一种防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料及其制备方法与流程

1.本发明属于火电机组锅炉受热面结焦及磨损防治技术领域，具体涉及一种防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.随着火力发电企业为了提高经济性，更多电厂选择在燃煤中掺杂部分劣质煤以提高燃煤机组的经济性。但是，随之带来了严重的结焦问题，导致频繁的掉焦和落灰，影响锅炉内部火焰的稳定燃烧和下方设备的安全运行。产生结焦的原因较为复杂，受灰的成分及熔点、燃烧控制和设备密封性等因素作用，导致结焦防治较为困难。
3.目前，多采取在锅炉管表面涂装低润湿性涂层的方式进行防护，但是由于涂层内含有较多的无机非金属材料，与金属管道基体，存在较大的物理和化学性能差异，容易在高温下出现性能降级、脱落和热应力开裂的问题，且对锅炉管的管壁传热性能产生一定影响；另外，由于锅炉内飞灰或焦块移动速度大，不可避免地引起管壁的磨损，导致表面涂层过早的损耗，不能起到长效的防结焦的效果。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存的问题，本发明的目的在于提供一种防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料及其制备方法，本发明能够改善涂层的稳定性和结合力，并且使涂层还具有较好的耐磨性。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.一种防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料，包括基体和设置于基体上的梯度喷涂涂层，所述梯度喷涂涂层包括若干层依次设置的喷涂涂层，每层喷涂涂层的成分均包括多元合金粉、复配氧化物粉以及耐磨填料，在所述梯度喷涂涂层厚度方向上，从靠近基体的一侧至远离基体的一侧，对于相邻两层喷涂涂层，靠近基体一侧的喷涂涂层的多元合金粉含量比远离基体一侧的喷涂涂层的多元合金粉含量多，靠近基体一侧的喷涂涂层的复配氧化物粉含量比远离基体一侧的喷涂涂层的复配氧化物粉含量少，靠近基体一侧的喷涂涂层的耐磨填料含量比远离基体一侧的喷涂涂层的耐磨填料含量少；
7.以质量百分数计，所述多元合金粉的成分包括：cr 20％-30％、mo 6％-8％、fe 10％-15％、nb 3％-5％、cu 1％-3％、b 1.5％-2.5％、n 0.05％-0.25％、si≤0.5％、c≤0.1％、余量为ni；
8.所述复配氧化物粉成分包括：zro2、al2o3、beo、mgo、cro3、cr2o3、la2o3和ceo2，zro2、al2o3、beo、mgo、cro3、cr2o3、la2o3和ceo2的比例满足以下关系：zro2:al2o3:(beo+mgo):(cro3+cr2o3):(la2o3+ceo2)＝(10-15):(20-25):(5-10):(10-15):(1-3)，beo和mgo的比例为1:1，cro3和cr2o3的比例为1:2，la2o3和ceo2的比例为1:1；
9.所述耐磨填料采用wc和sic，wc与sic的质量比为1:(2-3)。
10.优选的，所述梯度喷涂涂层中，以质量百分数计：多元合金粉的含量为15％-65％，
复配氧化物粉的含量为30％-65％，耐磨填料的含量为5％-25％。
11.优选的，所述梯度喷涂涂层包含三层喷涂涂层，三层喷涂涂层分别记为第一喷涂涂层、第二喷涂涂层和第三喷涂涂层，第一喷涂涂层设置在基体表面，第二喷涂涂层设置在第以喷涂涂层表面，第三喷涂涂层设置在第二喷涂涂层表面。
12.优选的，第一喷涂涂层中，以质量百分数计，包括：55％-65％多元合金粉、30％-40％复配氧化物粉以及5％-10％耐磨填料。
13.优选的，第二喷涂涂层中，以质量百分数计，包括：30％-50％多元合金粉、40％-55％复配氧化物粉以及10％-20％耐磨填料。
14.优选的，第二喷涂涂层中，以质量百分数计，包括：15％-20％多元合金粉、55％-65％复配氧化物粉以及20％-25％耐磨填料。
15.优选的，第一喷涂涂层的厚度为0.3-0.8mm，第二喷涂涂层的厚度为0.2-0.6mm，第三喷涂涂层的厚度为0.2-0.6mm。
16.本发明如上所述的一种防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料的制备方法，包括如下过程：
17.将每层喷涂涂层的原料分别进行球磨混料，得到每层喷涂涂层分别对应的球磨混合料；
18.采用热喷涂的方式在基体上依次制备各喷涂涂层得到所述防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料。
19.优选的，所述球磨混合料的粒径不大于100μm。
20.优选的，采用热喷涂的方式在基体上依次制备各喷涂涂层前，先对基体进行表面处理，然后再进行热喷涂，表面处理的过程包括：将基体表面处理干净并通过喷砂方式粗化基体表面，使得基体表面粗糙度达到20-60μm，基体表面清洁度达到sa3.0级及以上，然后再用压缩空气将基体表面吹扫干净；
21.在惰性气体或真空环境下利用雾化制粉方法制备多元合金粉末，热喷涂的方式采用氧气助燃的超音速火焰喷涂、空气助燃的超音速火焰喷涂、电弧喷涂或等离子喷涂。
22.本发明具有如下有益效果：
23.本发明防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料中，基于多元合金粉、复配氧化物粉以及耐磨填料，采用了兼具防结焦耐磨损耐腐蚀的梯度喷涂涂层，通过优选粉末成分以及调整各层涂层制备时粉末复合的比例实现了对涂层性能的调控。在复配氧化物基础上，通过添加多元合金粉，显著提升了涂层的抗开裂、致密性、稳定性以及传热性能。通过添加耐磨填料，显著提升了涂层的抗磨损性能。从靠近基体的一侧至远离基体的一侧，通过逐渐降低各喷涂涂层的多元合金粉的比例并同时提升复配氧化物及耐磨填料的比例，使得涂层热膨胀系数逐渐减小，传热性能逐渐降低，涂层防结焦、抗磨损性能逐渐提高。与传统涂层相比，该梯度复合结构涂层在具备防结焦、耐高温性能的同时，涂层的抗开裂、致密性、稳定性、传热性、抗磨损以及耐腐蚀性能同步增强。
具体实施方式
24.下面结合实施例对本发明做进一步详细描述。
25.本发明防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料中，各喷涂涂层的原料复合粉末组成成
分相同，均包括多元合金粉、复配氧化物粉和耐磨填料，不同点在与各喷涂涂层中多元合金粉含量不同、复配氧化物粉含量不同、耐磨填料的含量不同，但各层的多元合金粉成分相同、复配氧化物粉成分相同，耐磨填料成分相同。
26.以质量分数计，所述多元合金粉成分包括：cr 20％-30％、mo 6％-8％、fe 10％-15％、nb 3％-5％、cu 1％-3％、b 1.5％-2.5％、n 0.05％-0.25％、si≤0.5％、c≤0.1％、余量为ni。
27.以质量分数计，所述复配氧化物粉的组成如下：zro2:al2o3:(beo+mgo):(cro3+cr2o3):(la2o3+ceo2)＝(10-15):(20-25):(5-10):(10-15):(1-3)，beo和mgo的比例为1:1，cro3和cr2o3的比例为1:2，la2o3和ceo2的比例为1:1。
28.以质量分数计，所述耐磨填料组成如下：wc:sic＝1:(2-3)。
29.由于制备方式限制，无法在基体上制备出连续梯度的喷涂涂层，本发明的下述方案以制备三层喷涂涂层为例进行说明，第一喷涂涂层(同下述的第一层涂层)设置在基体表面，第二喷涂涂层(同下述的第二层涂层)设置在第一喷涂涂层表面，第三喷涂涂层设置在第二喷涂涂层(同下述的第三层涂层)表面。以质量分数计，本发明中，第一喷涂涂层所用复合粉末包括：55％-65％多元合金粉、30％-40％复配氧化物粉以及5％-10％耐磨填料。第二喷涂涂层所用复合粉末包括：30％-50％多元合金粉、40％-55％复配氧化物粉以及10％-20％耐磨填料。第三喷涂涂层所用复合粉末包括：15％-20％多元合金粉、55％-65％复配氧化物粉以及20％-25％耐磨填料。
30.本发明上述防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料的制备方法，包括如下步骤：
31.s100:在惰性气体或真空环境下利用雾化制粉方法制备上述成分的多元合金粉末；
32.s200:按第一喷涂涂层、第二喷涂涂层和第三喷涂涂层对应粉末的比例称取多元合金粉、复配氧化物粉以及耐磨填料放入球磨机混合研磨，研磨后复合粉末的粒径不大于100μm，混合研磨至获得成分均匀的各层复合粉末。
33.s300：去除待喷涂表面附着结焦后，通过喷砂方式进一步清洁并粗化待喷涂表面，使得待喷涂表面粗糙度达到20-60μm，表面清洁度达到sa3.0级及以上；
34.s400：采用压缩空气去除待喷涂表面多余的沙砾或灰渣，采用热喷涂的方式依次喷涂第一喷涂涂层、第二喷涂涂层和第三喷涂涂层。其中，热喷涂的方式可采用超音速火焰喷涂(hvof或hvaf)、电弧喷涂或等离子喷涂，第一喷涂涂层、第二喷涂涂层和第三喷涂涂层的厚度分别为0.3-0.8mm、0.2-0.6mm、0.2-0.6mm。
35.实施例1
36.本实施例防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料中，第一层涂层厚度为0.3mm，第二层涂层厚度为0.3mm，第三层涂层厚度为0.4mm。
37.以质量分数计，所述多元合金粉成分包括：cr 20％、mo 6％、fe 15％、nb 3％、cu 2％、b 1.5％、n 0.05％、si≤0.5％、c≤0.1％、余量为ni。
38.以质量分数计，所述复配氧化物粉的组成如下：zro2:al2o3:(beo+mgo):(cro3+cr2o3):(la2o3+ceo2)＝10:20:5:15:1，beo和mgo的比例为1:1，cro3和cr2o3的比例为1:2，la2o3和ceo2的比例为1:1。
39.以质量分数计，所述耐磨填料组成如下：wc:sic＝1:2。
40.以质量分数计，第一层涂层所用复合粉末包括：65％多元合金粉、30％复配氧化物粉以及5％耐磨填料。第二层涂层所用复合粉末包括：55％多元合金粉、35％复配氧化物粉以及10％耐磨填料。第三层涂层所用复合粉末包括：15％多元合金粉、65％复配氧化物粉以及20％耐磨填料。
41.本实施例上述防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料的制备方法，包括如下步骤：
42.s100:在惰性气体环境下利用雾化制粉方法制备上述成分的多元合金粉末；
43.s200:按第一喷涂涂层、第二喷涂涂层和第三喷涂涂层对应粉末的比例称取多元合金粉、复配氧化物粉以及耐磨填料放入球磨机混合研磨，研磨后复合粉末的粒径不大于100μm，混合研磨至获得成分均匀的各层复合粉末。
44.s300：去除待喷涂表面附着结焦后，通过喷砂方式进一步清洁并粗化待喷涂表面，使得待喷涂表面粗糙度达到20-60μm，表面清洁度达到sa3.0级及以上；
45.s400：采用压缩空气去除待喷涂表面多余的沙砾或灰渣，采用热喷涂的方式依次喷涂第一喷涂涂层、第二喷涂涂层和第三喷涂涂层。其中，热喷涂的方式采用超音速火焰喷涂(hvof)。
46.通过上述方法得到的防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料在锅炉受热面服役10个月后，未出现开裂、剥落、大块异常结焦现象，抗结焦效果良好。
47.实施例2
48.本实施例防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料中，第一层涂层厚度为0.5mm，第二层涂层厚度为0.3mm，第三层涂层厚度为0.3mm。
49.以质量分数计，所述多元合金粉成分包括：cr 25％、mo 6％、fe 10％、nb 4％、cu 2％、b 1.5％、n 0.10％、si≤0.5％、c≤0.1％、余量为ni。
50.以质量分数计，所述复配氧化物粉的组成如下：zro2:al2o3:(beo+mgo):(cro3+cr2o3):(la2o3+ceo2)＝12:22:5:12:2，beo和mgo的比例为1:1，cro3和cr2o3的比例为1:2，la2o3和ceo2的比例为1:1。
51.以质量分数计，所述耐磨填料组成如下：wc:sic＝1:2。
52.以质量分数计，第一层涂层所用复合粉末包括：55％多元合金粉、35％复配氧化物粉以及10％耐磨填料。
53.第二层涂层所用复合粉末包括：45％多元合金粉、40％复配氧化物粉以及15％耐磨填料。
54.第三层涂层所用复合粉末包括：15％多元合金粉、60％复配氧化物粉以及25％耐磨填料。
55.本实施例上述防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料的制备方法，包括如下步骤：
56.s100:在惰性气体环境下利用雾化制粉方法制备上述成分的多元合金粉末；
57.s200:按第一喷涂涂层、第二喷涂涂层和第三喷涂涂层对应粉末的比例称取多元合金粉、复配氧化物粉以及耐磨填料放入球磨机混合研磨，研磨后复合粉末的粒径不大于100μm，混合研磨至获得成分均匀的各层复合粉末。
58.s300：去除待喷涂表面附着结焦后，通过喷砂方式进一步清洁并粗化待喷涂表面，使得待喷涂表面粗糙度达到20-60μm，表面清洁度达到sa3.0级及以上；
59.s400：采用压缩空气去除待喷涂表面多余的沙砾或灰渣，采用热喷涂的方式依次
喷涂第一喷涂涂层、第二喷涂涂层和第三喷涂涂层。其中，热喷涂的方式采用电弧喷涂。
60.通过上述方法得到的防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料在锅炉受热面服役10个月后，未出现开裂、剥落、大块异常结焦现象，抗结焦效果良好。
61.实施例3
62.本实施例防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料中，第一层涂层厚度为0.5mm，第二层涂层厚度为0.5mm，第三层涂层厚度为0.3mm。
63.以质量分数计，所述多元合金粉成分包括：cr 28％、mo 8％、fe 12％、nb 4％、cu 2％、b 2％、n 0.15％、si≤0.5％、c≤0.1％、余量为ni。
64.以质量分数计，所述复配氧化物粉的组成如下：zro2:al2o3:(beo+mgo):(cro3+cr2o3):(la2o3+ceo2)＝15:20:5:15:2，beo和mgo的比例为1:1，cro3和cr2o3的比例为1:2，la2o3和ceo2的比例为1:1。
65.以质量分数计，所述耐磨填料组成如下：wc:sic＝1:3。
66.以质量分数计，第一层涂层所用复合粉末包括：55％多元合金粉、30％复配氧化物粉以及15％耐磨填料。
67.第二层涂层所用复合粉末包括：40％多元合金粉、40％复配氧化物粉以及20％耐磨填料。
68.第三层涂层所用复合粉末包括：18％多元合金粉、57％复配氧化物粉以及25％耐磨填料。
69.本实施例上述防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料的制备方法，包括如下步骤：
70.s100:在惰性气体环境下利用雾化制粉方法制备上述成分的多元合金粉末；
71.s200:按第一喷涂涂层、第二喷涂涂层和第三喷涂涂层对应粉末的比例称取多元合金粉、复配氧化物粉以及耐磨填料放入球磨机混合研磨，研磨后复合粉末的粒径不大于100μm，混合研磨至获得成分均匀的各层复合粉末。
72.s300：去除待喷涂表面附着结焦后，通过喷砂方式进一步清洁并粗化待喷涂表面，使得待喷涂表面粗糙度达到20-60μm，表面清洁度达到sa3.0级及以上；
73.s400：采用压缩空气去除待喷涂表面多余的沙砾或灰渣，采用热喷涂的方式依次喷涂第一喷涂涂层、第二喷涂涂层和第三喷涂涂层。其中，热喷涂的方式采用等离子喷涂。
74.通过上述方法得到的防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料在锅炉受热面服役10个月后，未出现开裂、剥落、大块异常结焦现象，抗结焦效果良好。
75.实施例4
76.本实施例防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料中，第一层涂层厚度为0.3mm，第二层涂层厚度为0.5mm，第三层涂层厚度为0.5mm。
77.以质量分数计，所述多元合金粉成分包括：cr 30％、mo 6％、fe 12％、nb 4％、cu 1％、b 2.5％、n 0.20％、si≤0.5％、c≤0.1％、余量为ni。
78.以质量分数计，所述复配氧化物粉的组成如下：zro2:al2o3:(beo+mgo):(cro3+cr2o3):(la2o3+ceo2)＝15:22:7:15:2，beo和mgo的比例为1:1，cro3和cr2o3的比例为1:2，la2o3和ceo2的比例为1:1。
79.以质量分数计，所述耐磨填料组成如下：wc:sic＝1:2。
80.以质量分数计，第一层涂层所用复合粉末包括：62％多元合金粉、28％复配氧化物
粉以及10％耐磨填料。
81.第二层涂层所用复合粉末包括：43％多元合金粉、47％复配氧化物粉以及10％耐磨填料。
82.第三层涂层所用复合粉末包括：17％多元合金粉、63％复配氧化物粉以及20％耐磨填料。
83.本实施例上述防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料的制备方法，包括如下步骤：
84.s100:在惰性气体环境下利用雾化制粉方法制备上述成分的多元合金粉末；
85.s200:按第一喷涂涂层、第二喷涂涂层和第三喷涂涂层对应粉末的比例称取多元合金粉、复配氧化物粉以及耐磨填料放入球磨机混合研磨，研磨后复合粉末的粒径不大于100μm，混合研磨至获得成分均匀的各层复合粉末。
86.s300：去除待喷涂表面附着结焦后，通过喷砂方式进一步清洁并粗化待喷涂表面，使得待喷涂表面粗糙度达到20-60μm，表面清洁度达到sa3.0级及以上；
87.s400：采用压缩空气去除待喷涂表面多余的沙砾或灰渣，采用热喷涂的方式依次喷涂第一喷涂涂层、第二喷涂涂层和第三喷涂涂层。其中，热喷涂的方式采用超音速火焰喷涂(hvof)。
88.通过上述方法得到的防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料在锅炉受热面服役10个月后，未出现开裂、剥落、大块异常结焦现象，抗结焦效果良好。
89.实施例5
90.本实施例防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料中，第一层涂层厚度为0.3mm，第二层涂层厚度为0.3mm，第三层涂层厚度为0.3mm。
91.以质量分数计，所述多元合金粉成分包括：cr 25％、mo 7％、fe 13％、nb 4％、cu 2％、b 2.0％、n 1.80％、si≤0.5％、c≤0.1％、余量为ni。
92.以质量分数计，所述复配氧化物粉的组成如下：zro2:al2o3:(beo+mgo):(cro3+cr2o3):(la2o3+ceo2)＝12:25:7:15:3，beo和mgo的比例为1:1，cro3和cr2o3的比例为1:2，la2o3和ceo2的比例为1:1。
93.以质量分数计，所述耐磨填料组成如下：wc:sic＝1:3。
94.以质量分数计，第一层涂层所用复合粉末包括：55％多元合金粉、38％复配氧化物粉以及7％耐磨填料。
95.第二层涂层所用复合粉末包括：35％多元合金粉、47％复配氧化物粉以及18％耐磨填料。
96.第三层涂层所用复合粉末包括：17％多元合金粉、60％复配氧化物粉以及23％耐磨填料。
97.本实施例上述防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料的制备方法，包括如下步骤：
98.s100:在惰性气体环境下利用雾化制粉方法制备上述成分的多元合金粉末；
99.s200:按第一喷涂涂层、第二喷涂涂层和第三喷涂涂层对应粉末的比例称取多元合金粉、复配氧化物粉以及耐磨填料放入球磨机混合研磨，研磨后复合粉末的粒径不大于100μm，混合研磨至获得成分均匀的各层复合粉末。
100.s300：去除待喷涂表面附着结焦后，通过喷砂方式进一步清洁并粗化待喷涂表面，使得待喷涂表面粗糙度达到20-60μm，表面清洁度达到sa3.0级及以上；
101.s400：采用压缩空气去除待喷涂表面多余的沙砾或灰渣，采用热喷涂的方式依次喷涂第一喷涂涂层、第二喷涂涂层和第三喷涂涂层。其中，热喷涂的方式采用等离子喷涂。
102.通过上述方法得到的防结焦耐磨损耐腐蚀梯度复合材料在锅炉受热面服役10个月后，未出现开裂、剥落、大块异常结焦现象，抗结焦效果良好。