Cr3C2-NiCr復(fù)合粉超音速噴涂在半球閥上的應(yīng)用

河南泉舜流體控制科技有限公司 （鄭州 450001） 李廣軍

鼎盛工程技術(shù)有限公司 （河南 450000） 王彥枝

1.概述

偏心半球閥是為解決溶液與礦漿等兩相混合流介質(zhì)輸送的技術(shù)難題而研發(fā)的，它為化工、石油、燃氣及冶金等工業(yè)部門解決溶液工藝流程中因易沉淀、易結(jié)垢的溶液析出而影響流程的問題提供了可靠的控制。在石化工業(yè)生產(chǎn)中，沖蝕和磨損是所有閥門零部件失效的主要形式，并且此類問題往往與腐蝕同時存在，是影響閥門壽命的重要因素。往往通過閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵零部件的熱處理、堆焊硬質(zhì)合金等工藝來提高半球閥使用壽命、耐磨損和耐腐蝕性，但仍不能滿足特殊工況條件下的使用要求。如果通過超音速火焰噴涂技術(shù)處理半球閥，在閥門內(nèi)部表面形成均勻致密的結(jié)合層，涂層硬度高，耐磨耐蝕性好，有很好的力學(xué)性能，可以很好的改善閥門的使用性能。本文中主要介紹超音速熱噴涂采用Cr3C2－NiCr復(fù)合粉為原料噴涂半球閥的應(yīng)用研究。

2.噴涂工作原理和結(jié)構(gòu)組成

HVOF（High Velocity Oxygen Fuel ）超音速火焰噴涂技術(shù)是國際最先進的熱噴涂技術(shù)之一。它使用高壓氧氣和燃料（氣體燃料或航空煤油），在特殊噴槍內(nèi)部燃燒形成高溫高壓速度（6倍音速以上）燃氣流，將由送粉系統(tǒng)輸送到噴槍的粉末以超音速噴向閥門工件表面，沉積形成致密、均勻、低氧化物含量的高硬度、高結(jié)合力涂層，廣泛應(yīng)用于各種高耐磨要求的環(huán)境。

超音速噴涂裝置如圖1所示，利用丙烷為燃料，利用氧氣和壓縮空氣為助燃劑，在燃燒室點燃，劇烈膨脹的氣體受到噴嘴的約束形成超音速高溫火焰流，粉末沿燃燒室軸心由惰性氣體（氮氣）送入，經(jīng)過加熱與加速而噴出，高速噴向工作表面形成均勻致密的涂層。焰流是否達到超音速可通過觀察火焰中是否存在馬赫錐來判斷，當焰流達到超音速時，焰流的速度可以達到2～5馬赫，超音速火焰噴涂系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖1 超音速噴涂裝置

圖2 超音速火焰噴涂系統(tǒng)

3.Cr3C2-NiCr噴涂的技術(shù)特性和材料特性

（1）超音速火焰噴涂技術(shù)特點如附表所示。

（2）復(fù)合粉的主要性能和典型應(yīng)用Cr3C2－NiCr粉由兩種不同性能的組分構(gòu)成。其中NiCr合金具有良好的耐熱耐蝕性，常用的成分是80%Ni－20%Cr。Cr－C系有Cr3C2，Cr7C3和Cr23C6三種化合物，熔化溫度分別為1810℃，1726℃和1575℃。其中Cr3C2是最常見與最重要的一種。這些碳化鉻所具有的特點是在金屬碳化物中抗氧化能力最強，在空氣中只有在1100～1400℃才開始顯著氧化。在高溫條件下依然保持相當高的硬度。Cr3C2還具有很強的耐蝕性和耐磨性，在稀硫酸溶液中是1Crl8Ni9Ti不銹鋼耐蝕性的30倍，而在蒸汽中則是Co－WC合金的50倍。用NiCr－Cr3C2噴涂電廠鍋爐爐管，管壁磨損量由1.5～2.0mm／a減少到0.03mm／a，使其工作壽命延長至七年以上。通常用NiCr作為耐熱合金粘結(jié)相與Cr3C2硬質(zhì)相近熱噴涂形成涂層，就構(gòu)成了優(yōu)良的抗高溫耐磨材料。采用HVOF或等離子噴涂工藝，使NiCr合金與Cr3C2陶瓷能有充分的條件形成均質(zhì)的金屬陶瓷涂層，這種涂層在高溫條件下具有耐磨損、耐沖蝕、氣蝕和微振等功能，同時也抗高溫氣體(即使是含S氣體)腐蝕及高溫氧化等特性。典型的應(yīng)用是：閥門、燃煤鍋爐爐管(電廠、造紙廠)、冶金退火爐輥、液壓機閥門、燃桿芯軸、風檔、內(nèi)噴嘴支撐，泵套、 熱碎輥、活塞導(dǎo)軌、撥叉、壓氣機氣密封、伸縮接頭、水輪機噴嘴及假造工具等。

超音速火焰噴涂技術(shù)特點

4.超音速噴涂的工藝特征

半球閥超音速噴涂技術(shù)的基本工藝流程主要有：表面處理及噴砂→工件檢查→噴涂（磨削加工）等3大步驟，下面詳細介紹各個工藝流程。

（1）表面處理和噴砂 為了把工件表面的銹皮等一切污物清除，并在工件表面建立起十分重要的基礎(chǔ)（即通常所謂的毛面），噴涂前的半球閥噴涂零部件，必須經(jīng)過表面清潔處理和噴砂粗化處理。而且根據(jù)半球閥零部件材料不同，可以通過調(diào)換不同磨料，達到不同程度的表面粗糙度，大大提高工件與復(fù)合粉的結(jié)合力，使粘接件粘接更牢固，質(zhì)量更好。

（2）工件檢查 噴砂后工件檢查的主要工作是常規(guī)檢查外觀、裂紋鑄造缺陷，密封面處是最關(guān)鍵的部位，有些存在裂紋和拉毛嚴重的問題，需要對裂紋和坑包進行修復(fù)，使其表面光整。

（3）噴涂 氧氣和加熱后的液態(tài)燃料通過混合系統(tǒng)在高壓下輸入燃氣室燃燒產(chǎn)生高壓氣流，氣流通過拉瓦爾型噴嘴膨脹，加速到2000m/s左右，粉末在N2的輸送下注入氣流中，該氣流將粉末粒子加熱并加速到二次噴嘴，以便于粒子攜帶較多能量沖擊到閥門零部件的表面基材上。超音速噴涂并不熔化粉末而僅僅是將其軟化，使粒子氧化和分解在涂層內(nèi)降至最低溫度。經(jīng)過連續(xù)幾次噴涂后，結(jié)合強度大、孔隙率低、硬度高的涂層厚度達到0.2～0.3mm，經(jīng)噴涂加工后的半球閥閥座零件如圖3所示。噴涂后根據(jù)工況需要，選擇合適的封孔劑。

圖3 噴涂加工后閥座

5.結(jié)語

將超音速熱噴涂技術(shù)應(yīng)用在半球閥領(lǐng)域，能夠達到半球閥所要求的涂層厚度、硬度、表面粗糙度及腐蝕性和耐磨性的要求。通過選擇Cr3C2－NiCr復(fù)合粉制造出滿足不同要求的涂層，根據(jù)中州鋁廠和化工企業(yè)反饋的信息，使用超音速噴涂技術(shù)進行噴涂處理的“泉舜牌”半球閥在氧化鋁料漿和強酸等介質(zhì)中的使用壽命提高了5倍左右。根據(jù)現(xiàn)場反饋的情況，采用超音速熱噴涂Cr3C2－NiCr復(fù)合粉的技術(shù)是可行的，并且市場前景非常寬廣。