专利名称：新型高温抗冲蚀热电偶保护套管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种新型高温抗冲蚀热电偶保护套管制备技术，主要针对在循环硫化床锅炉等高温冲蚀性氛围下使用的热电偶保护套管。
背景技术：
在电力行业，循环流化床锅炉中测温热电偶大量应用。由于炉内复杂的工作环境，对热电偶保护套管提出了特殊要求，即耐磨、耐高温、耐冲刷、耐腐蚀。由于炉内测量点温度过高，并且含有大量腐蚀性能气体，炉内大量燃料颗粒对热电偶起到冲刷磨损与腐蚀作用，热电偶保护套管表面材料损失严重，使用寿命较短。传统的不锈钢保护套管，如lCrl8Ni9T1、0Cr25Ni20套管等，制备成本低，耐高温性可以满足要求，但抗高温冲蚀能力不足。在循环流化床锅炉上应用，使用寿命仅仅为30-90天，对锅炉的长效安全运行有较大影 响。传统的不锈钢热电偶保护套管制备工艺简单，选用标准规格的不锈钢管，截取需要的长度，然后端部焊接封口即可，生产成本低。这类保护套管在循环流化床锅炉内恶劣环境下应用时，失效部位主要有两块区域一是端部焊接区域，组织结构与热电偶保护套管的其他部位显著不同，是最容易失效的部位；另外就是热电偶保护套管与锅炉内壁的界面处，因这一区域风流动方向的改变，对热电偶保护套管的冲刷磨损非常严重。开发适合于热电偶保护套管的高温抗冲蚀技术，提高热电偶保护套管的高温抗冲蚀能力，对延长热电偶的使用寿命，实现循环流化床锅炉的长效安全运行，意义重大。
发明内容
本发明提供了一种新型高温抗冲蚀热电偶保护套管及其制备工艺，大幅度提高了高温耐磨耐蚀能力，尤其适用于循环流化床锅炉用测温热电偶的表面防护。为达到上述目的，本发明的高温抗冲蚀热电偶保护套管，是在奥氏体不锈钢热电偶保护套管基体表面附有一层B2结构的FeAl金属间化合物单相涂层，这种金属间化合物涂层为定向生长特征柱状晶B2-FeAl金属间化合物涂层，平均硬度达到870HV。本发明的高温抗冲蚀热电偶保护套管制备方法如下选用奥氏体不锈钢作为基体，在工件表面喷涂一层原子比为3:1:1的AlFeNi复合涂层，然后在670°C _700°C温度范围下保温O. 5-1小时，升温至950°C -1000°C，保温3_4小时，然后随炉冷却至300°C，取出空冷即可。本发明的高温抗冲蚀热电偶保护套管详细制备方法如下第一步涂层原材料的制备将纯度彡99.0%,粒度范围53-74 μ m的纯Al粉、Fe粉和Ni粉按照原子比3:1:1的比例混合，放入球磨机中球磨处理，球磨机转速为400r/min,球磨时间为10_30min。将球磨后的粉末筛分，选取粒度为30-61 μ mFe-Al-Ni复合粉末作为涂层原材料，
供喷涂用。
第二步预制涂层选用奥氏体不锈钢保护套管作为基体，常用的材料有lCrl8Ni9T1、0Cr25Ni20等，表面喷砂净化，将Fe-Al-Ni复合粉末采用高能等离子喷涂设备或高速火焰喷涂设备喷涂到热电偶保护套管表面，涂层厚度设计为O.第三步涂层热处理(I)将预制好涂层的热电偶保护套管放入普通高温电炉，升温到670°C -700°C，保温O. 5-1小时。在这一过程中，涂层中的Al熔化，并且和Fe、Ni元素反应生成FeA13、NiAl等金属间化合物相。(2)继续升温到950°C -1000°C，保温3_4小时，然后随炉冷却至300°C，取出空冷即可。在这一过程中，涂层中Al元素向基体扩散，不锈钢基体中的Fe元素则向外扩散，在界面处高温下诱发化学反应生成B2-FeAl金属间化合物相，并沿着垂直于界面的方向不断生长。同时在高温扩散的作用下，涂层中溶入了大量的N1、Cr合金元素，改善了涂层的强韧性及高温抗氧化性能。涂层平均显微硬度达到了 870HV，抗高温冲蚀性能优异。该发明的积极效果是( I)本发明在奥氏体不锈钢热电偶保护套管表面获得一种具有定向生长特征柱状晶B2-FeAl金属间化合物涂层，大幅度提高了高温耐磨耐蚀能力，尤其适用于循环流化床锅炉用测温热电偶的表面防护。(2)经检验，本发明保护套管基体上的B2_FeAl金属间化合物涂层组织致密，平均显微硬度高达870HV，并且借助于N1、Cr元素的合金化作用，降低了涂层脆性，提高了涂层强韧性和抗氧化性能，涂层具有优异的高温抗冲蚀性。(3)采用该方法制备的B2_FeAl金属间化合物为单相层状结构，并且沿着垂直于基体表面的方向定向生长形成组织结构均匀的柱状晶，具有优异抗电化学腐蚀及高温抗盐腐蚀性能。(4)由于在涂层原材料中加入了一定比例的Ni元素，在后续的热处理过程中，避免了不锈钢基体中的Ni元素因浓度梯度大向涂层过渡扩散，在获得高性能涂层的同时，保持了原不锈钢材料良好的高温强韧性。(5)该方法显著提高了热电偶保护套管的高温抗冲蚀性能，并且涂层为FeAl金属间化合物相，导热性好，对温度变化敏感，热电偶测温精度高。
图1为带有涂层保护的高温抗冲蚀热电偶保护套管结构示意图。图2为涂层在光镜下的组织形貌，其中图2a为涂层在200X光镜下表面组织形貌，图2b为涂层在200X光镜下截面组织形貌。图中1-基体，2-涂层。
具体实施例方式如图1所示，本发明的保护套管是在奥氏体不锈钢热电偶保护套管基体I表面附有一层B2结构的FeAl金属间化合物单相涂层2，这种金属间化合物涂层2为定向生长特征柱状晶B2-FeAl金属间化合物涂层。从图2a和图2b可以看出，涂层2为典型的柱状晶结构，涂层组织较均匀。下面以一具体实施例详细说明本发明的制备方法，并不作为对本发明保护范围的限制。第一步、选用纯度彡99. 0%，粒度70 μ m左右的纯Al粉1. 6kg、Fe粉1.1kg和Ni粉1. 2kg混合(近似于原子比3:1:1),放入球磨机中球磨20分钟,球磨机转速为400r/min。将球磨后的粉末筛分，选取粒度为30-61 μ mFe-Al-Ni复合粉末作为涂层原材料，放入烘箱120°C烘烤1. 5小时，供喷涂用。第二步、选用外径Φ25长0.8米的0Cr25Ni20不锈钢热电偶保护套管，表面除油，用20目的棕刚玉砂喷砂净化，空气压力为O. 5MPa。第三步、将自制Fe-Al-Ni复合粉末烘干后装入送粉器，采用高能等离子喷涂设备喷涂到热电偶保护套管表面，涂层厚度为O. 5mm左右。
第四步、将带有涂层的热电偶保护套管平放入电阻炉中，升温到700°C，保温O. 5小时。第五步、继续升温至950°C，保温4小时，然后随炉缓慢冷去至300°C，取出空冷即可。
权利要求
1.一种新型高温抗冲蚀热电偶保护套管，其特征在于，它是在奥氏体不锈钢热电偶保护套管基体表面附有一层B2结构的FeAl金属间化合物单相涂层，这种金属间化合物涂层为定向生长特征柱状晶B2-FeAl金属间化合物涂层，平均硬度达到870HV。
2.如权利要求1所述的新型高温抗冲蚀热电偶保护套管的制备方法，其特征在于，它选用奥氏体不锈钢作为基体，在工件表面喷涂一层原子比为3:1:1的AlFeNi复合涂层，然后在670°C _700°C温度范围下保温O. 5-1小时，升温至950°C -1000°C，保温3_4小时，然后随炉冷却至300°C，取出空冷即可。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，详细步骤如下弟一步涂层原材料的制备将纯度彡99. 0%，粒度范围53-74 μ m的纯Al粉、Fe粉和Ni粉按照原子比3:1:1的比例混合，放入球磨机中球磨处理，球磨机转速为400r/min,球磨时间为10_30min ；将球磨后的粉末筛分，选取粒度为30-61 μ mFe-Al-Ni复合粉末作为涂层原材料，供喷涂用；第二步预制涂层选用奥氏体不锈钢保护套管作为基体，表面喷砂净化，将Fe-Al-Ni复合粉末采用高能等离子喷涂设备或高速火焰喷涂设备喷涂到热电偶保护套管表面，涂层厚度设计为O. 5mm-1mm ；第二步涂层热处理(1)将预制好涂层的热电偶保护套管放入普通高温电炉，升温到670°C-700°C，保温O.5-1小时；(2)继续升温到950°C-1000°C，保温3-4小时，然后随炉冷却至300°C，取出空冷即可。
全文摘要
本发明公开了一种新型高温抗冲蚀热电偶保护套管及其制备方法，它选用奥氏体不锈钢作为基体，在工件表面喷涂一层原子比为3:1:1的AlFeNi复合涂层，然后在670℃-700℃温度范围下保温0.5-1小时，升温至950℃-1000℃，保温3-4小时，然后随炉冷却至300℃，取出空冷即可，从而得到在奥氏体不锈钢热电偶保护套管基体表面附有一层B2结构的FeAl金属间化合物单相涂层。本发明在奥氏体不锈钢热电偶保护套管表面获得一种具有定向生长特征柱状晶B2-FeAl金属间化合物涂层，大幅度提高了高温耐磨耐蚀能力，尤其适用于循环流化床锅炉用测温热电偶的表面防护。
文档编号G01K1/08GK103017916SQ201210517788
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月5日 优先权日2012年12月5日
发明者王灿明, 孙宏飞, 崔洪芝 申请人:山东科技大学