技术领域
[0001] 本
发明属于表面工程技术领域，尤其涉及一种高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层、制备方法及应用。
背景技术
[0002]
生物质
锅炉可以将生物质或垃圾在锅炉中燃烧用来供热和发电，使垃圾
能源化，因此，发展生物质锅炉已成为目前解决城市垃圾及废弃
农作物秸秆问题的最有效途径。然而，由于垃圾和废弃农作物的成份复杂如含有高的氯、硫含量和
碱金属含量，在燃烧过程中产生烟气、飞灰、结渣等导致锅炉管严重的
腐蚀和磨损，严重影响生物质锅炉的正常运行和造成能源浪费等重大经济损失，己成为锅炉安全可靠运行中一个亟待解决的技术难题。
[0003] 为了解决锅炉管表面耐磨耐蚀问题，研究人员采用对
燃料进行淋洗、调整烟气
温度、采用较厚的耐磨耐蚀的不锈
钢防护外层等方法以改善锅炉管的腐蚀和磨损性，在一定程度上提高了锅炉管的使用寿命，但是难以满足生产生活的需要。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于：锅炉管易腐蚀和磨损，提供了一种高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层、制备方法及应用。
[0005] 本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明的一种高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层，包括基体和基体上由内到外依次涂覆成型的金属粘结层、金属陶瓷工作层、封孔层，所述的金属粘结层的材质包括Ni、Cr、Al，所述金属陶瓷工作层包括金属相和陶瓷相，所述的金属相的材质包括Ni、Cr、Al、Y、Si、B，所述陶瓷相为TiB2、TiC、CrB2、β-BN、ZrSiO4中的至少一种。
[0006] 所述金属粘结层材质Ni、Cr、Al的
质量百分比为:50～80％：20～45％：0～8％。
[0007] 所述的金属相和陶瓷相的质量百分比为：60～80％：20～40％。
[0008] 所述的金属相材质Ni、Cr、Al、Y、Si、B的质量百分比为：50～80％：20～40％：0～8％：0～3％：0～5％：0～4％。
[0009] 所述封孔层材质包括
水玻璃、
硝酸铈、硝酸铬，所述水玻璃、硝酸铈、硝酸铬的质量百分比为55～65％、5～9％、28～36％。
[0010] 所述的金属陶瓷工作层在
氧化条件下生成氧化铬晶粒。
[0011] 一种高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0012] (1)对基体表面进行
喷砂处理，增加表面粗糙度；
[0013] (2)采用氧丙烷超音速
火焰喷涂法在处理后的基体表面制备金属粘结层；
[0014] (3)采用大气
等离子喷涂法在金属粘结层表面制备高镍铬合金基金属陶瓷工作层；
[0015] (4)使用封孔剂对金属陶瓷工作层表面进行封孔处理。
[0016] 所述金属粘结层厚度为60～80μm，所述高镍铬合金基金属陶瓷工作层厚度为170～320μm。
[0017] 所述氧丙烷超音速
火焰喷涂金属粘结层的工艺参数为：丙烷流量50～70L/min，氧气流量200～250L/min，空气流量260～340L/min，送粉率40～50g/min，线速度700～850mm/s，步距2～5mm，喷涂距离220～350mm，沉积时间2～6min。
[0018] 所述大气等离子喷涂法喷涂金属陶瓷工作层工艺参数为：
电流550～600A，
电压50～70V，送粉率25～40g/min，喷涂距离100～140mm，主气流量Ar气35～45L/min，线速度800～900mm/s，步距2～6mm，沉积时间5～15min。
[0019] 一种高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层在提高锅炉管耐蚀性上的应用。
[0020] 本发明采用超音速火焰喷涂和等离子喷涂技术在锅炉管表面制备高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层，以提高锅炉管表面的耐磨耐蚀性能。高镍铬合金作为耐蚀粘结相，陶瓷相TiB2、CrB2、TiC、B4C、Al2O3作为增强相，高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层具有高结合强度和优异的耐氧化耐盐蚀的性能；金属陶瓷工作层在氧化后，表面析出大量的细小氧化铬晶粒，可以进一步减缓或阻止防护涂层和基体在高温下的氧化和氯腐蚀。
[0021] 本发明高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层在高温使用条件下会生成致密的氧化物(如氧化铬)，该致密氧化物会阻止防护涂层进一步被氧化和腐蚀。同时，涂层中加入的TiB2、TiC、CrB2、BN、ZrSiO4等陶瓷相具有良好的
耐磨性。因此，该防护涂层既具有良好的抗氧化性能、耐氯腐蚀性能，又具有耐磨性能。
[0022] 本发明相比
现有技术具有以下优点：本发明可以显著改善锅炉管的表面质量和耐氧化耐盐蚀的性能，具有耐磨性能，延长锅炉的安全运行周期，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。
附图说明
[0023] 图1是高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层的结构示意图，
[0024] 1-基体，2-金属粘结层，3-金属陶瓷工作层，4-封孔层；
[0025] 图2是
实施例1的NiCr/NiCrAl-TiB2高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层的截面形貌图；
[0026] 图3是实施例1的NiCr/NiCrAl-TiB2高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层氧化后的表面形貌及EDS能谱图；
[0027] 图4是实施例3的NiCr/NiCrBSi-ZrSiO4高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层盐蚀后的截面形貌及能谱图；
[0028] 图5是实施例3的NiCr/NiCrBSi-ZrSiO4高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层抗氧化动
力学曲线。
具体实施方式
[0029] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0030] 本发明的目的在于提供一种可应用于锅炉管表面，兼具高结合强度和耐磨耐蚀功能的新型耐磨耐蚀高镍铬合金金属陶瓷防护涂层及其制备方法，该防护涂层结构包含基体、粘结层、金属陶瓷工作层和封孔层；采用氧丙烷超音速火焰喷涂法制备金属粘结层，大气等离子喷涂法在金属粘结层表面制备高镍铬合金基金属陶瓷工作层，对金属陶瓷工作层进行封孔处理，以提高涂层的致密性，有效地阻止熔融盐或离子渗透进涂层。该高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层的结构如图1所示。
[0031] 实施例1
[0032] 在12CrMoV
不锈钢基体表面制备NiCr/NiCrAl-TiB2高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层。其中，NiCr金属粘结层的材质由75％Ni、25％Cr组成，NiCrAl-TiB2金属陶瓷工作层的材质由70％NiCrAl金属相、30％TiB2陶瓷相组成，其中NiCrAl金属相材质由56％Ni、40％Cr、4％Al组成。
[0033] 制备NiCr/NiCrAl-TiB2高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层的具体步骤为：
[0034] (1)在12CrMoV不锈钢基体表面进行喷砂处理，增加表面粗糙度；
[0035] (2)采用氧丙烷超音速火焰喷涂在12CrMoV不锈钢基体表面制备NiCr金属粘结层，其工艺参数为：丙烷流量为55L/min，氧气流量为220L/min，空气流量为300L/min，送粉率为45g/min，线速度为800mm/s，步距为3mm，喷涂距离为250mm，沉积时间为3min，得到厚度为70μm NiCr金属粘结层；
[0036] (3)采用大气等离子喷涂在上述NiCr金属粘结层表面制备NiCrAl-TiB2金属陶瓷工作层，其工艺参数为：电流为600A，电压为65V，送粉率为30g/min，喷涂距离为120mm，主气流量Ar气为40L/min，线速度800mm/s，步距3mm，沉积时间为10min，得到厚度为280μm的NiCrAl-TiB2金属陶瓷工作层；
[0037] (4)将由水玻璃、硝酸铈、硝酸铬组成的封孔剂均匀地刷涂在上述制备的NiCrAl-TiB2金属陶瓷工作层的表面进行封孔处理。
[0038] 该防护涂层经拉伸试验测试其平均结合强度65MPa，孔隙率为0.75％，该防护涂层的截面形貌如图2所示，通过涂层截面形貌的图像法计算发现涂层致密。
[0039] 在该防护涂层表面涂覆15mg/cm2的KCl，置于900℃的
烧结炉中保温24h，发现熔融KCl被阻止在涂层的表面，该防护涂层具有优异的抗氯化物熔盐腐蚀的性能。
[0040] 图3是NiCrAl-TiB2金属陶瓷工作层氧化后的表面形貌图及相应的EDS能谱图，氧化条件为700℃下氧化10h。
[0041] 从图3中可以看出，NiCrAl-TiB2金属陶瓷工作层在700℃下氧化10h后，表面析出了大量的细小晶粒，经EDS确认细小晶粒是CrO3。CrO3可以进一步减缓或阻止涂层和基体在高温下的氧化和氯腐蚀。
[0042] 另外，金属陶瓷工作层在高温使用下会生成致密的氧化物(如氧化铬)，该致密氧化物会阻止涂层进一步被氧化和腐蚀。同时，涂层中加入的TiB2、TiC、CrB2、BN、ZrSiO4等陶瓷相具有良好的耐磨性。因此，金属陶瓷涂层既具有良好的抗氧化性能、耐氯腐蚀性能，又具有耐磨性能。
[0043] 实施例2
[0044] 在12CrMoV不锈钢基体表面制备NiCrAl/NiCrBSi-TiC高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层，其中，NiCrAl金属粘结层的材质由76％Ni、20％Cr、4％Al组成，NiCrBSi-TiC金属陶瓷工作层的材质由65％NiCrBSi金属相、35％TiC陶瓷相组成，其中NiCrBSi金属相材质由69％Ni、24％Cr、3％B、4％Si组成。
[0045] 制备NiCrAl/NiCrBSi-TiC高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层的具体步骤为：
[0046] (1)在12CrMoV不锈钢基体表面进行喷砂处理，增加表面粗糙度；
[0047] (2)采用氧丙烷超音速火焰喷涂在12CrMoV不锈钢基体表面制备NiCrAl金属粘结层，其工艺参数为：丙烷流量为50L/min，氧气流量为200L/min，空气流量为300L/min，送粉率为45g/min，线速度为800mm/s,步距为3mm，喷涂距离为230mm，沉积时间为3min，得到厚度为65μm NiCrAl金属粘结层；
[0048] (3)采用大气等离子喷涂在上述NiCrAl金属粘结层表面制备NiCrBSi-TiC金属陶瓷工作层，其工艺参数为：电流为650A，电压为60V，送粉率为35g/min，喷涂距离为110mm，主气流量Ar气为40L/min，线速度800mm/s，步距3mm，沉积时间为8min，得到厚度为300μm的NiCrBSi-TiC金属陶瓷工作层；
[0049] (4)将由水玻璃、硝酸铈、硝酸铬组成的封孔剂均匀地刷涂在上述制备的NiCrBSi-TiC金属陶瓷工作层的表面进行封孔处理，得到NiCrAl/NiCrBSi-TiC高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层。
[0050] 实施例3
[0051] 在12CrMoV不锈钢基体表面制备NiCr/NiCrBSi-ZrSiO4高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层。其中，NiCr金属粘结层的材质由80％Ni、20％Cr组成，NiCrBSi-ZrSiO4金属陶瓷工作层的材质由80％NiCrBSi金属相、20％ZrSiO4陶瓷相组成，其中NiCrBSi金属相材质由69％Ni、24％Cr、3％B、4％Si组成。
[0052] 制备NiCr/NiCrBSi-ZrSiO4高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层的具体步骤为：
[0053] (1)在12CrMoV不锈钢基体表面进行喷砂处理，增加表面粗糙度；
[0054] (2)采用氧丙烷超音速火焰喷涂在12CrMoV不锈钢基体表面制备NiCr金属粘结层，其工艺参数为：丙烷流量为52L/min，氧气流量为220L/min，空气流量为320L/min，送粉率为40g/min，线速度为800mm/s，步距为3mm，喷涂距离为250mm，沉积时间为4min，得到厚度为80μmNiCr金属粘结层；
[0055] (3)采用大气等离子喷涂在上述NiCr金属粘结层表面制备NiCrBSi-ZrSiO4金属陶瓷工作层，其工艺参数为：电流为650A，电压为60V，送粉率为35g/min，喷涂距离为100mm，主气流量Ar气为40L/min，线速度800mm/s，步距3mm，沉积时间为8min，得到厚度为290μm的NiCrBSi-ZrSiO4高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层；
[0056] (4)将由水玻璃、硝酸铈、硝酸铬组成的封孔剂均匀地刷涂在上述制备的NiCrBSi-ZrSiO4金属陶瓷工作层的表面进行封孔处理，得到NiCr/NiCrBSi-ZrSiO4高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层。
[0057] 该防护涂层经拉伸试验测试其平均结合强度60MPa。
[0058] NiCr/NiCrBSi-ZrSiO4高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层盐蚀后的截面形貌及能谱图如图4所示，腐蚀条件为800℃，KCl和NaCl的摩尔百分比为1:1，保温24h。从图4能谱中可以看出金属陶瓷工作层没有发现腐蚀性的Cl、K、Na元素，说明NiCrBSi-ZrSiO4层有效阻止了KCl和NaCl在高温下的渗透腐蚀。
[0059] 将带有基体的NiCr/NiCrBSi-ZrSiO4高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层置于700℃下进行抗氧化实验，其700℃下的抗氧化动力学曲线如图5。
[0060] 如图5所示，NiCr/NiCrBSi-ZrSiO4高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层在一开始由于工作层中的金属相NiCrBSi发生氧化，其重量增大较快，随着时间的延长，涂层的表面生成了致密的氧化膜阻止了进一步氧化。
[0061] 不带涂层的基体在700℃下5h内表面生成的氧化膜脱落，说明NiCrBSi-ZrSiO4金属陶瓷工作层具有优异的抗氧化性。
[0062] 实施例4
[0063] 在12CrMoV不锈钢基体表面制备NiCrAl/NiCrAl-β-BN-TiC高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层。其中，NiCrAl金属粘结层的材质由76％Ni、20％Cr、4％Al组成，NiCrAl-β-BN-TiC金属陶瓷工作层的材质由65％NiCrAl金属相、35％陶瓷相组成，其中NiCrAl金属相材质由76％Ni、20％Cr、4％Al组成，陶瓷相由10％β-BN、25％TiC组成。
[0064] 制备NiCrAl/NiCrAl-β-BN-TiC高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层的具体步骤为：
[0065] (1)在12CrMoV不锈钢基体表面进行喷砂处理，增加表面粗糙度；
[0066] (2)采用氧丙烷超音速火焰喷涂在12CrMoV不锈钢基体表面制备NiCrAl金属粘结层，其工艺参数为：丙烷流量为50L/min，氧气流量为200L/min，空气流量为300L/min，送粉率为45g/min，线速度为800mm/s,步距为3mm，喷涂距离为230mm，沉积时间为3min，得到厚度为65μmNiCrAl金属粘结层；
[0067] (3)采用大气等离子喷涂在上述NiCrAl金属粘结层表面制备NiCrAl-β-BN-TiC金属陶瓷工作层，其工艺参数为：电流为620A，电压为65V，送粉率为35g/min，喷涂距离为100mm，主气流量Ar气为40L/min，线速度800mm/s，步距3mm，沉积时间为9min，得到厚度为
300μm的NiCrAl-β-BN-TiC金属陶瓷工作层；
[0068] (4)将由水玻璃、硝酸铈、硝酸铬组成的封孔剂均匀地刷涂在上述制备的NiCrAl-β-BN-TiC金属陶瓷工作层的表面进行封孔处理，得到NiCrAl/NiCrAl-β-BN-TiC高镍铬合金基金属陶瓷防护涂层。
[0069] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
