专利名称：一种高性能NiCr基纳米涂层制备方法
技术领域：
本发明属于金属材料中高性能纳米结构涂层制备技术领域，在前期研制了高 Cr含量Ni基纳米粉体的基础上，提供了一种"超音速空气焰(HVAF)喷涂制备 高性能Ni (Cr)基纳米结构涂层的工艺技术方法"。
技术背景由于国情和经济高速发展的需要，我国长期以来而且在今后较长时间里 仍将大量使用高硫低品质燃煤，因此，锅炉"四管"(包括水冷壁管、.过 热器管、再热器管和省煤器管)因高温腐蚀及冲蚀磨损导致的暴管事故仍然 是影响火力发电厂安全生产和制约经济发展的重要因素。目前，对燃煤锅炉"四管"高温腐蚀及冲蚀磨损的主要防护和修补措施 是采用热喷涂制备防护涂层，涂层材料主要选择Ni-Cr合金及其复合材料体 系，涂层粉体和制得涂层的晶粒尺度均在微米级范围。随着"确保经济又好又快发展及和谐发展"目标的提出，对电厂锅炉运 行的安全性、稳定性提出了更高的要求；进一步挖掘涂层材料的潜力，提高 防护涂层的性能和使用寿命，延长大修周期又成为一项重要课题。而近年来 纳米涂层材料和纳米涂层制备技术的发展为上述问题的解决提供了基础，使 实现上述传统产业的升级和促进相关行业的跨越式发展成为可能。材料晶粒尺寸减小到纳米量级表现出许多不同于宏观、微观的介观特性。纳 米颗粒分散度极高，可容许更多陶瓷、金属间化合物等硬质强化相存在，更充分 地发挥第二相强化的作用；纳米晶间比界面值极高，界面处原子排列混乱，位错 密度高，原子在外力作用产生变形时容易迁移、扩散，表现出极佳的成分、组织 均匀性；材料晶粒间晶界尺寸小而分散，裂纹不易萌生和扩展，外部介质渗入的 通道短小而分散，涂层开裂倾向小，破坏和介质腐蚀可能降低至较低水平。在少 数发达国家，也已经有人开始尝试把纳米材料引入燃煤锅炉"四管"的防护涂层 中。
发明内容
本发明的目的是提供一种高性能NiCrC体系纳米结构涂层的制备方法，提高 涂层的综合使用性能，以进一步提高燃煤锅炉"四管"抗高温腐蚀及冲蚀磨损 能力。本发明在前期成功研制出高Cr含量Ni基纳米粉体的基础上，提出采用 超音速空气焰-High Velocity Air Fuel (HVAF)喷涂制备高性能Ni (Cr)基纳 米结构涂层以进一步提高燃煤锅炉"四管"抗高温腐蚀及冲蚀磨损能力的方 案。超音速空气焰喷涂(HVAF)技术中以空气作助燃剂，在保证极高焰流速度 的同时，使焰流温度保持在较低水平；高的喷涂速度以实现涂层低孔隙率、 高致密度和与基体高的结合强度；较低的喷涂温度以防止纳米晶粉体在喷涂 过程中发生晶粒长大，使涂层保持预先设计的纳米结构。使用空气作助燃剂 的另一优势是可以大幅度降低工业生产的成本。材料晶粒尺寸减小到纳米量级表现出许多不同于宏观、微观的介观特性。 纳米颗粒分散度极高，可容许更多陶瓷、金属间化合物等硬质强化相存在， 更充分地发挥第二相强化的作用；纳米晶间比界面值极高，界面处原子排列 混乱，位错密度高，原子在外力作用产生变形时容易迁移、扩散，表现出极 佳的成分、组织结构均匀性；材料晶粒间晶界尺寸小而分散，裂纹不易萌生 和扩展，涂层开裂倾向小，破坏可降低至较低水平。另外，由于纳米晶粒尺 寸小，晶粒间的接触面增大，热喷涂过程中熔融均匀，晶粒间的结合性能及 晶粒与基材间的辅展性、结合性能明显优于微米级晶粒，从而确保涂层极高 的致密性与结合强度。由于纳米结构材料的上述优势，加之超音速火焰喷涂(HVAF)技术制备的涂层既能保持原始粉体的纳米结构，其本身又具有极高的喷涂速度，因此HVAF纳米晶涂层与传统的微米晶涂层相比组织更致密，结合强度更高，进而满足高硬度和耐磨性、良好的耐蚀性和抗氧化性等使用性能要求一种高性能NiCr基纳米涂层制备方法，涂层制备采用两种粉体， 一种是 微米尺度的雾化粉体，另一种是雾化粉经液氮球磨后生成的纳米晶粉体；两 种粉体的重量百分比成分均为Ni: 52.26%; Cr: 45.88%; C: 1.86%,测得粉 体的相组成重量百分比为80%Ni (Cr)合金和20XCr-C碳化物。喷涂用基体试 样为20tt钢，喷涂前用90微米的棕刚玉粉对基体表面进行半分钟的喷砂毛化处理。喷涂时把基体试样固定在车床主轴上，转轴以一定的速度旋转，喷枪 放置于车床主轴线水平面的垂直方向并以一定速度平行于主轴方向移动扫描；喷涂涂层厚度控制在0.3-0.5毫米。喷涂装置是美国Unique Coat公司生. 产的超音速空气焰喷涂(HVAF)喷涂系统，其工作时的主要喷涂参数为
喷涂距离150-170毫米，送粉氮气压力1200-1500千帕， 一次燃料甲烷 气体压力503-517千帕，二次燃料甲烷气体压力262-310千帕，助燃压縮空 气压力579-593千帕，助燃压縮空气温度273-279开。车床转轴旋转时试样 表面的线速度为0.9-1. 1米/秒，喷枪扫描速度为0.9-1.1厘米/秒；喷涂涂 层厚度控制在0.3-0.5毫米。对涂层横截面的微观组织分析发现，纳米晶涂层的组织形貌与微米晶涂层有 明显不同，后者由于晶粒尺寸较大，喷涂瞬间加热不够均勾，铺展性不够理想， 有些沉积颗粒的塑性变形不明显，涂层组织较粗大；而纳米晶涂层中的Ni (Cr) 固溶体和碳化物相的晶粒尺寸明显降低，致密性比微米晶涂层也有明显提高，如 图l、 2所示。X射线衍射分析发现，两种涂层合金的相组成主要是Ni (Cr)固 溶体，约占80%;其次是碳化物Cr7C3和少量的氧化物Cr203，约占20%，氧化物 主要在喷涂时形成。说明喷涂过程中粉体结构稳定，没有发生明显相变。使用X 射线衍射数据进行晶粒尺寸计算的结果为纳米晶涂层的晶粒度约为35. 3-45. 9 纳米，而通过透射电镜观察测得的纳米晶涂层的晶粒度约为22. 03-82. 22纳米。
图1 HVAF喷涂微米涂层的微观组织图2 HVAF喷涂纳米涂层的微观组织图3纳米晶涂层与微米晶涂层硬度的比较图4各个实验温度下试样的腐蚀动力学曲线
具体实施例方式选择以下两种粉末为热喷涂粉体(1)重量百分组成为Ni: 52.26%; Cr: 45.88%; C: 1.86%、相组成重量百分比为80%Ni (Cr)合金和20%0-C碳 化物、收得粒度小于38微米的雾化粉体；(2)上述雾化粉体经20小时的液氮 球磨，投射电镜检测的粉体晶粒范围为70-300纳米的纳米晶粉体,平均晶粒度 约为30纳米。以20tt钢试样为基体，喷涂前用20号棕刚玉颗粒对基体表面进行半分钟 的喷砂毛化处理。喷涂时把基体试样安装在车床转轴上，转轴旋转时试样表面 的线速度为1米/秒，喷枪扫描速度为1厘米/秒；喷涂涂层厚度0. 3-0. 5毫米。采用美国Unique Coat公司生产的超音速空气焰喷涂(HVAF)喷涂系统喷涂 纳米涂层，喷涂距离150毫米，送粉氮气压力1500千帕， 一次燃料气压力510
千帕，二次燃料气压力310千帕，助燃压縮空气压力586千帕，助燃压縮空 气温度275开。扫描电镜观察纳米涂层的致密性好于微米涂层；X射线检测上述两种粉体 涂层的相组成均为Ni (Cr)固溶体，约占80%;碳化物07(:3和少量的氧化 物Cr203，约占20%。透射电镜观察测得纳米涂层的晶粒度约为30-80纳米范 围。显微硬度测试纳米晶涂层平均硬度为HV3M727.5范围，比微米涂层提高 59. 3%。纳米涂层试样在550。C和650。C温度下保温100h，通过X射线衍射测 得涂层的晶粒度仍在小于100纳米范围。采用摩尔比为7: 3的Na2S04: K2S04 饱和水溶液对涂层进行涂盐实验，测定550和65(TC腐蚀增重。在65(TC时微 米涂层的腐蚀增重量几乎是纳米涂层的2倍。X射线衍射对腐蚀160小时的 样品分析，两种涂层中腐蚀产物均为Cr203、 Cr7C3、 Cr23C6、镍铬固溶体，没有 出现镍、铬的硫化物；扫描电镜观测涂层表面生成了连续、致密的CrA保护 膜。表明纳米涂层的热腐蚀抗力好于微米涂层。
权利要求
1、一种高性能NiCr基纳米涂层制备方法，其特征在于采用超音速火焰喷涂制备纳米结构涂层，涂层制备采用两种粉体，一种是微米尺度的雾化粉体，另一种是雾化粉经液氮球磨后生成的纳米晶粉体；两种粉体的重量百分比成分均为Ni52.26％；Cr45.88％；C1.86％，测得粉体的相组成重量百分比为80％Ni(Cr)合金和20％Cr-C碳化物；喷涂用基体试样为20#钢，喷涂前用90微米的棕刚玉粉对基体表面进行半分钟的喷砂毛化处理，喷涂时把基体试样固定在车床主轴上，喷枪放置于车床主轴线水平面的垂直方向并平行于主轴方向移动扫描；喷涂涂层厚度控制在0.3-0.5毫米。
2、 如权利要求l所述一种高性能NiCr基纳米涂层制备方法，其特征在于制备 采用美国Unique Coat公司生产的超音速空气焰喷涂系统喷涂纳米涂层， 喷涂距离150毫米，送粉氮气压力1500千帕， 一次燃料气压力510千帕，二 次燃料气压力310千帕，助燃压縮空气压力586千帕，助燃压縮空气温度 275开。
全文摘要
一种高性能NiCr基纳米涂层制备方法，属于金属材料中高性能纳米结构涂层制备技术领域，特别适用于对燃煤锅炉“四管”高温腐蚀及冲蚀磨损的防护和修补。其特征在于采用超音速火焰喷涂制备纳米结构涂层，涂层制备采用两种粉体，一种是微米尺度的雾化粉体，另一种是雾化粉经液氮球磨后生成的纳米晶粉体；两种粉体的重量百分比成分均为Ni52.26％；Cr45.88％；C1.86％，测得粉体的相组成重量百分比为80％Ni(Cr)合金和20％Cr-C碳化物；喷涂用基体试样为20#钢，喷涂前用90微米的棕刚玉粉对基体表面进行半分钟的喷砂毛化处理，喷涂涂层厚度控制在0.3-0.5毫米。纳米涂层组织致密度、显微硬度以及在500-650℃温度下的硫化腐蚀抗力和抗氧化能力均优于相同成分和方法制备的微米涂层。
文档编号C23C24/08GK101126159SQ20071017563
公开日2008年2月20日 申请日期2007年10月9日 优先权日2007年10月9日
发明者周香林, 华 崔, 杰 张, 张济山, 凯 陶 申请人:北京科技大学