用于鍋爐管高溫耐磨防護(hù)的粉末材料及制備方法
【專利摘要】一種用于鍋爐管高溫耐磨防護(hù)的粉末材料及制備方法，屬于表面工程【技術(shù)領(lǐng)域】。粉末材料的組分及各組分含量為：組分及各組分含量重量百分比為：鈦鎳合金粉：10-20%，石墨碳粉：1.5-3.5%，硅粉：0.5-1%，鎳鉻合金粉Ni80Cr20：8-25%，硼化鐵粉：5-10%，二碳化三鉻粉:余量。制備步驟包括：配制粉末原料、形成混合粉末、配制液體粘結(jié)劑、將混合粉末制成漿料、噴霧干燥造粒、篩分造粒粉末制成成品粉末，用于制備熔覆層。通過激光熔覆形成高耐磨復(fù)相陶瓷-金屬熔覆層，其硬度可在1100-1600HV范圍；具有激光熔覆效率較高、粉末飛濺損失小、熔覆層晶粒細(xì)小、熔覆層耐磨性高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】用于鍋爐管高溫耐磨防護(hù)的粉末材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于表面工程【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是提供了一種用于鍋爐管高溫耐磨防護(hù)的粉末材料及制備方法；適用于循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管、過熱器管、省煤器懸吊管和外置床管道等部件的激光熔覆防磨處理。
【背景技術(shù)】
[0002]循環(huán)流化床鍋爐具有燃料適應(yīng)性強(qiáng)、燃燒效率高、調(diào)峰性能好、可爐內(nèi)直接脫硫、有害氣體排放濃度低等優(yōu)點(diǎn)，但是由于設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、安裝以及操作技術(shù)等多方面的原因，循環(huán)流化床鍋爐在運(yùn)行中存在鍋爐出力不足、燃燒室結(jié)焦以及受熱面磨損等問題，其中受熱面磨損問題是困擾該技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，它伴隨著整個(gè)燃燒和傳熱過程。與煤粉爐相比，循環(huán)流化床鍋爐燃燒室內(nèi)的顆粒粒徑大得多，灰濃度也高出幾十倍甚至幾百倍。爐內(nèi)的氣固流動(dòng)為典型的湍流流動(dòng)，此外，顆粒由于重力的作用在燃燒室內(nèi)不停地進(jìn)行內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，使循環(huán)流化床鍋爐受熱面的磨損程度要比煤粉爐嚴(yán)重得多。另外，在固體物料外循環(huán)回路的其他部位如旋風(fēng)分離器、回料器和外置床等地方也都會(huì)發(fā)生不同程度的磨損。因此，采取有效的防磨措施是循環(huán)流化床技術(shù)發(fā)展的研究重點(diǎn)之一。
[0003]爐膛內(nèi)固體顆粒在爐膛壁面上的沖刷角雖然也存在一定的不均勻性，但顆粒流總體呈小角度沖刷壁面導(dǎo)致水冷壁管磨損。水冷壁管磨損最嚴(yán)重的部位主要包括爐膛密相區(qū)、耐火材料與水冷壁管交接處、爐膛稀相區(qū)下部角落區(qū)域和不規(guī)則管壁區(qū)域。
[0004]采用熱噴涂技術(shù)對(duì)循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管進(jìn)行防磨處理的局限性在于涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度低(機(jī)械結(jié)合)。當(dāng)循環(huán)流化床鍋爐燃用煤矸石等劣質(zhì)煤時(shí)，由于煤中含有A1203、SiO2等高硬度雜質(zhì)，涂層在這些硬質(zhì)顆粒的小角度沖蝕作用下易剝落失效。
[0005]激光熔覆法制備的熔覆層具有耐磨層致密、與基體達(dá)到冶金結(jié)合、工件熱變形極小等優(yōu)點(diǎn)，但目前用于循環(huán)流化床鍋爐防磨的激光熔覆用粉末材料體系較少。Ni60、Ni65等激光熔覆用自熔性合金粉末材料具有熔點(diǎn)較低(1000°C )、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，但其熔覆層硬度在600-850HV范圍，其高溫耐磨性難以滿足水冷壁管長壽命耐磨防護(hù)的要求。利用激光熔覆Cr3C2-NiCr粉末材料(Cr3C2的質(zhì)量百分比一般為75%)所形成熔覆層的高溫耐磨性能顯著優(yōu)于Ni60、Ni65類材料，由其所制備熔覆層硬度可達(dá)1000-1200HV。但由于Cr3C2熔點(diǎn)較高，如采用激光熔覆Cr3C2-NiCr粉末工藝，存在熔覆效率較低、表面層氧化、粉末飛濺損失率較高、微裂紋密度較高等局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種用于鍋爐管高溫耐磨防護(hù)的粉末材料及制備方法，克服了熔覆效率較低、表面層氧化、粉末飛濺損失率較高、微裂紋密度較高等問題。主要用于循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管、過熱器管、省煤器懸吊管和外置床管道等部件的激光熔覆防磨處理。所發(fā)明的粉末材料采用多元復(fù)合的方法，通過激光熔覆形成高耐磨復(fù)相陶瓷-金屬熔覆層，其硬度可在1100-1600HV范圍。本發(fā)明具有激光熔覆效率較高、粉末飛濺損失小、熔覆層晶粒細(xì)小、熔覆層耐磨性高等優(yōu)點(diǎn)，可滿足循環(huán)流化床鍋爐用各種管子的高溫耐磨、長壽命工作的要求。
[0007]本發(fā)明是通過以下步驟來實(shí)現(xiàn)的。
[0008]用于制備高溫耐磨熔覆層的混合粉末材料的組分及各組分含量(重量百分比)為:鈦鎳合金粉(粒度-200+400目，純度> 99.5%): 10-20% ;石墨碳粉:(粒度-300+600目，純度≥99.5%):1.5-3.5% ;硅粉:(粒度-200+350目，純度≥99.5%):0.5-1% ;鎳鉻合金粉(Ni80Cr20):(粒度-200+400 目，純度> 99.5%):8_25% ;硼化鐵粉:(粒度-200+400 目，純度≥99.5%):5-10% ;二碳化三鉻粉(Cr3C2,粒度-200+400目，純度≥99.5%):余量。
[0009]其中，鈦鎳合金粉中各組分含量為:N1:28-40%,T1:余量；鎳鉻合金粉(Ni80Cr20)中各組分含量為=Cr:20% ；N1:80% ;硼鐵粉中各組分含量為=B: 10-20% ；C:0.05-0.1% ；Fe:余量。
[0010]混合粉末中各組分主要作用如下:
[0011]鈦鎳合金含有Ti3N1、Ti3Ni相，鈦鎳合金的熔點(diǎn)約為950-1100°C (遠(yuǎn)低于純鈦熔點(diǎn)1640°C);粉末中含有鈦鎳合金的主要目的是:防止Ti在熔覆過程中的氧化，利用鈦鎳合金的低熔點(diǎn)特性來降低熔覆所需輸入熱量，并在激光熔覆過程中使Ti與C反應(yīng)生成TiC，TiC的硬度可達(dá)2800HV，遠(yuǎn)高 于Cr3C2、Fe2B、(Cr，F(xiàn)e)B、Ni2S1、Ni3Si等耐磨相，熔覆層中含有一定量的TiC可顯著提高其高溫耐磨性。硅的作用是與鎳反應(yīng)生成熔點(diǎn)較低的鎳硅化物，硅的存在可提高熔覆效率、提高熔覆層的抗氧化性。粉末中所含鎳、鉻的主要作為熔覆層的粘結(jié)相(部分鎳與硅反應(yīng)生成硅化物);混合粉末經(jīng)熔覆后可形成TiC、TiB2、Cr3C2、Fe2B、(Cr, Fe)B, Ni2Si, Ni3Si等彌散分布的耐磨相和N1-Cr-Fe合金粘結(jié)相。通過陶瓷相的多元復(fù)合，既可通過細(xì)化晶粒來提高熔覆層的韌性與耐磨性，又可降低熔覆粉末所需輸入的熱量(起到降低稀釋率、提高熔覆效率作用)。
[0012]本發(fā)明的制備方法 包括以下步驟:
[0013]1、配制粉末原料
[0014]所述粉末原料的含量(重量百分比)范圍如下:
[0015]鈦鎳合金粉(粒度-200+400目，純度>99.5%): 10-20% ;石墨碳粉:(粒度-300+600目，純度 > 99.5%):1.5-3.5% ;硅粉:(粒度-200+350 目，純度 > 99.5%):0.5-1% ;鎳鉻合金粉(Ni80Cr20):(粒度-200+400 目，純度> 99.5%):8_25% ;硼化鐵粉:(粒度-200+400 目，純度≥99.5%):5-10% ;二碳化三鉻粉(Cr3C2,粒度-200+400目，純度≥99.5%):余量。
[0016]其中，鈦鎳合金粉中各組分含量為:N1:28-40%,T1:余量；鎳鉻合金粉(Ni80Cr20)中各組分含量為=Cr:20% ；N1:80% ;硼鐵粉中各組分含量為=B: 10-20% ；C:0.05-0.1% ；Fe:余量。
[0017]按上述粉末比例，稱取所需的各種粉末，形成粉末原料；
[0018]2、形成混合粉末
[0019](I)將步驟I所述的粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥溫度為110_120°C，干燥時(shí)間為3_4小時(shí)；
[0020](2)利用干粉混料設(shè)備混合粉末原料，形成混合粉末，混料時(shí)間為6-8小時(shí)；
[0021]3、配制液體粘結(jié)劑
[0022]液體粘結(jié)劑各組分得的 重量百分比為:PVB_6膠:4-8% ;工業(yè)酒精:余量。其制作工藝如下:(I)在反應(yīng)釜中加入工業(yè)酒精(純度為97%)，(2)在室溫下加入所需含量的PVB-6膠并人工攪拌液體5-10分鐘，(3)將反應(yīng)釜升溫至50-80°C，保溫30-40分鐘，待PVB全溶后，降低釜內(nèi)溫度至常溫，形成液體粘結(jié)劑。
[0023]4、將混合粉末制成漿料
[0024]在混合粉末中加入步驟3配制的液體粘結(jié)劑，其中液相和固相的重量百分比為:液體粘結(jié)劑:38-60% ;混合粉末:余量。
[0025]利用臥式單軸槳葉混合機(jī)將固體和液體攪拌，使液體粘結(jié)劑充分分散在混合粉末中，形成漿料。
[0026]5、噴霧干燥造粒[0027]利用噴霧干燥器將配好的漿料在大氣中進(jìn)行噴霧造粒，其中進(jìn)口溫度控制在110-210°C，出口溫度控制在 85-110。。。
[0028]6、篩分造粒粉末
[0029]將步驟4中造粒后的粉末經(jīng)過雙層震動(dòng)篩進(jìn)行篩分，得到粒度為325-140目的成品粉末，其中篩上和篩下的得到的剩余粉末按步驟4、5的工序重新造粒，將重新造粒后的粉末放入雙層震動(dòng)篩，再將篩內(nèi)的粉末(325-140目)收集為成品粉末。
[0030]7、制備熔覆層
[0031]制備熔覆層設(shè)備包括半導(dǎo)體直接輸出激光器或半導(dǎo)體光纖輸出激光器、螺桿式同步送粉器和鍋爐管熔覆工作臺(tái)等。激光器輸出功率為l_3kW。熔覆時(shí)對(duì)粉末加氮?dú)饣驓迤鸨Ｗo(hù)。激光熔覆工藝為已有成熟技術(shù)，熔覆時(shí)激光頭固定不動(dòng)，利用數(shù)控裝置控制鍋爐管相對(duì)于激光頭作螺旋運(yùn)動(dòng)、或旋轉(zhuǎn)與步進(jìn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在鍋爐管外表面所需熔覆區(qū)域的搭接熔覆，熔覆層厚度為400-1200 μ m。
[0032]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為:利用高能量密度激光束熔化混合粉末，在水冷壁管外表面形成由復(fù)相陶瓷顆粒增強(qiáng)的耐磨熔覆層，熔覆層與基體達(dá)到冶金結(jié)合、稀釋率低。本發(fā)明的方法具有制備成本較低、熔覆層硬度高與耐磨性高、工藝較簡單等優(yōu)點(diǎn)，可顯著延長鍋爐管的高溫耐磨壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1為熔覆層顯微硬度隨熔覆層深度變化曲線。
[0034]圖2為具有激光熔覆層的省煤器懸吊管照片。
【具體實(shí)施方式】
[0035]實(shí)施例:在省煤器懸吊管外表面制備耐磨熔覆層
[0036]一、制備成品粉末
[0037]1、配制粉末原料
[0038]所述粉末原料的含量(重量百分比)范圍如下:
[0039]混合粉末材料的組分及各組分含量(重量百分比)為:鈦鎳合金粉(粒度-200+400目，純度> 99.5%):15% ;石墨碳粉:(粒度-300+600目，純度> 99.5%):2.625% ;硅粉:(粒度-200+350目，純度≥99.5%): 1% ;鎳鉻合金粉(Ni80Cr20):(粒度-200+400目，純度≥99.5%): 12% ;硼化鐵粉:(粒度-200+400目，純度≥99.5%):8% ;二碳化三鉻粉(Cr3C2,粒度-200+400目，純度≥99.5%):余量。
[0040]其中，鈦鎳合金粉中各組分含量為:Ni:30%, T1:余量；鎳鉻合金粉(Ni80Cr20)中各組分含量為:Cr:20% ；N1:80% ;硼鐵粉中各組分含量為:B:15% ；C:0.08% ；Fe:余量。按上述的粉末比例，稱取所需的各種粉末，形成粉末原料；
[0041]2、形成混合粉末
[0042](1)將步驟1所述粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥溫度為110°C，干燥時(shí)間為3小時(shí)；
[0043](2)利用干粉混料設(shè)備混合粉末原料，形成混合粉末，混料時(shí)間為8小時(shí)；
[0044]3、配制液體粘結(jié)劑
[0045]液體粘結(jié)劑各組分得的重量百分比為:PVB_6膠:5% ;工業(yè)酒精:余量。其制作工藝如下:(1)在反應(yīng)釜中加入工業(yè)酒精(純度為97%)，(2)在室溫下加入所需含量的PVB-6膠并人工攪拌液體5分鐘，(3)將反應(yīng)釜升溫至70°C，保溫40分鐘，待PVB全溶后，降低釜內(nèi)溫度至常溫，形成液體粘結(jié)劑。
[0046]4、將混合粉末制成漿料
[0047]在混合粉末中加入步驟3配制的液體粘結(jié)劑，其中液相和固相的重量百分比為:液體粘結(jié)劑:45% ;混合粉末:余量。
[0048]利用臥式單軸槳葉混合機(jī)將固體和液體攪拌，使液體粘結(jié)劑充分分散在混合粉末中，形成漿料。
[0049]5、噴霧干燥造粒
[0050]利用噴霧干燥器將配好的漿料在大氣中進(jìn)行噴霧造粒，其中進(jìn)口溫度控制在160°C，出口溫度控制在90°C。
[0051]6、篩分造粒粉末
[0052]將步驟4中造粒后的粉末經(jīng)過目數(shù)分別為325、140的雙層震動(dòng)篩，得到粒度為325-140目的成品粉末，其中篩上和篩下的得到的剩余粉末按步驟4、5的工序重新造粒，將重新造粒后的粉末放入雙層震動(dòng)篩，再將篩內(nèi)粉末(325-140目)收集為成品粉末。
[0053]二、耐磨熔覆層制備工藝
[0054]在循環(huán)流化床鍋爐省煤器懸吊管外表面(所有區(qū)域)制備耐磨耐蝕熔覆層，懸吊管材料為20G鋼,其外徑60mm、管壁厚度6mm、長度為5m。
[0055]制備耐磨熔覆層的工藝步驟為:
[0056](1)利用電動(dòng)砂輪手工對(duì)懸吊管外表面進(jìn)行除銹、平整處理；
[0057](2)在懸吊管外表面制備耐磨熔覆層。
[0058]制備熔覆層的設(shè)備主要由額定輸出功率為1.2kff的高功率半導(dǎo)體光纖輸出激光器、螺桿式同步送粉器和鍋爐管熔覆工作臺(tái)等部分組成。熔覆時(shí)對(duì)粉末加氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)。熔覆時(shí)激光頭固定不動(dòng)，利用數(shù)控裝置控制懸吊管相對(duì)于激光頭作螺旋運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在鍋爐管外表面的搭接熔覆。懸吊管的旋轉(zhuǎn)速度為0.8轉(zhuǎn)/秒、螺旋運(yùn)動(dòng)螺距為1.2mm，所得熔覆層平均厚度為700 μ m。
【權(quán)利要求】
1.一種用于鍋爐管高溫耐磨防護(hù)的粉末材料，其特征在于，組分及各組分含量重量百分比為:鈦鎳合金粉:10-20%,石墨碳粉:1.5-3.5%，硅粉:0.5-1%，鎳鉻合金粉Ni80Cr20:8-25%，硼化鐵粉:5-10%，二碳化三鉻粉:余量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉末材料，其特征在于，鈦鎳合金粉中各組分含量為:Ni:28-40%, T1:余量；鎳鉻合金粉Ni80Cr20中各組分含量為:Cr:20% ;N1: 80%，硼化鐵粉中各組分含量為:B:10-20%, C:0.05-0.1% ；Fe:余量。
3.—種權(quán)利要求1或2所述粉末材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (O配制粉末原料 所述粉末原料的含量重量百分比范圍如下: 鈦鎳合金粉:10-20%,石墨碳粉:1.5-3.5%，硅粉:0.5-1%，鎳鉻合金粉Ni80Cr20:8-25%，硼化鐵粉:5-10%，二碳化三鉻粉:余量； 其中，鈦鎳合金粉中各組分含量為:Ni =28-40%, T1:余量；鎳鉻合金粉Ni80Cr20中各組分含量為=Cr: 20% ;N1: 80%，硼鐵粉中各組分含量為:B: 10-20%，C:0.05-0.1% ；Fe:余量； 按上述粉末比例，稱取所需的各種粉末，形成粉末原料； (2)形成混合粉末 1)將步驟I所述的粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥溫度為110-120°C，干燥時(shí)間為3-4小時(shí)； 2)利用干粉混料設(shè)備混合粉末原料，形成混合粉末，混料時(shí)間為6-8小時(shí)； (3)配制液體粘結(jié)劑 液體粘結(jié)劑各組分得的重量百分比為:PVB-6膠:4-8% ;工業(yè)酒精:余量； (4)將混合粉末制成漿料 在混合粉末中加入步驟(3)配制的液體粘結(jié)劑，其中液相和固相的重量百分比為:液體粘結(jié)劑:38-60% ;混合粉末:余量； 利用臥式單軸槳葉混合機(jī)將固體和液體攪拌，使液體粘結(jié)劑充分分散在混合粉末中，形成漿料； (5)噴霧干燥造粒 利用噴霧干燥器將配好的漿料在大氣中進(jìn)行噴霧造粒，其中進(jìn)口溫度控制在110-210°C，出 口溫度控制在 85-110。。； (6)篩分造粒粉末 將步驟(4)中造粒后的粉末經(jīng)過雙層震動(dòng)篩進(jìn)行篩分，得到粒度為325-140目的成品粉末，其中篩上和篩下的得到的剩余粉末按步驟(4)、(5)的工序重新造粒，將重新造粒后的粉末放入雙層震動(dòng)篩，再將篩內(nèi)的粉末收集為成品粉末。
4.根據(jù)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述的液體粘結(jié)劑的制作工藝如下: (1)在反應(yīng)釜中加入工業(yè)酒精，純度為97%， (2)在室溫下加入所需含量的PVB-6膠并人工攪拌液體5-10分鐘， (3)將反應(yīng)釜升溫至50-80°C，保溫30-40分鐘，待PVB全溶后，降低釜內(nèi)溫度至常溫，形成液體粘結(jié)劑。
【文檔編號(hào)】C22C30/00GK103878363SQ201410134344
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】劉宗德, 汪洋, 岳鵬 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)