析图，如图6所示，是本实施例NiCrAlY合金打底层的EDS能谱分析图。
实施例2
如图1所示，本实施例锅炉受热面的耐高温腐蚀合金涂层，从基底1依次向外为打底层2和面层3，所述打底层2为NiCrAlY合金涂层，所述面层3为Incone1625/NiCr合金涂层；所述打底层2的厚度为90-110μm，所述面层3的厚度为350-500μm。
本实施例的锅炉受热面的耐高温腐蚀合金涂层的制备方法包括以下步骤：
(1)将Inconel625合金粉末与NiCr合金粉末按比例混合均匀，制得复合合金粉末、烘干待用。
具体按质量百分比称取60％的Inconel625合金粉末和40％的NiCr合金粉末，混合均匀，并制得平均粒径为25-55μm球状复合粉末，于烘箱中用120℃温度烘干水分，待用。
(2)对垃圾焚烧炉受热面的表面进行清洁、粗化处理。
在本实施例中，所述垃圾焚烧炉受热面是碳钢作为基体材料，对其表面进行除锈、除油污、喷砂处理，除去表面氧化膜，粗化工件表面。所使用的喷砂参数：喷砂粒度为40-50目，压力为0.2-0.5MPa，喷砂角度为80-100°，喷砂距离50-70mm，喷砂时间为20-50s。
(3)采用热喷涂技术于所述基底表面喷涂NiCrAlY合金粉末，形成打底层。
本实施例中，打底层喷涂材料是以按质量百分比的组成是Ni-66.0％，Cr-20.0％，Al-13.0％，Y-1.0％，平均粒径为25-55μm的NiCrAlY球状粉末，采用超音速火焰喷涂技术进行喷涂；喷涂厚度为90-110μm，喷涂的工艺参数为：助燃气体氧气流量为1700cfh；燃料气体煤油流量为6.0gph；载气流量为21cfh；送粉速度为55g/min；枪距是300mm；线速度是450mm/s，喷涂次数为8次。
(4)采用热喷涂技术于所述打底层上喷涂所述的球状复合合金粉末，形成面层。
采用超音速火焰喷涂技术在底漆层上喷涂Incone1625/NiCr合金面层，喷涂厚度为350-500μm，喷涂的工艺参数为：助燃气体氧气流量为1750cfh；燃料气体煤油流量为6.5gph；载气流量为25cfh；送粉速度为65g/min；枪距是500mm；线速度是550mm/s，喷涂次数为8次。
(5)自然冷却，得到耐高温腐蚀的Incone1625/NiCr-NiCrAlY合金涂层。
实施例3
如图1所示，本实施例锅炉受热面的耐高温腐蚀合金涂层，从基底1依次向外为打底层2和面层3，所述打底层2为NiCrAlY合金涂层，所述面层3为Incone1625/NiCr合金涂层；所述打底层2的厚度为90-110μm，所述面层3的厚度为350-500μm。
本实施例的锅炉受热面的耐高温腐蚀Incone1625/NiCr-NiCrAlY合金涂层的制备方法包括以下步骤：
(1)将Inconel625合金粉末与NiCr合金粉末按比例混合均匀，制得复合合金粉末、烘干待用。
具体按质量百分比称取90％的Inconel625合金粉末和10％的NiCr合金粉末，混合均匀，并制得平均粒径为25-55μm球状复合合金粉末，于烘箱中用120℃温度烘干水分，待用。
(2)对垃圾焚烧炉受热面的表面进行清洁、粗化处理。
在本实施例中，所述垃圾焚烧炉受热面是以合金钢作为基体材料，对其表面用油污清洗剂清理油污，所用的油污清洗剂可以是丙酮、煤油、汽油、有机稀释剂、香蕉水等，再用白刚玉砂或棕玉砂采用压缩空气进行喷砂处理，除去表面氧化膜，粗化工件表面。所使用的喷砂参数：喷砂粒度为40-50目，压力为0.2-0.5MPa，喷砂角度为80-100°，喷砂距离50-70mm，喷砂时间为20-50s。
(3)采用热喷涂技术于所述基底表面喷涂NiCrAlY合金粉末，形成打底层。
本实施例中，打底层喷涂材料是以按质量百分比的组成是Ni-66.0％，Cr-20.0％，Al-13.0％，Y-1.0％，平均粒径为25-55μm的NiCrAlY球状粉末，采用超音速火焰喷涂技术进行喷涂；喷涂厚度为90-110μm，喷涂的工艺参数为：助燃气体氧气流量为1750cfh；燃料气体煤油流量为6.5gph；载气流量为25cfh；送粉速度为65g/min；枪距是500mm；线速度是550mm/s，喷涂次数为4次。
(4)采用热喷涂技术于所述打底层上喷涂所述球状复合合金粉末，形成面层。
采用超音速火焰喷涂技术在底漆层上喷涂Incone1625/NiCr合金面层，喷涂厚度为350-500μm，喷涂的工艺参数为：助燃气体氧气流量为1700cfh；燃料气体煤油流量为6.0gph；载气流量为21cfh；送粉速度为55g/min；枪距是300mm；线速度是450mm/s，喷涂次数为12次。
(5)自然冷却，即得所述耐高温腐蚀的合金涂层。
高温腐蚀测试
将实施例1-3制备的合金涂层和对比例1-2的普通涂层作为测试样品，置于模拟条件中，进行高温腐蚀测试，测试结果如表2所示。
对比例1为在基底上喷涂的Incone1625/NiCr合金涂层，涂层厚度为350-500μm。
对比例2的涂层包括在基底上依次喷涂打底层和面层，其中打底层为NiCrAlY合金涂层，厚度为90-110μm；面层为Incone1625合金涂层，厚度为350-500μm。
模拟条件为：温度：800℃，氯腐条件：试样表面涂覆约2mg/cm2的混合盐(NaCl：NaSO4质量比1:3配制)；模拟烟气环境(CO2：15.0％；O2：3.5-5.0％；SO2：0.15％；N2：余量)，处理时间：200h。
表2用实施例与对比例的试样进行高温腐蚀测试的结果
| 测试样品 | 腐蚀层厚度 | 表面形貌 |
| 实施例1 | 40μm | 无剥落痕迹 |
| 实施例2 | 70μm | 无剥落痕迹 |
| 实施例3 | 50μm | 无剥落痕迹 |
| 对比例1 | 130μm | 局部腐蚀产物脱落 |
| 对比例2 | 100μm | 无剥落痕迹 |
通过表2，我们可以知道打底层NiCrAlY合金可以提高涂层与基体的结合强度，本发明所述的涂层比现有技术中的涂层在高温环境下更具耐氯腐蚀性能。
NiCrAlY合金可以提高涂层与基体的结合强度，有效的实现热膨胀系数的过渡，减小热应力对防护涂层的危害，NiCrAlY合金还具有抗氧化保护基体的作用。NiCr合金可以增强Incone1625合金在涂层中的结合力，减少涂层孔隙，NiCr合金比例过大影响涂层耐高温氯腐蚀性能。耐高温氯腐蚀的Incone1625/NiCr-NiCrAlY合金复合涂层可有效延长垃圾焚烧锅炉在高温高氯等恶劣条件下的使用寿命。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.耐高温腐蚀合金涂层，其特征在于，包括依次涂覆于基底上的打底层和面层，所述打底层为NiCrAlY合金涂层，所述面层为Incone1625/NiCr合金涂层；所述面层的材料为Incone1625合金粉末与NiCr合金粉末按(60wt％-90wt％)：(10wt％-40wt％)混合物。
2.根据权利要求1所述的耐高温腐蚀合金涂层，其特征在于，所述打底层的材料为平均粒径25-55μm的球状NiCrAlY合金粉末；所述面层的材料为所述Incone1625合金粉末与所述NiCr合金粉末混合均匀制得的球状复合合金粉末，且所述球状复合合金粉末的平均粒径为25-55μm。
3.根据权利要求1或2任一所述的耐高温腐蚀合金涂层，其特征在于，所述打底层的厚度为90-110μm，所述面层的厚度为350-500μm。
4.权利要求1-3任一项所述的耐高温腐蚀合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将Incone1625合金粉末与NiCr合金粉末按比例混合均匀，制得球状复合合金粉末、烘干待用；
(2)对基底表面进行清洁、粗化处理；
(3)采用热喷涂技术于所述基底表面喷涂NiCrAlY合金粉末，形成打底层；
(4)采用热喷涂技术于所述打底层上喷涂所述球状复合合金粉末，形成面层；
(5)冷却，即得所述耐高温腐蚀的合金涂层。
5.根据权利要求4所述的耐高温腐蚀合金涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的Inconel625合金粉末与NiCr合金粉末的比例为(60wt％-90wt％):(10wt％-40wt％)，所述球状复合合金粉末的平均粒径为25-55μm；所述NiCrAlY合金粉末为平均粒径25-55μm的球状粉末。
6.根据权利要求4所述的锅炉受热面的耐高温腐蚀合金涂层的制备方法，其特征在于，所述打底层的喷涂厚度为90-110μm；所述面层喷涂厚度为350-500μm。
7.根据权利要求4所述的锅炉受热面的耐高温腐蚀合金涂层的制备方法，其特征在于，所述热喷涂技术为超音速火焰喷涂技术。
8.根据权利要求7所述的锅炉受热面的耐高温腐蚀合金涂层的制备方法，其特征在于，所述超音速火焰喷涂技术的工艺参数为：助燃气体氧气流量为1700～1750cfh；燃料气体煤油流量为6.0～6.5gph；载气流量为21～25cfh；送粉速度为55～65g/min；枪距是300-500mm；线速度是450-550mm/s；所述步骤(3)中喷涂打底层时喷涂次数为4-8次；所述步骤(4)中喷涂面层时喷涂次数为8-12次。
9.根据权利要求4所述的锅炉受热面的耐高温腐蚀合金涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述对基底表面进行清洁、粗化处理的步骤包括：先清除基底表面油污，再对基底表面进行喷砂处理，除去基底表面氧化膜，粗化基底表面；所述喷砂处理的工艺参数为：喷砂粒度为40-50目，压力为0.2-0.5MPa，喷砂角度为80-100°，喷砂距离50-70mm，喷砂时间为20-50s。
10.根据权利要求4-9任一所述的锅炉受热面的耐高温腐蚀合金涂层的制备方法，其特征在于，对所述粗化处理后的基底进行加热，预热后再进行NiCrAlY合金粉末的喷涂，喷涂方法采用HVOF中性火焰喷涂。
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