[发明专利]一种高性能NiCr基纳米涂层制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料中高性能纳米结构涂层制备技术领域，在前期研制了高Cr含量Ni基纳米粉体的基础上，提供了一种“超音速空气焰(HVAF)喷涂制备高性能Ni(Cr)基纳米结构涂层的工艺技术方法”。

背景技术

由于国情和经济高速发展的需要，我国长期以来而且在今后较长时间里仍将大量使用高硫低品质燃煤，因此，锅炉“四管”(包括：水冷壁管、过热器管、再热器管和省煤器管)因高温腐蚀及冲蚀磨损导致的暴管事故仍然是影响火力发电厂安全生产和制约经济发展的重要因素。

目前，对燃煤锅炉“四管”高温腐蚀及冲蚀磨损的主要防护和修补措施是采用热喷涂制备防护涂层，涂层材料主要选择Ni-Cr合金及其复合材料体系，涂层粉体和制得涂层的晶粒尺度均在微米级范围。

随着“确保经济又好又快发展及和谐发展”目标的提出，对电厂锅炉运行的安全性、稳定性提出了更高的要求；进一步挖掘涂层材料的潜力，提高防护涂层的性能和使用寿命，延长大修周期又成为一项重要课题。而近年来纳米涂层材料和纳米涂层制备技术的发展为上述问题的解决提供了基础，使实现上述传统产业的升级和促进相关行业的跨越式发展成为可能。

材料晶粒尺寸减小到纳米量级表现出许多不同于宏观、微观的介观特性。纳米颗粒分散度极高，可容许更多陶瓷、金属间化合物等硬质强化相存在，更充分地发挥第二相强化的作用；纳米晶间比界面值极高，界面处原子排列混乱，位错密度高，原子在外力作用产生变形时容易迁移、扩散，表现出极佳的成分、组织均匀性；材料晶粒间晶界尺寸小而分散，裂纹不易萌生和扩展，外部介质渗入的通道短小而分散，涂层开裂倾向小，破坏和介质腐蚀可能降低至较低水平。在少数发达国家，也已经有人开始尝试把纳米材料引入燃煤锅炉“四管”的防护涂层中。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能NiCrC体系纳米结构涂层的制备方法，提高涂层的综合使用性能，以进一步提高燃煤锅炉“四管”抗高温腐蚀及冲蚀磨损能力。

本发明在前期成功研制出高Cr含量Ni基纳米粉体的基础上，提出采用超音速空气焰-High Velocity Air Fuel(HVAF)喷涂制备高性能Ni(Cr)基纳米结构涂层以进一步提高燃煤锅炉“四管”抗高温腐蚀及冲蚀磨损能力的方案。

超音速空气焰喷涂(HVAF)技术中以空气作助燃剂，在保证极高焰流速度的同时，使焰流温度保持在较低水平；高的喷涂速度以实现涂层低孔隙率、高致密度和与基体高的结合强度；较低的喷涂温度以防止纳米晶粉体在喷涂过程中发生晶粒长大，使涂层保持预先设计的纳米结构。使用空气作助燃剂的另一优势是可以大幅度降低工业生产的成本。

材料晶粒尺寸减小到纳米量级表现出许多不同于宏观、微观的介观特性。纳米颗粒分散度极高，可容许更多陶瓷、金属间化合物等硬质强化相存在，更充分地发挥第二相强化的作用；纳米晶间比界面值极高，界面处原子排列混乱，位错密度高，原子在外力作用产生变形时容易迁移、扩散，表现出极佳的成分、组织结构均匀性；材料晶粒间晶界尺寸小而分散，裂纹不易萌生和扩展，涂层开裂倾向小，破坏可降低至较低水平。另外，由于纳米晶粒尺寸小，晶粒间的接触面增大，热喷涂过程中熔融均匀，晶粒间的结合性能及晶粒与基材间的辅展性、结合性能明显优于微米级晶粒，从而确保涂层极高的致密性与结合强度。

由于纳米结构材料的上述优势，加之超音速火焰喷涂(HVAF)技术制备的涂层既能保持原始粉体的纳米结构，其本身又具有极高的喷涂速度，因此HVAF纳米晶涂层与传统的微米晶涂层相比组织更致密，结合强度更高，进而满足高硬度和耐磨性、良好的耐蚀性和抗氧化性等使用性能要求

一种高性能NiCr基纳米涂层制备方法，涂层制备采用两种粉体，一种是微米尺度的雾化粉体，另一种是雾化粉经液氮球磨后生成的纳米晶粉体；两种粉体的重量百分比成分均为Ni：52.26％；Cr：45.88％；C：1.86％，测得粉体的相组成重量百分比为80％Ni(Cr)合金和20％Cr-C碳化物。喷涂用基体试样为20#钢，喷涂前用90微米的棕刚玉粉对基体表面进行半分钟的喷砂毛化处理。喷涂时把基体试样固定在车床主轴上，转轴以一定的速度旋转，喷枪放置于车床主轴线水平面的垂直方向并以一定速度平行于主轴方向移动扫描；喷涂涂层厚度控制在0.3-0.5毫米。喷涂装置是美国Unique Coat公司生产的超音速空气焰喷涂(HVAF)喷涂系统，其工作时的主要喷涂参数为：