专利名称：一种用于电弧喷涂制备FeCrB涂层的粉芯丝材及涂层制备方法
技术领域：
本发明属于材料加工工程中的热喷涂领域，是一种利用电弧喷涂工艺制备FeCrB涂层的粉芯丝材，该发明主要应用于抗磨损和抗高温氧化腐蚀等工业领域。
背景技术：
在电厂设备中，锅炉占重要地位，与汽轮机和发电机共称为电厂的“三大主机”。而与此同时，锅炉也是电厂事故多发的设备，火电机组的非计划停机大部分由它引起，其事故占有率为整个机组的40%以上，占所有非计划停机事故的多数。其中，锅炉受热面“四管 ”故障是造成锅炉强迫停机的首要原因。随着设计和制造技术的提高，耐高温高压材料发展，大型煤电向高参数、大容量、高效率和大电厂发展，运行的安全性和经济性也已经成为人们关注的重要问题燃煤电站锅炉“四管”在高温服役环境中的磨损和腐蚀是其主要的失效形式，由于频繁爆管所带来的材料损耗和非计划停炉造成了高昂的维修成本和巨大的经济损失。通过热喷涂技术在管壁表面制备防护涂层能够显著提高其运行可靠性和使用寿命，降低维修频率，从而体现出较好的经济效益，被认为是锅炉“四管”最为有效的防护技术手段之一。相比于超音速火焰喷涂等技术，电弧喷涂具有工艺设备简单、成本低廉和适于原位大面积施工等优点，因此已被该领域所广泛接受和采用。然而，近年来随着煤质条件的下降、超超临界锅炉的出现以及固体废弃物燃烧发电技术的普遍应用等，锅炉“四管”的服役环境更为恶劣，也对涂层材料的综合性能尤其是耐蚀性能提出了更高的要求，设计开发新型涂层材料以改善其防护能力成为该领域研究的热点问题。经检索，目前有见Fe-Cr-B系耐磨堆焊焊条的相关报道，应用在耐磨堆焊领域。但由于其Cr元素含量较低，在高温氧化腐蚀条件下无法形成有效的保护性氧化层，起不到耐高温氧化腐蚀的作用。而且堆焊过程中为了脱氧和造渣，该系的焊条需要加入Si元素和Mn元素，以及白云石、萤石、金红石等矿物药皮，因此成本和制作的复杂程度较高。目前用于锅炉“四管”防护的涂层材料，多为Ni基合金系或Fe基的FeCrAl合金系。而由于Ni基合金系成本过高，FeCrAl系在热喷涂过程中容易产生大量层间氧化导致结合强度降低，因此在应用中均受到一定限制。目前未见关于电弧喷涂制备FeCrB耐高温氧化腐蚀涂层的粉芯丝材的专利报道。
发明内容
本发明的目的是利用电弧喷涂工艺制备耐磨耐腐蚀涂层，以达到大幅度提高锅炉“四管”的运行可靠性和使用寿命，降低维修频率，而提供一种用于电弧喷涂制备FeCrB耐高温氧化腐蚀涂层的粉芯丝材及涂层制备方法。用本发明的粉芯丝材制备的涂层耐高温氧化腐蚀性能强，硬度高，结合强度高，具有良好的力学性能，能提高锅炉“四管”的运行可靠性和使用寿命，降低维修频率。
本发明的一种用于电弧喷涂制备FeCrB耐高温氧化腐蚀涂层的粉芯丝材，其特征在于丝材外皮所用带材为不锈钢带；粉芯丝材填充率为32%-34%，优选33%，粉芯丝材中粉芯的填充物为金属铬粉、金属铁粉和碳化硼粉末，其中碳化硼粉末中硼元素(B)的百分含量为88wt.%，碳元素(C)的百分含量为12wt.%。所制得粉芯丝材中Cr元素的百分含量为18-28wt. %，B元素的质量百分含量为4-lOwt. %。粉芯丝材的直径为2. 0mm，允许正负公差在O. 03mm以内。所述粉芯丝材外皮所用带材为不锈钢带，所述不锈钢带优选304L不锈钢带。优选所述粉芯丝材中Cr23-28wt. % ；B 6-10wt. %。进一步优选所述粉芯丝材中Cr 23-26wt. % ；B :6_8wt. %。
采用本发明上述的粉芯丝材制备一种FeCrB涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤I :对基体表面进行预处理基体表面经粒度180目砂纸预磨后，利用粒度为60目棕刚玉进行喷砂处理，气压O. 5-0. 6MPa，时间20s。步骤2采用电弧喷涂工艺制备涂层，喷涂工艺参数为电压26-34V;电流180-220A ;喷涂距离190-210mm ;压缩空气压力0· 4-0. 6MPa，制备涂层。步骤2所述喷涂工艺进行优化，将喷涂工艺参数设定为电压30-32V ；电流190-200A ;喷涂距离200_ ;压缩空气压力0· 5-0. 6MPa。本发明所述方法制备的一种FeCrB涂层所具有的力学性能、耐高温氧化腐蚀性能和耐磨性能是其自身组分所决定的。Fe元素在地壳中占有较高的质量分数，Fe基合金在保持较高的性价比的同时，又具有优异的耐磨性能，非常适合于制备恶劣服役环境中使用的材料表面强化涂层；Cr元素涂层中的Cr可以形成连续致密的Cr2O3氧化层，显著提高抗高温氧化和耐腐蚀性，对涂层起到保护作用。本发明粉芯丝材中Cr元素的质量百分比，如果过高，由于粉芯丝材填充率有限，使B元素无法适量加入，导致涂层脱氧不够，涂层不够致密，且不足以形成硬质相；如果过低，不足以在表层形成连续有效的保护性Cr2O3氧化层，导致涂层耐高温氧化腐蚀性能下降；B元素由于纯硼粉的价格较高，因此在粉芯中以碳化硼的形式加入B元素，可以大大降低成本。而且C元素，在喷涂过程中，会和B元素一同起到脱氧的作用而被烧损，生成气体，由于C元素质量轻，会附在最上面优先进行脱氧，而碳化硼粉末中引入的C含量很低且其进行了脱氧而消耗掉，因此制成涂层后经ICP光谱检测，未发现涂层中含有C元素。B元素在喷涂过程中起到脱氧作用，可以使涂层中层间氧化物大量减少，提高涂层质量和结合强度。B元素可以与Fe、Cr元素形成M2B硬质相，且加入适量的B可以降低合金的熔点利于形成细小晶粒，提高涂层硬度，增加耐磨性。本发明粉芯丝材中B元素的质量百分比，如果过高，会导致涂层冷却后产生裂纹，不利于阻挡氧和其他腐蚀性元素的侵入；如果过低，涂层脱氧不够，导致涂层不够致密，且不足以形成硬质相。虽然涂层中的各个元素都是常规的元素，但是涂层的耐磨耐蚀性是通过各个元素的协同作用决定的，并不是单一元素决定的，也不是仅仅通过有限次试验就可以得到的。本发明是提供一种用于电弧喷涂制备FeCrB耐高温氧化腐蚀涂层的粉芯丝材及涂层制备方法。该粉芯丝材经电弧喷涂在材料表面制备涂层后，制备得到的FeCrB涂层，结合强度平均达到43MPa。涂层显微硬度平均达到738HVai。相对耐磨性为基体Q235钢的7倍左右。耐高温氧化腐蚀性能优良，氧化动力学曲线呈抛物线规律，表明能够快速有效形成保护性氧化层，抵抗进一步氧化腐蚀侵袭。涂层能够提高锅炉“四管”的运行可靠性和使用寿命。
图I实施例11涂层XRD图样；图2实施例1-12与对比例涂层显微硬度；图3实施例1-12与对比例涂层相对耐磨性；图4实施例2、6、11、12与对比例涂层高温氧化实验曲线。
具体实施例方式下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明决非仅局限于所陈述的实施例。各实施例中相同部分如下所述I.实施例中粉芯丝材外皮选用规格为12X0. 3mm (宽度为12臟，厚度为O. 3mm)的304L不锈钢带，粉芯丝材中粉芯的填充物为金属铬粉、金属铁粉和碳化硼粉末，其中碳化硼粉末中硼元素(B)的百分含量为88wt. %，碳元素(C)的百分含量为12wt.%。粉芯丝材的成分在实施例中具体说明。各种粉末放入混粉机内混合10分钟，然后将混合粉末加入U形的304L不锈钢钢带槽中。将U形槽合口，使药粉包裹其中，再经过拉丝模逐渐减径使其直径达到2. Omm ；2.基体选用Q235 (尺寸为57 X 25 X 5mm)及采用45号钢依照国标GB9796-88中所规定的试件尺寸所制备的拉伸试样棒经粒度为180目砂纸预磨后，采用粒度为60目棕刚玉，气体压力O. 5-0. 6MPa，持续时间20s，对试件进行喷砂粗化处理；3.喷涂工艺参数在实施例中具体说明，磨粒磨损、耐蚀性实验用涂层每次喷涂厚度不超过50 μ m，分多次喷涂到500 μ m ;结合强度试验用涂层在同一实施例中，与磨粒磨损、耐蚀性实验涂层制备工艺参数相同，每次喷涂厚度不超过50 μ m，分多次喷涂到250 μ m。实施例I取粉芯的物质和其质量百分比为铬粉20. 3% ;碳化硼粉15% ;铁粉余量；填充率32%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数电压26-30V ；电流180-200A ;喷涂距离190mm ;压缩空气压力O. 4-0. 5MPa。所获得的涂层中各组分质量百分比为Cr 18wt. % ；B 4wt. % ；Fe :余量。实施例2取粉芯的物质和其质量百分比为铬粉20% ;碳化硼粉13. 7% ;铁粉余量；填充率33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数电压30-34V ；电流200-220A ;喷涂距离200mm ;压缩空气压力O. 5-0. 6MPa。所获得的涂层中各组分质量百分比为Cr 18wt. % ；B 4wt. % ；Fe :余量。实施例3取粉芯的物质和其质量百分比为铬粉25. 8% ;碳化硼粉20% ;铁粉余量；填充率34%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数电压26-30V ;电流180-200A ;喷涂距离190mm ;压缩空气压力O. 4-0. 5MPa。所获得的涂层中各组分质量百分比为Cr 20wt. % ；B 6wt. % ；Fe :余量。实施例4取粉芯的物质和其质量百分比为铬粉26. 1% ;碳化硼粉20. 6% ;铁粉余量；填充率33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数电压30-34V ;电流200-220A ;喷涂距离200mm ;压缩空气压力O. 5-0. 6MPa。所获得的涂层中各 组分质量百分比为Cr 20wt. % ；B 6wt. % ；Fe :余量。实施例5取粉芯的物质和其质量百分比为铬粉34. 6% ;碳化硼粉23. 4% ;铁粉余量；填充率34%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数电压26-30V ;电流180-200A;喷涂距离190mm ;压缩空气压力O. 4-0. 5MPa。所获得的涂层中各组分质量百分比为Cr 23wt. % ；B 7wt. % ；Fe :余量。实施例6取粉芯的物质和其质量百分比为铬粉35. 7% ;碳化硼粉24. 9% ;铁粉余量；填充率32%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数电压30-34V ;电流200-220A ;喷涂距离200mm ;压缩空气压力O. 5-0. 6MPa。所获得的涂层中各组分质量百分比为Cr 23wt. % ；B 7wt. % ；Fe :余量。实施例7取粉芯的物质和其质量百分比为铬粉43. 5% ;碳化硼粉26. 7% ;铁粉余量；填充率34%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数电压26-30V ;电流180-200A ;喷涂距离190mm ;压缩空气压力O. 4-0. 5MPa。所获得的涂层中各组分质量百分比为Cr 26wt. % ；B 8wt. % ；Fe :余量。实施例8取粉芯的物质和其质量百分比为铬粉44. 3% ;碳化硼粉27. 5% ;铁粉余量；填充率33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数电压30-34V ;电流200-220A ;喷涂距离200mm ;压缩空气压力O. 5-0. 6MPa。所获得的涂层中各组分质量百分比为Cr 26wt. % ；B 8wt. % ；Fe :余量。实施例9取粉芯的物质和其质量百分比为铬粉51. 3% ;碳化硼粉35. 5% ;铁粉余量；填充率32%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数电压26-30V ;电流180-200A ;喷涂距离190mm ;压缩空气压力O. 4-0. 5Mpa。所获得的涂层中各组分质量百分比为Cr 28wt. % ；B IOwt. % ；Fe :余量。实施例10取粉芯的物质和其质量百分比为铬粉50. 3% ;碳化硼粉34. 4% ;铁粉余量；填充率33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数电压30-34V ;电流200-220A ;喷涂距离200mm ;压缩空气压力O. 5-0. 6MPa。所获得的涂层中各组分质量百分比为Cr 28wt. % ；B IOwt. % ；Fe :余量。实施例11
取粉芯的物质和其质量百分比为铬粉44. 3% ;碳化硼粉17. 3% ;铁粉余量；填充率33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数电压30-34V ;电流200-220A ;喷涂距离200mm ;压缩空气压力O. 5-0. 6MPa。所获得的涂层中各组分质量百分比为Cr 26wt. % ；B 5wt. % ；Fe :余量。实施例12取粉芯的物质和其质量百分比为铬粉40. 5% ;碳化硼粉20% ;铁粉余量；填充率34%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用工艺参数 电压30-34V ；电流200-220A ;喷涂距离200mm ;压缩空气压力O. 5-0. 6MPa。所获得的涂层中各组分质量百分比为Cr 25wt. % ；B 6wt. % ；Fe :余量。对比例购买市售FeCrAl实心丝材作为对比，其各组分名义质量百分比为Cr :25wt. % ;Al 5wt.% ；Fe :余量。制备涂层所用工艺参数电压30-34V;电流200-220A;喷涂距离200mm ;压缩空气压力O. 5-0. 6MPa。各实施例所制备涂层性能检测如下所述I.对实施例所制备涂层进行孔隙率分析,采用Image Pro Plus 6· O图像分析软件，利用图像法分析涂层孔隙率，以评价涂层致密度。分别对每个实施例所制涂层的横截面取五张金相照片进行计算，并取其平均值，见表I。2.对实施例所制备涂层进行结合强度测试，依照ASTM C633-79 (1993年重新核准)标准所述进行，粘接剂选用上海市合成树脂研究所所制Ε-7型高温结构胶，胶体配比依照说明书提供，并经100°C /3h固化后进行结合强度测试，见表I。3.对实施例所制备涂层进行X射线衍射实验，采用D8ADVANCE型X射线衍射仪进行。测试条件为Cu靶K α辐射，电压40kV，电流50mA，衍射角(2 Θ )，测量范围为20 80°，扫描步长O. 02°，温度为298K。4.对实施例所制备涂层进行显微硬度测试，采用HXD-1000TM数字式显微硬度计，载荷100g，加载时间15s，每个实施例涂层测量10个点的显微硬度值取平均值。5.对实施例所制备涂层进行耐磨损实验，采用MLS-225型湿砂橡胶轮式磨粒磨损试验机进行。试验参数如下橡胶轮转速240r/min、橡胶轮直径178mm、橡胶轮硬度60(绍尔硬度)、载荷100N、橡胶轮转数预磨1000转、精磨2000转、磨料粒度40-70目石英砂。材料耐磨性能用磨损的失重量来衡量。在实验前、后，将试件放入盛有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗3-5分钟，实验中用Q235钢作为对比试样，测量件失重量与对比试样失重量之比作为该配方的相对耐磨性。即相对耐磨性ε=测量件失重量/对比试样失重量。6.对实施例所制备涂层进行高温氧化实验，仅选取涂层作为试样，对比试样选用Q235钢材，规格20X15X5mm ;将所有试样在600°C空气炉中进行高温氧化实验，每IOh后取出，置于空气中冷却后称重，经200h循环试验后，获得其单位面积增重曲线及最终单位面积增重量。表I实施例1-12所得的涂层孔隙率及显微硬度
权利要求
1.一种用于电弧喷涂制备FeCrB耐高温氧化腐蚀涂层的粉芯丝材，其特征在于丝材外皮所用带材为不锈钢带；粉芯丝材填充率为32%-34%，粉芯丝材中粉芯的填充物为金属铬粉、金属鉄粉和碳化硼粉末，其中碳化硼粉末中硼元素的百分含量为88wt. %，碳元素的百分含量为12wt. % ;所制得粉芯丝材中Cr元素的百分含量为18-28wt. %，B元素的质量百分含量为4-10wt· %。
2.权利要求I所述的ー种用于电弧喷涂制备FeCrB耐高温氧化腐蚀涂层的粉芯丝材，其特征在于粉芯丝材的直径为2. Omm，允许正负公差在O. 03mm以内。
3.权利要求I所述的ー种用于电弧喷涂制备FeCrB耐高温氧化腐蚀涂层的粉芯丝材，其特征在于粉芯丝材填充率为33%。
4.权利要求I所述的ー种用于电弧喷涂制备FeCrB耐高温氧化腐蚀涂层的粉芯丝材，其特征在于不锈钢带为304L不锈钢帯。
5.权利要求I所述的ー种用于电弧喷涂制备FeCrB耐高温氧化腐蚀涂层的粉芯丝材，其特征在于所述粉芯丝材中Cr 23-28wt. % ；B 6-10wt. %。
6.权利要求I所述的ー种用于电弧喷涂制备FeCrB耐高温氧化腐蚀涂层的粉芯丝材，其特征在于所述粉芯丝材中Cr 23-26wt. % ；B :6_8wt. %。
7.采用权利要求I所述的粉芯丝材制备FeCrB涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤I :对基体表面进行预处理基体表面经粒度180目砂纸预磨后，利用粒度为60目棕刚玉进行喷砂处理，气压O. 5-0. 6MPa，时间20s ； 步骤2采用电弧喷涂エ艺制备涂层，喷涂エ艺參数为电压26-34V ；电流180-220A ;喷涂距离190-210mm ;压缩空气压カ0· 4-0. 6MPa，制备涂层。
8.权利要求7所述的方法，其特征在干，步骤2所述喷涂エ艺为电压30-32V；电流190-200A ;喷涂距离200_ ;压缩空气压カ0· 5-0. 6MPa。
全文摘要
一种用于电弧喷涂制备FeCrB涂层的粉芯丝材及涂层制备方法，属于材料加工工程中的热喷涂领域。丝材外皮所用带材为不锈钢带；粉芯丝材填充率为32%-34%，粉芯丝材中粉芯的填充物为金属铬粉、金属铁粉和碳化硼粉末，其中碳化硼粉末中硼元素的百分含量为88wt.%，碳元素的百分含量为12wt.%；所制得粉芯丝材中Cr元素的百分含量为18-28wt.%，B元素的质量百分含量为4-10wt.%。制备涂层时，先将表面处理，再喷涂。涂层耐高温氧化腐蚀性能强，硬度高，结合强度高，具有良好的力学性能。
文档编号C23C4/12GK102703849SQ20121015957
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月21日 优先权日2012年5月21日
发明者周正, 崔丽, 李冉, 李晓延, 王智慧, 蒋建敏, 贺定勇, 赵秋颖 申请人:北京工业大学