CN108118285A - 提高抗高温水蒸汽氧化性能的低温渗铝剂、方法和材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高材料抗高温水蒸汽氧化性能的低温渗铝剂、方法和材料,由铁铝粉(FeAl)或者铝、活化剂、催渗剂等组成。于内表面清理合格的集箱产品,填充本渗铝剂或者涂刷的料浆渗铝剂,于600‑780℃下进行渗铝,时间2‑20h,不需要经高温扩散退火,一步即制备单一的FeAl相渗铝层,且无Fe2Al5等其它脆性相。制备的渗铝样品具有优异的抗水蒸汽氧化性能。本发明是以铁铝粉(FeAl)或铝粉为主渗剂一种工艺,在不影响基材力学性能条件下的温低渗铝技术。可有效提高集箱高温抗氧化性能,以保证锅炉的安全运行,延长使用寿命,是一种经济上合理,技术上可行的技术方案。
Description
技术领域
本发明涉及锅炉领域。
背景技术
目前,我国超(超)临界机组装机容量和生产技术已经达到世界先进水平,但是如果要求更进一步提高超(超)临界机组的发电效率,对发电设备所涉及的材料要求将会更加苛刻。
发电效率的提高,意味着更高的高温水蒸汽参数,必然要求材料具有更佳的抗高温水蒸汽氧化性能,否则在长时运行条件下,极易导致材料高温蠕变寿命降低、氧化皮剥落加剧等问题,甚至会因此导致爆管等问题,严重影响机组运行的可靠性,尤其是高温再热集箱及管座区域。
基于目前常见的集箱用材,如T/P91、T/P92及G115等,于620℃以上水蒸汽介质环境,材料本身的抗氧化性能存在不足。常见的表面氧化防护技术,如激光熔覆、热喷涂、渗铬等也不能满足长时运行要求或者由于集箱结构原因无法实施。
发明内容
本发明的目的在于:提出一种提高材料抗高温水蒸汽氧化性能的低温渗铝剂,渗铝方法,以及抗高温水蒸汽氧化的材料,有效提高集箱等使用于高温水蒸汽介质环境材料的高温抗氧化性能,以保证锅炉等产品的安全运行,延长使用寿命,且方案经济上合理,技术上可行,特别适用于超(超)临界机组集箱,于620℃以上水蒸汽介质环境。
本发明的目的通过下述技术方案来实现:
一种提高材料抗高温水蒸汽氧化性能的低温渗铝剂,各组分及其重量百分比为:
铁铝粉:95%-98%,或者铝+三氧化二铝,其中铝:33%-70%,三氧化二铝:23%-60%;
活化剂:1%-5%;
催渗剂:0%-2%。
作为选择,低温渗铝剂各组分及其重量百分比为:铁铝粉:95%-97%,或者铝+三氧化二铝,其中铝:40%-70%,三氧化二铝:23%-50%;
活化剂:1%-4%;
催渗剂:1%-2%。
作为进一步选择,低温渗铝剂各组分及其重量百分比为:铁铝粉:95%-96%,或者铝+三氧化二铝,其中铝:50%-70%,三氧化二铝:23%-40%;
活化剂:2%-3%;
催渗剂:1%-2%。
作为选择,低温渗铝剂各组分及其重量百分比为:铁铝粉:95%-98%,或者铝+三氧化二铝,其中铝:35%-40%,三氧化二铝:55%-60%;
活化剂:4%-5%;
催渗剂:1%-2%。
作为选择,铁铝粉、铝粉、氧化铝为50-300目的粉末状颗粒,活化剂选自氯化铵、氟化铵、氟硅酸钠、氟硅酸钾中的一种或多种,催渗剂选自稀土的氧化物或氯化物。
作为进一步选择,稀土元素为镧、钇。
一种采用前述低温渗铝剂制备的抗高温水蒸汽氧化材料,包括材料基体,以及材料基体表面的渗铝层,渗铝层为FeAl非脆性相,渗铝层包括铁铝合金层和扩散层,铁铝合金层的厚度为3μm~80μm,扩散层的厚度为1μm~30μm。
作为选择,抗高温水蒸汽氧化材料能够耐660℃以上的水蒸汽氧化腐蚀。
作为选择,基体材料为9Cr钢、TP347不锈钢,或者S30432不锈钢。
作为进一步选择,基体材料为T/P91、T/P92或G115集箱,渗铝层设于集箱内壁。
一种采用前述低温渗铝剂进行低温渗铝的方法,特别制得前述抗高温水蒸汽氧化材料的渗铝方法,依次包括以下步骤:
1)基体前处理:对基体材料表面进行清理,去除异物;可采用化学清洗、内镗加工或者喷射清理等有效措施。
2)渗铝:
A)渗铝剂配制:按照组成充分混合均匀;
B)渗铝剂填充:将混合均匀的渗铝剂填充于基体材料被处理过的表面或者加入粘结剂,混合均匀后以料浆形态涂覆于基体材料被处理过的表面,并且密封处理;
C)渗铝扩散:将填充渗铝剂完毕的基体材料置于600-780℃(优选650-700℃,更优选660-690℃)下保温2-20h(优选4-20h,更优选6-10h),保温结束后,随炉冷却至室温,参考图10所示;
3)后处理:渗铝扩散处理完毕,清除基体材料渗铝剂即可。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案,均为本发明可采用并要求保护的方案;并且本发明,(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合,均为本发明所要保护的技术方案,在此不做穷举。
本发明的有益效果:通过料浆或者粉末包埋技术,在基体材料表面(例如集箱内表面)形成完整、致密的铁铝合金渗铝层,该渗铝层不仅具有优良耐高温水蒸汽氧化、耐热性能,同时具有不易开裂、不易剥落等特点。对于减缓使用于高温水蒸汽介质环境材料表面(例如集箱和管道内壁)的高温水蒸汽氧化、延长使用寿命、提高发电效率方面具有广泛/明显的经济效益和社会效益。
现有技术中虽然存在渗铝技术,但是本发明低温渗铝方法可以在低温下进行处理,低于现有技术最低800多℃,通常900℃甚至1000℃以上的高温处理,更不需要经高温扩散退火,可一步即获得单相FeAl渗层,且无Fe2Al5等其它脆性相。制备的渗铝工件具有优异的抗水蒸汽氧化性能。
本发明的低温渗铝技术特点在于:渗铝温度低,不影响基材性能,渗层均匀且无脆相组织,因渗铝层具有优良的抗高温水蒸汽氧化性能,从而达到提高集箱和管座等材料抗氧化性能及延长使用寿命的目的。与此同时,渗剂的组分简单、材料来源丰富、经济性好且易得,可以降低渗铝的成本。渗剂的制备过程简单易行,为一种可显著提高集箱和管座等材料抗高温水蒸汽氧化的工艺。
附图说明
图1是本发明实施例1的渗铝层厚度图;
图2是本发明实施例1的渗铝层的物相组成图;
图3是本发明实施例1的G115未渗铝和渗铝试样于660℃下的高温水蒸汽氧化动力学曲线图;
图4是本发明实施例2的渗铝层厚度图;
图5是本发明实施例2的渗铝层的物相组成图;
图6是本发明实施例2的G115未渗铝和渗铝试样于660℃下的高温水蒸汽氧化动力学曲线图;
图7是本发明实施例3的渗铝层厚度图;
图8是本发明实施例3的渗铝层的物相组成图;
图9是本发明实施例3的G115未渗铝和渗铝试样于660℃下的高温水蒸汽氧化动力学曲线图;
图10是本发明的低温渗铝热扩散曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。
实施例1:
1、按照重量百分比计,渗铝剂包括如下组分:铝35%;氯化铵4%;三氧化二铝60%;氧化钇1%。
2、将渗铝剂按比例充分混合均匀后,利用粉末包埋法,在气氛炉中进行渗铝处理。加热至660-690℃保温6小时,然后随炉冷却至室温。
3、处理结果:经上述处理后的G115集箱渗铝层渗层厚度约为24μm,见图1所示;渗铝层为FeAl相,如图2所示。
4、采用本发明的渗铝配方及渗铝工艺处理后的G115试样置于660℃高温水蒸汽环境中氧化2000小时,样品增重非常轻微,其增重明显低于660℃未渗铝样品。渗层均匀且无脆相组织,如图2所示。如图3所示,表明渗铝层有优异的抗高温水蒸汽氧化性能。
5、渗铝层于高温、高压水蒸汽环境下可原位生成致密、完整的氧化铝薄膜,该氧化铝薄膜可有效阻挡水蒸汽和活性氧原子等腐蚀介质向金属基材扩散,同时也能有效抑制金属基材中的铁原子向外扩散形成氧化物。因此,制备的-渗铝层具有优良的抗高温水蒸汽氧化性能。同时由于氧化铝薄膜于高温水蒸汽环境中物理状态稳定,加之渗铝层在高温条件下能够提供足够的铝源,保证了渗铝层的长效寿命和长时抗高温水蒸汽氧化性能。
实施例2:
1、按照重量百分比计,渗铝剂包括如下组分:铝40%;氟化铵4%;三氧化二铝55%;氧化钇1%。
2、将渗铝剂按比例充分混合均匀后,利用粉末包埋法,在气氛炉中进行渗铝处理。加热至660-690℃保温6小时,然后随炉冷却至室温。
3、处理结果:经上述处理后的G115集箱渗铝层渗层厚度约为28μm,见图4所示;渗铝层为FeAl相,如图5所示。
4、采用本发明的渗铝配方及渗铝工艺处理后的G115试样置于660℃高温水蒸汽环境中氧化2000小时,样品增重非常轻微,其增重明显低于660℃未渗铝样品。渗层均匀且无脆相组织,如图5所示。如图6所示,表明渗铝层有优异的抗高温水蒸汽氧化性能。
实施例3:
1、按照重量百分比计,渗铝剂包括如下组分:铝35%;氯化铵5%;三氧化二铝59%;氧化澜1%。
2、将渗铝剂按比例充分混合均匀后,利用粉末包埋法,在气氛炉中进行渗铝处理。加热至660-690℃保温6小时,然后随炉冷却至室温。
3、处理结果:经上述处理后的G115集箱渗铝层渗层厚度约为36μm,见图7所示;渗铝层为FeAl相,如图8所示。
4、采用本发明的渗铝配方及渗铝工艺处理后的G115试样置于660℃高温水蒸汽环境中氧化2000小时,样品增重非常轻微,其增重明显低于660℃未渗铝样品。渗层均匀且无脆相组织,如图8所示。如图9所示,表明渗铝层有优异的抗高温水蒸汽氧化性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种提高材料抗高温水蒸汽氧化性能的低温渗铝剂,其特征在于各组分及其重量百分比为:
铁铝粉:95%-98%,或者铝+三氧化二铝,其中铝:33%-70%,三氧化二铝:23%-60%;
活化剂:1%-5%;
催渗剂:0%-2%。
2.如权利要求1所述的提高材料抗高温水蒸汽氧化性能的低温渗铝剂,其特征在于各组分及其重量百分比为:
铁铝粉:95%-97%,或者铝+三氧化二铝,其中铝:40%-70%,三氧化二铝:23%-50%;
活化剂:1%-4%;
催渗剂:1%-2%。
3.如权利要求2所述的提高材料抗高温水蒸汽氧化性能的低温渗铝剂,其特征在于各组分及其重量百分比为:
铁铝粉:95%-96%,或者铝+三氧化二铝,其中铝:50%-70%,三氧化二铝:23%-40%;
活化剂:2%-3%;
催渗剂:1%-2%。
4.如权利要求1、2或3所述的提高材料抗高温水蒸汽氧化性能的低温渗铝剂,其特征在于:铁铝粉、铝粉、氧化铝为50-300目的粉末状颗粒,活化剂选自氯化铵、氟化铵、氟硅酸钠、氟硅酸钾中的一种或多种,催渗剂选自稀土的氧化物或氯化物。
5.如权利要求4所述的提高材料抗高温水蒸汽氧化性能的低温渗铝剂,其特征在于:稀土元素为镧、钇。
6.一种采用如权利要求1-5中任一权利要求中所述的低温渗铝剂制备的抗高温水蒸汽氧化材料,其特征在于:包括材料基体,以及材料基体表面的渗铝层,渗铝层为FeAl非脆性相,渗铝层包括铁铝合金层和扩散层,铁铝合金层的厚度为3μm~80μm,扩散层的厚度为1μm~30μm。
7.如权利要求6所述的抗高温水蒸汽氧化材料,其特征在于:抗高温水蒸汽氧化材料能够耐660℃以上的水蒸汽氧化腐蚀。
8.如权利要求6所述的抗高温水蒸汽氧化材料,其特征在于:基体材料为9Cr钢、TP347不锈钢,或者S30432不锈钢。
9.如权利要求8所述的抗高温水蒸汽氧化材料,其特征在于:基体材料为T/P91、T/P92或G115集箱,渗铝层设于集箱内壁。
10.一种采用如权利要求1-5中任一权利要求中所述的低温渗铝剂进行低温渗铝的方法,其特征在于依次包括以下步骤:
1)基体前处理:对基体材料表面进行清理,去除异物;
2)渗铝:
A)渗铝剂配制:按照组成充分混合均匀;
B)渗铝剂填充:将混合均匀的渗铝剂填充于基体材料被处理过的表面或者加入粘结剂,混合均匀后以料浆形态涂覆于基体材料被处理过的表面,并且密封处理;
C)渗铝扩散:将填充渗铝剂完毕的基体材料置于600-780℃下保温2-20h,保温结束后,随炉冷却至室温;
3)后处理:渗铝扩散处理完毕,清除基体材料渗铝剂即可。
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