N-,2-保護(hù)超音速電弧噴涂金屬間化合物納米復(fù)合涂層的組織結(jié)構(gòu)及高溫沖蝕性能.pdf

1、針對(duì)國(guó)內(nèi)外火力發(fā)電廠燃煤鍋爐管道(水冷壁、過(guò)熱器、再熱器、省煤器管)存在著的嚴(yán)重高溫沖蝕磨損現(xiàn)象以及由此造成的重大經(jīng)濟(jì)損失的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,本博士課題從研究方法的可行性和研究成果的應(yīng)用價(jià)值出發(fā),采用最切合實(shí)際的超音速電弧噴涂技術(shù)作為基礎(chǔ),全方位、創(chuàng)新性地對(duì)噴涂用材料的制造設(shè)備、電弧噴涂設(shè)備、電弧噴涂工藝、電弧噴涂材料以及涂層性能的試驗(yàn)研究設(shè)備進(jìn)行全面的深入研究,發(fā)揚(yáng)了電弧噴涂技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),彌補(bǔ)了電弧噴涂技術(shù)的不足,將電弧噴涂技術(shù)、設(shè)備、工藝、材

2、料及涂層性能提高到一個(gè)嶄新的水平,具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和重要的學(xué)術(shù)意義,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用已產(chǎn)生很好的使用效果和經(jīng)濟(jì)效益. 首次研究、設(shè)計(jì)、制造電弧噴涂粉芯絲材的專用設(shè)備:軋拔式疊口包絲機(jī)(CWCM05)和張力式直線拉絲機(jī)(CWDM05).該專用設(shè)備的成功研制為本博士課題的順利進(jìn)行提供了基本保障,不僅可用于研究涂層的成分、噴涂工藝、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系,而且可用來(lái)研究開(kāi)發(fā)更多新型的噴涂材料和新的電弧噴涂層.用CWCM05和CWDM

3、05制成的成品絲材表觀質(zhì)量好,表面光潔度、光滑度、圓整度較高,疊口搭接情況良好,包粉密實(shí),經(jīng)電弧噴涂檢驗(yàn),走絲流暢,行弧平衡,無(wú)爆槍現(xiàn)象發(fā)生.該專用設(shè)備年生產(chǎn)能力近500噸/年.已獲得發(fā)明專利(發(fā)明專利權(quán)號(hào):ZL200410017882.9). 首次提出用N<,2>保護(hù)的方法控制噴涂材料的氧化問(wèn)題,并研究制造適合于超音速電弧噴涂的N<,2>保護(hù)裝置.在電弧噴涂技術(shù)中引入N<,2>保護(hù)將對(duì)涂層性能的提高、應(yīng)用價(jià)值的提升和電弧噴涂技

4、術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響.另外,對(duì)電弧噴槍進(jìn)行改造,在槍管(噴管)上安裝Laval腔體使氣流被加速到超音速,從而提高噴涂熔滴的速度,為后續(xù)的涂層組織結(jié)構(gòu)和性能研究提供必要的設(shè)備保證.當(dāng)霧化氣壓為1MPa時(shí),噴涂熔滴的速度可達(dá)515m/s超高音速.發(fā)明新型復(fù)合式導(dǎo)電嘴,它具有良好的導(dǎo)電性和耐磨性,行弧平衡,無(wú)爆槍現(xiàn)象,工作效率大為提高.使用壽命從2～4小時(shí)提高到近3000小時(shí),維修時(shí)間減少90﹪以上,生產(chǎn)率提高40﹪左右,經(jīng)濟(jì)效益將非常顯著

5、.已獲得發(fā)明專利和實(shí)用新型專利(發(fā)明專利權(quán)號(hào):ZL200410017883.3,實(shí)用新型專利權(quán)號(hào):ZL200420022150.4). 首次研制出模擬燃煤鍋爐管道工況條件的專用高溫沖蝕磨損試驗(yàn)設(shè)備:增壓式分段加熱高溫沖蝕試驗(yàn)機(jī)(HTEA-04).HTEA-04高溫沖蝕試驗(yàn)機(jī)具有以下特點(diǎn):沖蝕氣流(沖蝕磨粒)速度穩(wěn)定、可調(diào);沖蝕氣流溫度控制準(zhǔn)確,可在300～1100℃范圍隨意設(shè)定;增壓式加料器加料速度、均勻性、流暢性好,可用于各種

6、類型、粒度、比重的磨粒;試樣的溫度可在200～600℃范圍任意設(shè)定;利用分段加熱方式,可以大大簡(jiǎn)化復(fù)雜的試樣冷卻系統(tǒng);試樣裝卸方便,試驗(yàn)周期較短,顯著提高試驗(yàn)效率,降低試驗(yàn)成本;該試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造成本較低,維護(hù)方便.已申報(bào)專利. 系統(tǒng)地利用自行研究、設(shè)計(jì)、制造的粉芯絲材制造設(shè)備(CWCM05、CWDM05),改進(jìn)的超音速電弧噴涂設(shè)備(CAS-400),研制的高溫沖蝕試驗(yàn)設(shè)備(HTEA-04)進(jìn)行無(wú)N<,2>保護(hù)和有N<,2>

7、保護(hù)的工藝參數(shù)研究.首次以(56﹪Cr<,3>C<,2>+30﹪Cr+6﹪V.Fe+4﹪Nb-Fe+4﹪Mn)芯粉材料的粉芯絲材CW-T為涂層材料,通過(guò)改變噴涂速度對(duì)涂層的組織結(jié)構(gòu)、孔隙率、結(jié)合面互擴(kuò)散、硬度、結(jié)合強(qiáng)度、內(nèi)聚強(qiáng)度、抗氧化性和高溫沖蝕性能進(jìn)行研究,并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比,研究N<,2>保護(hù)的作用.選取切實(shí)可行的最佳工藝參數(shù)(霧化氣壓0.8MPa,噴涂熔滴速度393m/s)用于后續(xù)的材料研究.己申報(bào)專利. 利用粉芯絲材的特點(diǎn)

8、,首次對(duì)Ti-Al金屬問(wèn)化合物復(fù)合材料超音速電弧噴涂層組織結(jié)構(gòu)及高溫沖蝕性能進(jìn)行研究.所開(kāi)發(fā)的粉芯絲材抗高溫磨蝕的性能由強(qiáng)到弱依次為ACW1、ACW4.、ACW2、ACW3.經(jīng)過(guò)噴涂工藝優(yōu)化,Ti-Al系列金屬間化合物復(fù)合材料可望作為優(yōu)秀的抗高溫沖蝕涂層材料.電弧噴涂層的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為"疊層"特征,"凝片"間存在由于噴涂過(guò)程中芯粉材料和表皮材料氧化導(dǎo)致的氧化物.本試驗(yàn)中,4類噴涂層在0.15～0.18mm Al<,2>O<,3>磨粒的高溫沖

9、蝕試驗(yàn)條件下,表現(xiàn)出來(lái)的高溫沖蝕磨損機(jī)理主要有脆斷、疲勞剝落、切削和犁耕. 研究了Ti-Al及Cr系金屬間化合物電弧噴涂層超臨界沖蝕規(guī)律.發(fā)現(xiàn)BCW1、BCW2涂層具有固溶體相和氧化物相相互間隔的疊層結(jié)構(gòu)特點(diǎn).氧化物以Fe<,3>O<,4>形式存在.800℃、150小時(shí)氧化增重試驗(yàn)結(jié)果表明,BCW1和BCW2涂層的抗氧化性能分別是20鋼的10倍和15倍.20鋼的最大沖蝕率在15°附近,而B(niǎo)CW1和BCW2涂層的最大沖蝕率在45°

10、附近.不論是高沖擊角還是低沖擊角,BCW1、BCW2涂層的耐沖蝕性能都明顯優(yōu)于20鋼.沖擊角為45°時(shí),BCW1和BCW2涂層的耐沖蝕性分別是20鋼的3.1和3.0倍.研究了N<,2>保護(hù)對(duì)TiAl<,3>和Cr<,3>C<,2>復(fù)合材料超音速電弧噴涂層組織結(jié)構(gòu)及高溫沖蝕性能的影響.研究發(fā)現(xiàn),在N<,2>保護(hù)下的電弧噴涂層比無(wú)保護(hù)時(shí)的涂層更為致密和均勻,氧化夾雜物明顯減少,硬度顯著提高.本實(shí)驗(yàn)條件下,凝片與凝片的分離,以及凝片的斷裂、掀

11、起和剝落是產(chǎn)生沖蝕磨損的主要原因.而氧化夾雜物明顯降低凝片與凝片間的結(jié)合力,從而降低涂層抗高溫沖蝕性能.氮?dú)獗Ｗo(hù)的CCW1、CCW2、CCW3電弧噴涂層的平均體積沖蝕率比無(wú)氮?dú)獗Ｗo(hù)的分別降低3.3倍、2.3倍和1.0倍. 研究了時(shí)效對(duì)含納米復(fù)合材料超音速電弧噴涂層組織結(jié)構(gòu)及高溫沖蝕性能的影響.采用含納米粉復(fù)合粉芯絲材進(jìn)行電弧噴涂時(shí),絲材的表皮材料和芯粉材料能相互熔解和融合形成較均勻的固溶體.研究發(fā)現(xiàn):時(shí)效處理使涂層中各組成相晶格

12、缺陷減少,應(yīng)力消除,結(jié)晶度提高,同時(shí)亞穩(wěn)相分解,孔洞等缺陷減少,從而顯著提高涂層硬度,并使涂層中硬度分布更均勻.時(shí)效處理未明顯提高DCW3涂層的抗高溫沖蝕性能,但顯著提高含納米組分的.DCW1、DCW2涂層的耐高溫沖蝕性能,提高幅度分別為20﹪和29﹪. 首次研究了N<,2>保護(hù)對(duì)含納米復(fù)合材料超音速電弧噴涂層組織結(jié)構(gòu)及高溫沖蝕性能的影響.N<,2>保護(hù)提高涂層的致密性和均勻性,組織的連續(xù)性得到明顯改善,涂層中氧化物顯著減少.N

13、<,2>保護(hù)使更多的合金元素熔入Fe中形成Fe基固溶體.透射電鏡分析表明,納米陶瓷相在基體相中呈較均勻的彌散分布狀態(tài).涂層中的氧化物是影響沖蝕抗力的主要因素之一.N<,2>保護(hù)的涂層受磨粒沖蝕時(shí),不會(huì)出現(xiàn)明顯的層狀形式流失,所以沖蝕率顯著降低.ECW1、ECw2、ECW3的氮?dú)獗Ｗo(hù)下涂層平均體積沖蝕率比無(wú)氮?dú)獗Ｗo(hù)的分別降低3.4、6.4和6.5倍.氮?dú)獗Ｗo(hù)顯著減少納米組分的燒損,改善納米陶瓷相與基體相的結(jié)合,更充分發(fā)揮納米組分對(duì)涂層的彌