一种强韧性抗高温蒸汽氧化涂层的制备方法

摘要

本发明公开了一种强韧性抗高温蒸汽氧化涂层的制备方法，将浆状含铝涂层材料均匀涂覆于管道表面，涂覆厚度为0.1～0.5mm，然后风干固化，高温扩散热处理，最后进行后处理，在管道表面形成强韧性抗高温蒸汽氧化涂层，强韧性抗高温蒸汽氧化涂层中铝原子质量含量为6～13％。可通过单次涂覆上述涂层材料，在大气环境下短时、高效制备出满足使役性能的涂层结构，污染小、能耗低、应用范围广、实用性极强。

权利要求

1.一种强韧性抗高温蒸汽氧化涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将浆状含铝涂层材料均匀涂覆于管道表面，涂覆厚度为0.1～0.5mm，然后风干固化，高温扩散热处理，最后进行后处理，在管道表面形成强韧性抗高温蒸汽氧化涂层，强韧性抗高温蒸汽氧化涂层中铝原子质量含量为6～13％；其中，采用水冷方式进行后处理，水温为20～35℃；

强韧性抗高温蒸汽氧化涂层为单层结构；

浆状涂层材料的制备方法如下：

1)按质量百分比计，将55～65％的铝粉、10～20％的硅粉、20～30％的氧化铝粉以及

0.5～2％的溴化铵，混合后球磨，得到固相组分；

2)将三氧化铬和氧化镁加入到80℃的磷酸二氢铝溶液并不断搅拌，直至溶解后，加入水玻璃，搅拌后过滤，获得液相组分；

3)按照固相组分与液相组分比为10g：4～6mL，将固相组分与液相组分混合、搅拌、球磨，浆状涂层材料；

风干固化的具体条件为室温下自然风干12～24h，然后在350～420℃下固化30～

60min；

高温扩散热处理的具体条件为在大气环境下将管道在950～1080℃下保温10～15min；

磷酸二氢铝溶液、水玻璃、三氧化铬和氧化镁的比为100mL：12～25mL：20～25g：5～

12g，磷酸二氢铝溶液质量浓度为37.5％。

2.根据权利要求1所述的一种强韧性抗高温蒸汽氧化涂层的制备方法，其特征在于，将浆状涂层材料均匀涂覆于管道表面前，将管道表面在100～150℃下烘干20～30min，然后在

220～250℃预热15～20min。

3.根据权利要求1所述的一种强韧性抗高温蒸汽氧化涂层的制备方法，其特征在于，涂覆采用软管倒退的方式进行，喷涂压力为0.4～1.2MPa，喷嘴出料口径为1.5～3mm，喷嘴行进速率为20～30cm/s。

4.根据权利要求1所述的一种强韧性抗高温蒸汽氧化涂层的制备方法，其特征在于，强韧性抗高温蒸汽氧化涂层厚度为33～41μm。

说明书

一种强韧性抗高温蒸汽氧化涂层的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于材料表面涂层技术领域，具体涉及一种强韧性抗高温蒸汽氧化涂层的制备方法。

背景技术

[0002] 火电机组锅炉奥氏体钢过/再热器管是超超临界机组中负责回收燃煤烟气能量、加热蒸汽、实现能量转化的关键部件，是锅炉中承受压力最大、温度最高、服役环境罪苛刻的部分。据测算，管外壁温度需达640‑680℃时才能使蒸汽参数达到620℃级超超临界二次机组的要求。由于国内外尚无可供600/620/620℃二次再热超超临界机组选用的合金，奥氏体钢仍是机组末级过/再热器的首选材料之一；在更高的温度下，奥氏体钢虽能满足服役期间的各项力学及热物性能，但650℃蒸汽条件下服役的抗氧化性能大大降低，较高的蒸汽氧化速率限制了奥氏体钢在更高温度下服役的可能。

[0003] 研究表明，表面形成Al2O3膜的合金具有优异的抗高温蒸汽氧化性能。如果在奥氏体钢表面制备一定含量的渗铝层，使奥氏体钢表面具备Al2O3膜形成的能力，则奥氏体钢的抗高温蒸汽氧化性能将显著提高。基于此，近年来国内外学者开展了大量相关研究，如传统热扩散方法、热浸渗、料浆法渗铝等，但这些方法制备的涂层均不可避免的出现脆性相金属间化合物η‑Fe2Al5或者FeAl2；由于η‑Fe2Al5/FeAl2相热膨胀系数远高于基体，导致涂层内出现大量贯穿性裂纹，严重影响涂层的综合性能。为了抑制脆性相η‑Fe2Al5/FeAl2相的形成、长大，有人尝试采用控制铝活度的策略，采用气氛保护+高活度粉末包埋法的制备工艺控制脆性相的形成，然而在复杂的制备工艺、较低的制备效率以及较大的环境污染代价下，虽能有效减少金属间化合物脆性相层的厚度与含量，但仍无法完全避免η‑Fe2Al5/FeAl2相层。

[0004] 另外，传统的渗铝层制备工艺获得的涂层厚度可控性差、结构复杂，多为双层及多层结构，由于层间析出相、孔洞缺陷以及氧化物杂质的存在导致层间的相容性差、结合力弱，涂层常常出现分层剥落。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种强韧性抗高温蒸汽氧化涂层的制备方法。

[0006] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0007] 一种强韧性抗高温蒸汽氧化涂层的制备方法，包括如下步骤：将浆状含铝涂层材料均匀涂覆于管道表面，涂覆厚度为0.1～0.5mm，然后风干固化，高温扩散热处理，最后进行后处理，在管道表面形成强韧性抗高温蒸汽氧化涂层，强韧性抗高温蒸汽氧化涂层中铝原子质量含量为6～13％。

[0008] 进一步的，将浆状涂层材料均匀涂覆于管道表面前，将管道表面在100～150℃下烘干20～30min，然后在220～250℃预热15～20min。

[0009] 进一步的，涂覆采用软管倒退的方式进行，喷涂压力为0.4～1.2MPa，喷嘴出料口径为1.5～3mm，喷嘴行进速率为20～30cm/s。

[0010] 进一步的，风干固化的具体条件为室温下自然风干12～24h，然后在350～420℃下固化30～60min。

[0011] 进一步的，高温扩散热处理的具体条件为在大气环境下将管道在950～1080℃下保温10～15min。

[0012] 进一步的，采用水冷方式进行后处理，水温为20～35℃。

[0013] 进一步的，强韧性抗高温蒸汽氧化涂层为单层结构。

[0014] 进一步的，强韧性抗高温蒸汽氧化涂层厚度为33～41μm。

[0015] 进一步的，浆状涂层材料的制备方法如下：

[0016] 1)按质量百分比计，将55～65％的铝粉、10～20％的硅粉、20～30％的氧化铝粉以及0.5～2％的溴化铵，混合后球磨，得到固相组分；

[0017] 2)将三氧化铬和氧化镁加入到80℃的磷酸二氢铝溶液中并不断搅拌，直至溶解后，加入水玻璃，搅拌后过滤，获得液相组分；

[0018] 3)按照固相组分与液相组分比为10g：4～6mL，将固相组分与液相组分混合、搅拌、球磨，浆状涂层材料。

[0019] 进一步的，磷酸二氢铝溶液、水玻璃、三氧化铬和氧化镁的比为：100mL：12～25mL：20～25g：5～12g，磷酸二氢铝溶液质量浓度为37.5％。

[0020] 与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0021] 本发明所述的一种强韧性抗高温蒸汽氧化涂层为单层结构，厚度适中，与合金基体通过原子扩散呈冶金结合，无剥落风险；涂层中易形成η‑Fe2Al5或FeAl2脆性相的Al原子含量得到控制(6～13wt.％)，形成了以强韧性FeAl相为主的铝化物涂层，涂层结构完整，无裂纹、微孔等制造缺陷；既保证了涂层的高抗蒸汽氧化性能，又解决了脆性相的形成和涂层开裂问题。本发明所述的一种强韧性抗高温蒸汽氧化涂层的制备方法，可一次性完成合金表面喷涂全覆盖，在常规大气环境下即可完成原子的高效率扩散和涂层制备，无需气氛保护或真空环境，扩散时间短、制备效率高、无损母材组织，综合性能优异。本发明的制备方法能耗低、污染小，可适用于各类奥氏体钢、镍基/镍铁基高温合金以及特种耐热钢等材质部件，对服役于高温高压环境中部件表面的抗氧化性能更佳；同时，对异形件、复杂工件、超大件等部件的表面涂层制备适用性强，应用范围更广。

附图说明

[0022] 图1为本发明实施例1参数下制备的强韧性抗高温蒸汽氧化涂层截面形貌照片；

[0023] 图2为本发明实施例6参数下制备的强韧性抗高温蒸汽氧化涂层截面形貌照片；

[0024] 图3为本发明实施例8参数下制备的强韧性抗高温蒸汽氧化涂层截面形貌照片；

[0025] 图4为本发明实施例8参数下制备的强韧性抗高温蒸汽氧化涂层铝元素分布。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

[0027] 本发明以奥氏体钢TP347HFG所制备的大型锅炉管道为例，在其表面开展强韧性抗高温蒸汽氧化涂层的制备，管道规格均为外径60mm、壁厚4mm、长度6000mm。

[0028] 浆状含铝涂层材料制备方法如下：

[0029] 1)固相组分制备：按质量百分比计，称取55～65％的渗源铝粉、10～20％的缓释剂硅粉、20～30％的填充剂氧化铝粉以及0.5～2％的活化剂溴化铵，充分混合后在行星式球磨机球磨6～12h，取出即得固相组分；

[0030] 2)液相组分制备：首先，分别量取100mL质量浓度为37.5％的粘结剂磷酸二氢铝溶液和12～25mL的增稠剂水玻璃，称量20～25g酸性抑制剂三氧化铬和5～12g的固化剂氧化镁；然后，将三氧化铬和氧化镁依次缓慢加入到80℃水浴的磷酸二氢铝溶液(上海太洋科技有限责任公司)中并不断搅拌，直至完全溶解；最后，加入水玻璃充分搅拌后过滤残渣，获得液相组分；

[0031] 3)涂层材料的制备：按照固、液比为10g：4～6mL的比例将固相和液相充分混合、搅拌、球磨后取出，获得上述浆状含铝涂层材料。

[0032] 本发明中的一种强韧性抗高温蒸汽氧化涂层的制备方法如下：

[0033] (1)管道表面预处理：利用高压水枪、酒精和丙酮将管道表面的油渍、锈迹、杂质等清理干净，然后在100～150℃下烘干20～30min，之后在220～250℃下预热15～20min。

[0034] (2)管道表面涂层材料均匀涂覆：采用软管倒退的方式将浆状含铝涂层材料均匀涂覆于管道表面，其中涂覆压力控制在0.4～1.2MPa之间，喷嘴出料口径为1.5～3mm，喷嘴行进速率为20～30cm/s；整个涂覆过程均为一次性涂覆，无需二次甚至多次重复，即可获得厚度为0.1～0.5mm的涂覆层。

[0035] (3)风干固化：首先，将带有涂覆层的管道在室温下自然风干12～24h，然后在350～420℃下固化30～60min。

[0036] (4)高温扩散热处理：在常规大气环境下将风干固化后的涂覆层管道直接放入950～1080℃热处理炉中保温10～15min。

[0037] (5)后处理：高温扩散热处理后直接将管道放入温度为20～35℃之间的温水中进行水冷处理，使外层氧化残渣快速、大面积/整片脱壳。

[0038] 通过上述制备方法，可获得单层结构的强韧性抗高温蒸汽氧化涂层，涂层中铝含量为6～13wt％，厚度约为33～41μm。

[0039] 实施例1

[0040] 1、涂层材料的制备：

[0041] (1)固相组分制备：按质量百分比计，称取55％的铝粉、20％的硅粉、24.5％的氧化铝粉以及0.5％的溴化铵，充分混合后在行星式球磨机球磨6h，取出即得固相组分；

[0042] (2)液相组分制备：首先，分别量取100mL浓度为37.5％的磷酸二氢铝溶液和12mL的水玻璃，称量20g三氧化铬和5g的氧化镁；然后，将三氧化铬和氧化镁依次缓慢加入到80℃水浴的磷酸二氢铝溶液中并不断搅拌，直至完全溶解；最后，加入水玻璃充分搅拌后过滤残渣，获得液相组分；

[0043] (3)涂层材料的制备：按照固、液比为10g：4mL的比例将固相和液相充分混合、搅拌、球磨后取出，获得的涂层材料。

[0044] 2、强韧性抗高温蒸汽氧化涂层的制备：

[0045] (1)管道表面预处理：利用高压水枪、酒精和丙酮将管道表面的油渍、锈迹、杂质等清理干净，然后在100℃下烘干20min，之后在220℃下预热15min。

[0046] (2)管道表面涂层材料均匀涂覆：采用软管倒退的方式将上述制备的涂层材料均匀涂覆于管道表面，其中涂覆压力为0.4MPa之间，喷嘴出料口径为1.5mm，喷嘴行进速率为30cm/s；一次性涂覆后，得到了厚度为0.1mm的涂覆层。

[0047] (3)风干固化：将带有涂覆层的管道在室温下自然风干12h，然后在350℃下固化30min。

[0048] (4)高温扩散热处理：在常规大气环境下将风干固化后的涂覆层管道放入950℃热处理炉中保温10min。

[0049] (5)后处理：将高温扩散热处理的管道直接放入温度为20℃的温水中进行水冷处理。

[0050] 实施例1所制备的单层结构强韧性抗高温蒸汽氧化涂层，涂层中平均铝含量为8.62wt％，厚度为33.94μm。

[0051] 实施例2‑实施例9过程同实施例1，具体制备参数及工艺条件见表1；按照表1中的制备参数重复实施例1的步骤，可获得铝含量为6～13wt％，厚度约33～41μm的单层结构强韧性抗高温蒸汽氧化涂层。涂层截面形貌及铝含量分布见图。

[0052] 表1

[0053]

[0054] 从图1、图2、图3和图4分析各实施例涂层的微观形貌可以看出，整个涂层为单层结构、组织均匀、厚度适中，与基体冶金结合良好，不易脱落。

[0055] 强韧性测试：1、700℃热震试验循环30次，涂层结构完好无损、无剥落；2、室温压扁测试，涂层无明显开裂及剥落现象。

[0056] 本发明可在金属部件表面获得单层结构、强韧性、无剥落且内部无缺陷的抗高温氧化涂层。可通过单次涂覆上述涂层材料，在大气环境下短时、高效制备出满足使役性能的涂层结构，污染小、能耗低、应用范围广、实用性极强。

[0057] 本发明的一种强韧性抗高温蒸汽氧化涂层制备方法从奥氏体不锈钢材质出发，通过简单成分调整、多元化协同改性以及制备工艺改进，可进一步推广应用至不同种类碳钢、高合金钢以及镍/镍铁基高温合金等材质加工的各类金属部件、异形件、复杂件等，实用性强、应用范围广、效率高。由此对本发明权利要求所进行的任何修改、等同替换及改进等，均包含在本发明的保护范围之内。