Q235鋼表面超音速電弧噴涂制備FeCrBSiNi耐磨涂層的性能

,, ,, ,,,

(1.水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，杭州 310012;2.水利部杭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所,杭州 310012; 3.水利部杭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所,浙江省水利水電裝備表面工程技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310012)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國在用燃煤工業(yè)鍋爐有47萬余臺，占在用工業(yè)鍋爐的80%以上，每年消耗標(biāo)準(zhǔn)煤約4×108t，約占全國煤炭消耗總量的四分之一 。其中，在循環(huán)流化床鍋爐(CFB鍋爐)中煙煤、無煙煤、褐煤、泥煤、油頁巖、木屑、甘蔗渣、稻糠等固體燃料的粉塵濃度是煤粉鍋爐的幾十倍到上百倍，會對爐膛內(nèi)受熱面造成沖刷和撞擊，因此爐膛內(nèi)受熱面的磨損特別嚴(yán)重。爐膛內(nèi)受熱面的爐管一般運(yùn)行半年左右就會發(fā)生爆管，造成非計(jì)劃停爐次數(shù)增多，電廠效益大大降低[1-4]。因磨損造成的停爐次數(shù)約占鍋爐停爐總數(shù)的30%以上，因此磨損已成為影響CFB鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的最主要因素。

圖1 涂層橫截面的SEM形貌Fig.1 Cross section SEM morphology of the coating:(a) at low magnification and (b) at high magnification

采用超音速電弧噴涂技術(shù)制備耐磨層是一種可延長鍋爐運(yùn)行周期且經(jīng)濟(jì)有效的方法，但由于目前超音速電弧噴涂焰流速度一般在340.3～680.6 m·s-1，所制備涂層的結(jié)合強(qiáng)度一般只有30 MPa左右，涂層耐磨性能一般，且在使用過程中容易脫落，壽命很短，往往只有2～3 a，影響設(shè)備的正常使用[5-8]。研究表明，隨著焰流速度的提高，涂層的結(jié)合強(qiáng)度和耐磨性能提高[5-6]。FeCrBSiNi涂層是一種耐磨損、耐高溫腐蝕涂層，適于鍋爐內(nèi)吹灰口、燃燒器附近和循環(huán)流化床鍋爐受熱面、風(fēng)機(jī)葉片、鋼廠轉(zhuǎn)爐煙罩及煙道等部件，然而關(guān)于超音速電弧噴涂制備FeCrBSiNi涂層的研究很少。

為了解決工業(yè)鍋爐的磨損問題，作者采用自有專利、焰流速度可達(dá)1 701.5 m·s-1的一種新型超音速電弧噴槍及噴涂裝置[9]，在鍋爐用Q235鋼表面制備FeCrBSiNi涂層，研究了該涂層的性能。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)用基體材料為市售Q235普通碳素鋼，噴涂前先用無水乙醇超聲清洗以去除污漬，然后用20#～30#的白剛玉砂進(jìn)行噴砂粗化處理，壓力0.6 MPa，最后用丙酮清洗并烘干。噴涂材料為FeCrBSiNi復(fù)合藥芯絲材，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為14～18Cr, 4～6B, 少量Ni和Si, 余Fe。

采用新型超音速電弧噴槍及噴涂裝置制備FeCrBSiNi涂層，以丙烷(C3H8)為燃料、空氣為助燃?xì)怏w。由前期試驗(yàn)得到的優(yōu)化工藝參數(shù)見表1，設(shè)定涂層厚度為0.25 mm。

表1 制備FeCrBSiNi涂層的工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters of preparing FeCrBSiNi coating

1.2 試驗(yàn)方法

噴涂結(jié)束后，對試樣進(jìn)行鑲嵌、打磨、拋光，然后在KMM-500E型光學(xué)顯微鏡下觀測涂層的孔隙率，測10個區(qū)域并求平均值。采用X’Pert Powder型X射線衍射儀(XRD)對涂層進(jìn)行物相分析，工作電壓為40 kV，電流為40 mA，靶材為銅，掃描角度為20°～100°，掃描速率為0.164(°)·s-1。采用HXD-1000TMC/LCD型顯微硬度計(jì)測涂層的顯微硬度，載荷2.94 N，加載時間10 s，測10個點(diǎn)取平均值。采用HT-1000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測涂層和Q235鋼基體的耐磨性能，對磨球材料為Si3N4，載荷為4.9 N，摩擦半徑為6 mm，轉(zhuǎn)速為1 120 r·min-1，試驗(yàn)時間為180 min。試驗(yàn)結(jié)束后將試樣清洗烘干，在精度為0.01 mg的電子天平上稱取質(zhì)量，計(jì)算摩擦磨損前后的質(zhì)量差。

按照GB/T 8642-2002，將試樣切割成φ25 mm的圓片，并采用專用薄膜膠進(jìn)行黏結(jié)、固化，最后在SmartTest5T型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，拉伸速度為0.5 mm·min-1。采用ULTRA55型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂層的微觀形貌和斷口形貌，并用附帶的能譜儀對斷口進(jìn)行元素面掃描。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織及相組成

試驗(yàn)測得涂層的孔隙率較低，為0.71%。由圖1可知：涂層與基體的結(jié)合界面相對平整，起伏較小，涂層沒有明顯的分層現(xiàn)象，并且粒子都呈扁平狀，粒子與基體之間、粒子與粒子之間咬合較好，互相交錯，呈波浪式堆疊在一起；涂層的結(jié)構(gòu)比較致密，孔洞較少，這說明在噴涂過程中粉體粒子在到達(dá)基體時具有較高的動能和焓值，從而使涂層結(jié)合緊密[10-11]。

由圖2可見：涂層中存在大量的非晶相，同時還出現(xiàn)了部分晶體相的衍射峰。非晶涂層中出現(xiàn)晶體相的原因?yàn)椋阂环矫?，在電弧噴涂過程中，絲材的快速熔化、霧化、凝固造成了熔滴中合金成分和涂層結(jié)構(gòu)的不均勻，無法形成完全的非晶相塊體；另一方面，在電弧噴涂過程中熔融合金不可避免會發(fā)生氧化, 這也影響了非晶相的形成。

圖2 涂層的XRD譜Fig.2 XRD pattern of the coating

2.2 顯微硬度

硬度測試結(jié)果顯示，涂層的平均顯微硬度為720 HV0.3，遠(yuǎn)高于Q235鋼基體的(132 HV0.3)。由此可以看出，在基體表面采用超音速電弧噴涂制備FeCrBSiNi涂層后，顯微硬度得到了顯著提高。這是因?yàn)椋阂环矫?，噴涂溫度較低，減少了粉體氧化率，使FeCrBSiNi涂層保持其原有的高硬度特性；另一方面，焰流速度非常快，在粉體沉積時形成較大內(nèi)應(yīng)力，使得涂層硬度提高[12-13]。

2.3 結(jié)合強(qiáng)度及斷裂機(jī)理

涂層界面的結(jié)合強(qiáng)度影響著涂層的力學(xué)性能，在一定程度上決定著涂層的使用壽命[14-15]。由測試結(jié)果可知，涂層與Q235鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度較高，為60 MPa。

由圖3可知：斷裂發(fā)生在基體與涂層的界面處；放大后可以看到，斷口凹凸不平，這表明FeCrBSiNi涂層與基體以機(jī)械結(jié)合為主，二者緊密咬合在一起。此外，電弧噴涂FeCrBSiNi涂層時所產(chǎn)生的壓應(yīng)力加強(qiáng)了涂層與基體的結(jié)合，因此涂層具有較高的結(jié)合強(qiáng)度。由于Q235鋼基體的熱膨脹系數(shù)大于涂層的，在噴涂過程中，基體溫度低，受熱后膨脹，而噴涂粉體經(jīng)加熱、沉積、冷卻后發(fā)生強(qiáng)烈的收縮，從而導(dǎo)致在基體與涂層的界面處形成剪切應(yīng)力，因此在拉伸過程中容易在基體與涂層界面處發(fā)生斷裂。

圖3 涂層試樣斷口的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of fracture of the coating sample: (a) at low magnification and (b) at high magnification

由圖4可以看出，涂層斷口中的元素分布比較均勻，沒有出現(xiàn)明顯的偏析現(xiàn)象。這是由于在噴涂過程中，隨著丙烷壓力和空氣壓力的增加、流量的增大，以及焰流速度的提高，射流的剛性隨之提高，粉體粒子不易被氧化，從而對粒子起到較好的保護(hù)作用，因此涂層具有較低的孔隙率，較高的硬度和結(jié)合強(qiáng)度[16-17]。

2.4 耐磨性能

由圖5可以看出，F(xiàn)eCrBSiNi涂層表面僅存在淺而細(xì)小的磨痕，而Q235鋼基體表面的磨痕較深。

由摩擦磨損試驗(yàn)可知：基體的質(zhì)量損失為0.123 76 g，F(xiàn)eCrBSiNi涂層的質(zhì)量損失僅為0.004 42 g，基體的質(zhì)量損失是涂層的28倍，這說明FeCrBSiNi涂層的耐磨性能遠(yuǎn)優(yōu)于基體的，這是由于涂層具有較低的孔隙率、較高的顯微硬度和結(jié)合強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

(1) 超音速電弧噴涂制備的FeCrBSiNi涂層的孔隙率較低，為0.71%，涂層與基體的結(jié)合界面相對平整，涂層沒有明顯的分層現(xiàn)象，涂層結(jié)構(gòu)致密，孔洞較少。

圖4 涂層試樣斷口的元素面掃描結(jié)果Fig.4 Surface scanning results of elements of the coating sample fracture

圖5 Q235鋼基體與FeCrBSiNi涂層經(jīng)180 min磨損后的表面形貌Fig.5 Surface morphology of Q235 steel substrate and FeCrBSiNi coating after wear for 180 min

(2) FeCrBSiNi涂層的平均顯微硬度為720 HV0.3，遠(yuǎn)高于Q235鋼基體的；涂層與基體的結(jié)合以機(jī)械結(jié)合為主，結(jié)合強(qiáng)度高達(dá)60 MPa；摩擦磨損試驗(yàn)后，Q235鋼基體的質(zhì)量損失是涂層的28倍，涂層的耐磨性能遠(yuǎn)優(yōu)于基體的。

[1] 張小輝.CFB鍋爐水冷壁電弧噴涂工藝及耐磨材料的研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué), 2006.

[2] 王凌云，陳瑞路，趙寶鳳.超音速電弧噴涂鎳鉻合金在鍋爐水冷壁中的防磨應(yīng)用[J].工業(yè)鍋爐，2007(5)：38-40.

[3] NATESAN K. Application of coatings in coal-fired energy system[J]. Surface and Coatings Technology, 1998, 56 (12):107-114.

[4] KASSABJI F，DURAND J P，JACQ G.Thermal spray applications for the next millennium：A business development[C]∥Proceedings of the 15 ITSC. Nice: ASM International，1998.

[5] 韓運(yùn)華.鍋爐水冷壁高速電弧噴涂涂層性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2009.

[6] 趙曉強(qiáng)，牟效民，陳永紅.超音速電弧噴涂技術(shù)在鍋爐水冷壁防護(hù)中的應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備，2012，43(1)：80-82.

[7] ZATT J H. A quarter of century of plasma spraying[J].Annual Review of Material Research，1983，13(1):9-12.

[8] SHIGETA J I, HAMAO Y. Development of a coal ash corrosively index for high temperature corrosion[J].Journal of Engineering Materials and Technology，1987，109(4)：299-305.

[9] 趙堅(jiān)，陳小明，吳燕明，等. 一種新型超音速電弧噴槍及噴涂裝置：20910070.0[P].2015-11-15.

[10] 丁彰雄，陳江濤，王群.FeCrAl合金涂層抗高溫氧化及熱腐蝕性能研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2003，27(4)：513-516.

[11] BANOVIE S W，DUPONT J N, MARDER A R. Experimental evaluation of Fe-Al claddings in high- temperature sulfidizing environments[J]. Welding Journal, 2001，80(3)：63-70.

[12] 王學(xué)，張晉麗，周漢湘,等.高速電弧噴涂FeCrAl涂層組織結(jié)構(gòu)及抗高溫氧化性能研究[J].航空材料學(xué)報(bào)，2006，26(3)：75-77.

[13] 朱子新，徐濱士，徐向陽,等.電站鍋爐管道高溫沖蝕磨損和涂層防護(hù)技術(shù)[J].中國電力，2001，34(12)：16-18.

[14] 劉杰.超音速電弧噴涂FeCrAl涂層組織及性能研究[D].太原:太原理工大學(xué)，2009.

[15] 魏元生.電弧噴涂工藝對流化床鍋爐受熱面耐磨涂層性能的影響關(guān)系研究[J].工業(yè)鍋爐，2015 (2)：14-16.

[16] 孟凡軍，徐濱士，朱勝.高速電弧噴涂Fe-Al涂層在800 ℃下的氧化性能[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2004，24(6)：368-370.

[17] 吳燕明，伏利，陳小明，等.超音速等離子噴涂制備水力機(jī)械耐沖蝕涂層的研究[J].功能材料，2017，48(2):2001-2004.