不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种熔化极惰性气体保护焊(MIG)堆焊NiCr合金和电弧喷涂铝涂层相结合的工艺，属指耐热复合涂层的制备工艺方法。
【背景技术】
[0002]不锈钢指的是一类以Fe?Cr?N1、Fe?Cr和Fe?Cr?C为合金系的高合金钢，其突出的特点为耐空气、蒸气、水等介质，在高温环境中有一定的抗氧化性，在高温下仍能保持其优良的物理机械性能，广泛用于电厂、锅炉、煤矿、核电等领域；特别是在电厂使用的锅炉管道和水冷壁中，由于工作环境恶劣，长期处于硫化腐蚀和高温氧化、粒子冲蚀的环境中，且燃烧产物易形成Na2S04、K2SO4等沉积于管壁表面，导致不锈钢件壁厚减少，乃至于最终失效，有此造成巨大损失。
[0003]为了提高不锈钢表面的耐高温和耐腐蚀性，经常采用堆焊或者喷涂的方法进行涂层制备，利用涂层隔绝不锈钢基体与外界介质，延长其使用时间。在电厂锅炉管道的防护中，以往采用电弧喷涂NiCr合金丝的方法，这种技术广泛应用于美国、瑞典、德国、英国、日本、前苏联等，在锅炉水冷壁部件上喷涂高N1、Cr含量的合金材料，对减缓锅炉管子的磨损和高温腐蚀，延长大修期，都有明显的效果。在国内，陆续有发电厂和电站采用此种方法延长锅炉寿命。虽然NiCr合金丝在喷涂过程中会放热，提高与基体的结合力，但由于喷涂是以机械结合为主，局部形成冶金结合，涂层与基体的结合强度有待进一步提高。
[0004]相对于喷涂方法，在工件表面堆焊一层硬质合金层，是一种非常经济和方便的表面改性手段，可以使涂层与基体形成冶金结合，强度高且易于实现自动化。常用的方法有气体保护焊堆焊、埋弧堆焊、等离子堆焊、手工电弧堆焊、激光堆焊等，而选用的涂层材料为Ni基和Co基合金。熔化极气体保护焊堆焊可见度好，适合堆焊区域复杂、形状不规则的工件，可实现自动焊或半自动焊，生产效率高，主要用氩气或二氧化碳气体或加少量氧气的混合气体保护，设备成本低，易于维护。
[0005]采用熔化极气体保护焊方法在不锈钢基体上进行NiCr合金的堆焊，现在的研宄较少。而如何进一步提高堆焊层的耐高温氧化性和延长使用寿命，在热喷涂领域多采用复合涂层的方法，也就是将NiCr层作为粘结层，在其上喷涂Al2O3陶瓷材料，提高耐磨和耐高温性。然而在使用过程中发现，由于热膨胀系数的差别较大，陶瓷层易出现与粘结层剥离的现象。不直接喷涂陶瓷材料，在NiCr粘结层表面喷涂Al涂层，使其在加热过程中表面形成氧化铝阻挡层，可以有效延长使用寿命，同时金属与金属间的结合力较强，热膨胀系数接近，在氧化过程中还会形成元素的互扩散。
【发明内容】
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[0006]发明目的:
[0007]本发明的目的为开发一种熔化极惰性气体保护焊(MIG)堆焊NiCr合金和电弧喷涂铝涂层相结合的工艺，旨在提供一种低成本、高结合、制备耐热复合涂层的工艺。
[0008]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0009]一种不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于:所述方法按照以下步骤进行:
[0010]步骤1.表面脱脂:在不改变零件尺寸的前题下，选用氢氧化钠碱洗液去除预堆焊零件表面的油污；
[0011]步骤2.喷砂粗化:使用180目?200目的棕刚玉磨粒对不锈钢表面进行喷砂处理，喷砂角度为80°?90°，压缩空气的压力为0.6MPa?0.7MPa，喷砂距离为10mm?150mm，以表面出现银白色金属光泽为佳；之后利用压缩空气吹净表面粘黏的沙粒；喷砂后试样的表面粗糙度为Ra3.0 μ m?Ra3.5 μ m ;
[0012]步骤3.熔化极气体保护堆焊:使用材料为直径为Φ 1.2mm的NiCr合金丝，其中成分质量分数Cr含量为45 %?48 %，Ti含量为0.3 %?1.0 %，其余为Ni ;堆焊工艺参数为:焊接电流70A?80A，电弧电压18V?20V，焊接速度5mm/s?8mm/s，保护气体为Ar，气体流量为9?12L/min ；
[0013]步骤4.电弧喷涂:使用材料为直径Φ2.0mm的99.5%?99.7%铝丝材作为喷涂原材料，使用与喷砂粗化一致的工艺参数，将堆焊后的堆焊层进行表面喷砂处理后，进行电弧喷涂操作，喷涂距离为10mm?150mm，送丝速度3m/min?4m/min，电流I = 130A?150A，电压U = 30?35V，压缩气体0.65?0.75MPa，流量保证在1.6mVmin?2.0mVmin,喷涂时间为Imin?3min ;为提高涂层的抗氧化性，将试件表面用钢丝刷打磨或使用喷刷酚醛树脂进行封孔处理。
[0014]在步骤I中，选用质量百分比为4.0%?5.0%的氢氧化钠碱洗液的，将其加热到7CTC，浸渍 3.0min ?5.0min。
[0015]在步骤2中，堆焊前用丙酮清洗基材表面，再用酒精擦拭，吹干。
[0016]在步骤3中，适当提高Cr含量在47 %?48 %，可形成致密的Cr2OJ莫或硫化物膜，有效阻止了硫化物的侵蚀，达到抗硫效果。
[0017]在步骤3中，由于NiCr合金丝有自放热的特点，故基材不需要预热；若堆焊过程中熔滴喷射较大，使用水性防飞溅液，能在工件表面形成保护膜。
[0018]在步骤4中，由于铝丝材较软，要防止压紧力损坏丝材表面造成送丝困难，需调节送丝机构的夹紧压力。
[0019]在步骤4的喷刷酚醛树脂进行封孔处理中，喷刷时要用甲酮、芳香烃和无水乙醇作稀释剂进行稀释。
[0020]优点及效果:本发明制备的涂层与基体结合较好，堆焊层厚度在50 μm，铝涂层厚度在ΙΟΟμπι。堆焊层与基体形成牢固的冶金结合(强度在300MPa以上)，相对于喷涂涂层，堆焊层组织更为致密，几乎没有孔隙存在。硬度测试显示，NiCr层的维氏显微硬度值在243Hv左右。喷涂的铝涂层为典型的喷涂层结构，由于喷涂过程中的加热氧化，会形成少量的氧化铝夹在在其中。而纯铝丝中含有〈0.2%的Si，可以在α-Al中少量固溶，对铝涂层有一定的固溶强化作用，提高涂层强度。经过50h，900°C的高温氧化加热后，利用能谱分析发现，铝涂层中含有少量的氧化铝，属于喷涂过程中形成，而NiCr堆焊层靠近基体部分，有微量铝元素，属于加热中的内氧化元素迀移所致。根据高温氧化原理，氧化过程中会有一些元素被氧化成氧化物，从而涂层导致重量增加，根据增重数据画出试样增重曲线图，见附图I。可以发现，12h后，增重变得缓慢，说明保护性的氧化膜形成，阻止氧元素进入涂层组织内部。经过50h后，涂层对基体依然保护完好，无任何表面剥落，起到完善的隔绝氧气、减缓氧化作用。
【附图说明】
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[0021]图1为本发明电子显微镜下的复合涂层横截面微观形貌；
[0022]图2为本发明NiCr/Al复合涂层高温氧化增重曲线。
【具体实施方式】
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[0023]下面结合附图对本发明进行具体说明:
[0024]不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于:所述方法按照以下步骤进行:
[0025]步骤1.表面脱脂:去除预堆焊零件油污并不改变零件的尺寸，表面脱脂选择使用氢氧化钠(质量百分比为4.0%?5.0% )的碱洗液，将其加热到70°C，浸渍3.0min?
5.0min,目的是为了去除零件表面的油脂；
[0026]步骤2.喷砂粗化:使用180目?200目的棕刚玉磨粒对304不锈钢表面进行喷砂处理，喷砂角度为80°?90°，压缩空气的压力为0.6MPa?0.7MPa，喷砂距离为10mm?150mm，以表面出现银白色金属光泽为佳，喷砂后试样的表面粗糙度为Ra3.0 μπι?Ra3.5 μ m，之后利用压缩空气吹净表面粘黏的沙粒。堆焊前用丙酮清洗基材表面，再用酒精擦拭，吹干；
[0027]步骤3.恪化极气体保护堆焊:使用材料为直径为Φ1.2mm的NiCr合金丝，其中成分质量分数Cr含量> 45%，最高可达48%，Ti含量为0.3%?1.0%，其余为Ni。适当提高Cr含量，可形成致密的Cr2OJ莫(或硫化物膜)，有效阻止了硫化物的侵蚀，达到抗硫效果。堆焊工艺参数为:焊接电流70A?80A，电弧电压18V?20V，焊接速度5mm/s?8mm/s，保护气体为Ar，气体流量为9?12L/min。由于NiCr合金丝有自放热的特点，故基材一般