CN111690928B - 锅炉水冷壁管排高效低稀释率涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种锅炉水冷壁管排高效低稀释率涂层制备方法，包括步骤涂层合金材料的配置以及利用三激光协同实现涂层的熔覆加工，其中采用三束激光束协同作用于锅炉水冷壁管排表面，依照设定的方式通过激光束形成的光斑进行清扫、低稀释率熔覆层制备以及中厚熔覆层制备，以在水冷壁管排表面制备低稀释率镍基涂层。本发明给予改进涂层成分以及制备工艺，以采用三激光束协同作用，结合熔池内的涂层材料的协同效应，在管排表面形成形貌改善的低稀释率涂层，极大程度保证涂层纯度。

Description

锅炉水冷壁管排高效低稀释率涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及激光熔覆增材制造技术领域，具体而言涉及一种锅炉水冷壁管排高效低稀释率涂层制备方法。
背景技术
锅炉管处于500-1200℃高温，锅炉管壁受热面受高速烟气持续冲刷，管壁因磨损而变薄直至爆管。锅炉管爆裂泄漏是导致非计划停炉的重要原因之一，究其失效形式，如材质不良、超温、磨损、腐蚀、焊接缺陷等。传统防护如加装防护瓦、管壁表面渗合金等处理，因价格昂贵或不易实施等原因而不能广泛应用。
激光熔覆技术以其热源可控和快速凝固、具有结合强度高和组织细化等特点，在航空航天、化工、模具、机械、钢铁等行业得到广泛的应用。但单激光束在中厚涂层单次制备方面的熔覆效率、涂层质量以及界面冶金缺陷控制等方面仍然存在一定的困难。
发明内容
本发明针对现有技术中锅炉水冷壁管排高效低稀释率涂层存在的问题，提出一种减少裂纹和改善熔覆界面缺陷的涂层合金粉体材料以及低稀释率涂层的激光熔覆制备工艺，提高涂层质量和管排使用寿命。
根据本发明目的的第一方面提供一种锅炉水冷壁管排高效低稀释率涂层用的涂层合金粉体材料，按下述摩尔质量百分比进行配制：
Figure BDA0002557318670000011
进一步优选地，所述涂层合金粉体中的粉末均为球形粉末，粉末粒径为53～150μm。
进一步优选地，所述钛合金粉末为TC4钛合金粉末。
根据本发明目的的第二方面还提出一种锅炉水冷壁管排高效低稀释率涂层制备方法，包括以下步骤：
步骤1、按下述摩尔质量百分比进行涂层合金粉体材料配制：
Figure BDA0002557318670000021
步骤2、采用三束激光束协同作用于锅炉水冷壁管排表面，依照设定的方式通过激光束形成的光斑进行清扫、低稀释率熔覆层制备以及中厚熔覆层制备，以在水冷壁管排表面制备低稀释率镍基涂层，其中：
激光束1为矩形条形激光束，用于水冷壁管排表面氧化皮的清洗去除；
激光束2为圆形激光束，用于水冷壁管排表面的底层的制备，即低稀释率熔覆层；
激光束3为圆形激光束，用于水冷壁管排表面的表层的制备，即中厚熔覆层制备；
其中，三束激光束在第一熔覆方向(V1)以及垂直于第一熔覆方向的第二熔覆方向(V2)均存在一致的前、中、后的位置关系，其中：
沿着第一熔覆方向，激光束1置于最前端，激光束2置于中间，激光束3置于最后端；
沿着第二熔覆方向，激光束1置于最前端，激光束2置于中间，并且激光束2的光斑中心滞后于激光束1的光斑中间L1距离，激光束3置于最后端，并且激光束3的光斑中心滞后于激光束2的光斑中心L2距离；
其中，在第一熔覆方向上，三个激光束形成的光斑之间间隔开地分布；
在第二熔覆方向上，激光束1的光斑的长度D1是激光束2的光斑直径D2的2倍，是激光束3的光斑直径D3的2倍。
根据本发明目的的第三方面还提出一种根据上述方法所制备的锅炉水冷壁管排高效低稀释率涂层。
与现有技术相比，本发明的锅炉水冷壁管排高效低稀释率涂层的涂层粉末材料中，利用镍基材料与钛的良好的物理和化学相容性，通过添加耐磨增强相使得涂层合金粉末的整体耐磨性能得以改善，通过对熔覆工艺过程的控制，促进熔覆层微观组织的优化、裂纹控制以及结合力形成协同，改善涂层界面熔覆形貌和涂层质量。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1为本发明的熔覆工艺中三个激光束的位置关系示意图，其中，V1为熔覆方向，V2为垂直于熔覆方向。
图2为本发明制备的涂层与其他方式制备的图形对比，(a)为中厚涂层单次熔覆的涂层界面缺陷形貌，(b)为本发明制备的涂层的熔覆界面形貌。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图1所示，根据本发明的示例性实施例的锅炉水冷壁管排高效低稀释率涂层制备方法，针对传统锅炉水冷壁管排的表面涂层的制备效率和熔覆层质量缺陷问题，提出一种改进涂层成分以及制备工艺，以采用三激光束协同作用，结合熔池内的涂层材料的协同效应，在管排表面形成良好的低稀释率涂层。
结合图示，本发明的涂层的制备主要包括步骤涂层合金材料的配置以及利用三激光协同实现涂层的熔覆加工。下面结合具体的实施例，更加具体阐述上述过程的实施。
【涂层合金材料的配置】
在本发明优选的实施例中，按下述摩尔质量百分比进行涂层合金粉体材料配制：
Figure BDA0002557318670000031
Figure BDA0002557318670000041
进一步优选地，涂层合金粉体中的粉末均为球形粉末，粉末粒径为53～150μm。
进一步优选地，钛合金粉末为TC4钛合金粉末，TC4合金为激光增材制造领域的高性能合金材料，并且在市场上容易获取。
优选地，上述合金粉体材料进行配置后，在使用前，采用电磁混粉装置进行粉末混合1h，并在100℃的真空环境中干燥1.5h，然后再使用。
【涂层制备】
本发明的实施例中，结合图1所示，优选地采用三束激光束协同作用于锅炉水冷壁管排表面，依照设定的方式通过激光束形成的光斑进行清扫、低稀释率熔覆层制备以及中厚熔覆层制备，以在水冷壁管排表面制备低稀释率镍基涂层。
激光束1为矩形条形激光束，用于水冷壁管排表面氧化皮的清洗去除。
激光束2为圆形激光束，用于水冷壁管排表面的底层的制备，即低稀释率熔覆层。
激光束3为圆形激光束，用于水冷壁管排表面的表层的制备，即中厚熔覆层制备。
结合图1，三束激光束在第一熔覆方向(V1)以及垂直于第一熔覆方向的第二熔覆方向(V2)均存在一致的前、中、后的位置关系，其中：
沿着第一熔覆方向，激光束1置于最前端，激光束2置于中间，激光束3置于最后端；
沿着第二熔覆方向，激光束1置于最前端，激光束2置于中间，并且激光束2的光斑中心滞后于激光束1的光斑中间L1距离，激光束3置于最后端，并且激光束3的光斑中心滞后于激光束2的光斑中心L2距离。
在第一熔覆方向上，三个激光束形成的光斑之间间隔开地分布。优选地，间隔的距离相同。
在第二熔覆方向上，激光束1的光斑的长度D1是激光束2的光斑直径D2的2倍，是激光束3的光斑直径D3的2倍。
优选地，在对管排进行涂层制备前，可预先将其在夹具上固定并夹紧，依据实际需要对管排腔体通入自来水。
在可选的实施例中，可利用龙门式熔覆机床携带一组三个激光熔覆加工头(激光清洗头+低稀释率涂层制备加工头+中厚涂层制备加工头三个加工头为一组)，激光清洗功能为线形光斑，两种激光熔覆加工头为圆形光斑，三者的空间安装位置依据管排的结构形式在图1的位置配置下可进行调整。在另外的实施例中，龙门式熔覆机床可携带多组加工头进行多区域同时熔覆，现多区域多工位同时熔覆，进一步提高工业生产效率。
优选地，三个激光熔覆加工头作为一个整体，能够相对于龙门式熔覆机床的安装横梁旋转一定角度，且角度的调整由伺服电机控制，以适应管排弧面的熔覆。
熔覆的涂层的总厚度2.2mm，底层的熔覆厚度0.6mm，表层熔覆厚度1.6mm。
结合图1，三个激光束中，激光束1的光斑的长度D1为10mm，激光束2的光斑的直径D2为5mm，激光束3的光斑的直径D3为5mm；
L1＝2.5mm-3.5mm，L2＝2.0mm-4.5mm。
在步骤2中，通过指导红光对三激光束的按照图1的位置关系进行相对位置的调整后，通过输入熔覆加工参数控制熔覆加工。
熔覆所使用的工艺参数为：
激光清洗：激光功率500W，光斑长度10mm；
低稀释率涂层制备：激光功率1400W，光斑大小5mm，搭接率50％；
中厚涂层制备：激光功率2000W，光斑大小5mm，搭接率50％。
送粉方式为同轴送粉。
打开送粉器，送粉速度分别调至0.8r/min和2.3r/min，送粉载气量别调至2.5L/min和6.5L/min。启动机床控制程序，沿预设的路径进行激光熔覆。
优选地，三个激光束对应的激光熔覆加工头按照空间位置关系固定于机床的运动横梁上，三者的扫描速度v相同，v＝18mm/s，直到设定的熔覆加工程序结束，得到两层熔覆层。
结合图2所示，为了进行对比，我们还进行了中厚涂层单次熔覆，形成2.6mm的涂层。
如图2所示，本发明通过二次加工进行底层和表层分别熔覆成型，采用三光束协同，其中使用线性长矩形的光束进行清扫、预热，并通过圆形光束分别进行底层和表层的熔覆，一方面提高效率，另一方面提高熔覆截面的结合质量，提高涂层质量。相比于在低稀释率条件下一次性熔覆涂层(厚度2.6mm)的工艺来说，大幅度减少了涂层与基材界面的未熔合缺陷，界面及涂层内部缺陷少；相比于两次熔覆的方式大大提高了效率。同时，在另一些方面，本发明使用的三束激光的组合方式可以作为一个整体复制于平面熔覆机床横梁的多个位置，实现多区域同时熔覆，并可进一步提高工业生产效率。
结合上述实施例，本发明使用的赫格纳斯625镍基粉末与球形镍包碳化钨混合粉末，在其中加入二硫化钼与氧化锆，一方面通过碳化钨与镍基的混合实现高效耐磨性能，同时与二硫化钼形成协同，进一步实现减摩协同，提高耐磨水平；另一方面，在碳化钨、二硫化钼与镍基形成熔池过程中，利用氧化锆作为促进剂，细化熔覆层组织，减少熔覆层内的细微裂纹产生，提高熔覆层中镍基相对耐磨基碳化钨和二硫化钼的结合力，进一步提高涂层的质量和耐磨性。
另外，在形成熔池的过程中，碳化硼与钛合金粉末协同作用，通过原位反应产生成TiC和TiB2，弥散地分布在熔池内，而颗粒更佳细小的TiC和TiB2作为增强相，与碳化钨的大颗粒在熔池内形成空隙补充效果，使得TiC和TiB2与碳化钨在赫格纳斯625耐磨镍基的熔池中分布更佳均匀和致密，细化微观晶粒效果，使涂层的微观结构得到增强，减少塑性变形与细小裂纹的产生，提高熔覆界面的质量。同时，TiC和TiB2与碳化钨在的协同作用下，通过颗粒度的错配效应，实现对熔覆层内微观组织的应力分散，减少和消除团聚引起的应力集中问题，促进内部组织的优化，进一步提高提高熔覆界面的质量，如图2所示。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种锅炉水冷壁管排高效低稀释率涂层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、按下述摩尔质量百分比进行涂层合金粉体材料配制：
赫格纳斯625镍基粉末 80%-85%
球形镍包碳化钨粉末 10-15%
碳化硼粉末 1%-5%
氧化锆粉末 0.5%-1%
二硫化钼粉末 0.5%-1%
钛合金粉末 3%-5%
步骤2、采用三束激光束协同作用于锅炉水冷壁管排表面，依照设定的方式通过激光束形成的光斑进行清扫、低稀释率熔覆层制备以及中厚熔覆层制备，以在水冷壁管排表面制备低稀释率涂层，其中：
激光束1为矩形条形激光束，用于水冷壁管排表面氧化皮的清洗去除；
激光束2为圆形激光束，用于水冷壁管排表面的底层的制备，即低稀释率熔覆层；
激光束3为圆形激光束，用于水冷壁管排表面的表层的制备，即中厚熔覆层制备；
其中，三束激光束在第一熔覆方向（V1）以及垂直于第一熔覆方向的第二熔覆方向（V2）均存在一致的前、中、后的位置关系，其中：
沿着第一熔覆方向，激光束1置于最前端，激光束2置于中间，激光束3置于最后端；
沿着第二熔覆方向，激光束1置于最前端，激光束2置于中间，并且激光束2的光斑中心滞后于激光束1的光斑中间L1距离，激光束3置于最后端，并且激光束3的光斑中心滞后于激光束2的光斑中心L2距离；
其中，在第一熔覆方向上，三个激光束形成的光斑之间间隔开地分布；
在第二熔覆方向上，激光束1的光斑的长度D1是激光束2的光斑直径D2的2倍，是激光束3的光斑直径D3的2倍。
2.根据权利要求1所述的锅炉水冷壁管排高效低稀释率涂层制备方法，其特征在于，所述涂层合金粉体中的粉末均为球形粉末，粉末粒径为53~150μm。
3.根据权利要求1所述的锅炉水冷壁管排高效低稀释率涂层制备方法，其特征在于，所述钛合金粉末为TC4钛合金粉末。
4.根据权利要求1所述的锅炉水冷壁管排高效低稀释率涂层制备方法，其特征在于，所述步骤1中，按摩尔质量百分比进行粉体材料配制后，采用电磁混粉装置进行粉末混合1 h，并在使用之前100℃真空干燥1.5 h。
5.根据权利要求1所述的锅炉水冷壁管排高效低稀释率涂层制备方法，其特征在于，所述低稀释率涂层的熔覆总厚度2.2mm，底层的熔覆厚度0.6mm，表层熔覆厚度1.6mm。
6.根据权利要求1所述的锅炉水冷壁管排高效低稀释率涂层制备方法，其特征在于，所述三个激光束中，激光束1的光斑的长度D1为10mm，激光束2的光斑的直径D2为5mm，激光束3的光斑的直径D3为5mm；
L1=2.5mm-3.5mm，L2=2.0mm-4.5mm。
7.根据权利要求1所述的锅炉水冷壁管排高效低稀释率涂层制备方法，其特征在于，在步骤2中，熔覆所使用的工艺参数为：
激光清洗：激光功率500W，光斑长度10mm；
低稀释率涂层制备：激光功率1400W，光斑大小5mm，搭接率50%；
中厚涂层制备：激光功率2000W，光斑大小5mm，搭接率50%；
送粉方式为同轴送粉。
8.根据权利要求7所述的锅炉水冷壁管排高效低稀释率涂层制备方法，其特征在于，三个激光束对应的激光熔覆加工头按照空间位置关系固定于机床运动横梁上，三者的扫描速度v相同，v=18mm/s。
9.一种根据权利要求1-8中任意一项所述的方法所制备的锅炉水冷壁管排高效低稀释率涂层。
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