一种高温防氧化耐磨涂层材料及其制备与应用方法与流程

1.本发明涉及涂层材料技术领域，具体涉及一种高温防氧化耐磨涂层材料及其制备与应用方法。


背景技术：

2.随着工业技术的发展，金属基材的设备及构件己被广泛应用，极大的提高了社会生产效率，但很多金属基材设备及构件需要在极端恶劣的环境下工作和使用，在受到外部环境的不断腐蚀下金属基材设备及构件的使用寿命将大大降低。例如烟气管道等设备就需要时刻面对烟气的浸蚀；烟气的腐蚀效果主要表现在高温、磨损和化学腐蚀等方面：1、普通烟气的温度在70℃-500℃的范围之内，在一些特殊工况下，烟气温度有可能会达到1000℃以上，高温环境下，将对管道设备产生高温氧化腐蚀；2、烟气流速一般都在5米/秒以上，烟气中固体粉尘浓度一般在10%以上，且固体粉尘颗粒物的粒径大小一般在0.3毫米以上，使得高速流动的烟气及其携带的颗粒物具有了极强的冲击力，对烟气管道设备的表面造成磨损；3、烟气中含有灰分及各种腐蚀性成分，例如so2、hc1、no2及盐雾等，同时烟气的相对湿度一般为3-10%；这样水分与烟气中的腐蚀性成分很容易形成酸性液体，从而对设备表面造成化学腐蚀；另外，在对烟气进行脱硫处理的过程中，由于存在酸碱介质交替的特性，会加剧对烟气管道等设备的化学腐蚀。由此可见，对烟气管道设备的防腐蚀要求非常苛刻。
3.目前，最常用、最有效的防腐蚀方法是在烟气管道设备的表面上涂覆一层防护材料，但现有的涂层材料的耐腐蚀性能还有待提高。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种高温防氧化耐磨涂层材料，该涂层材料具有耐高温、耐磨、耐酸碱、防焦油粘附、膨胀系数好、使用寿命长等优点。
5.本发明的技术方案是：一种高温防氧化耐磨涂层材料，涂层材料包括铬、镍和金属陶瓷粉，所述金属陶瓷粉为表面包覆有金属粉末的陶瓷粉末；所述陶瓷粉末包括cr3c2和ceo2中的至少一种；所述金属粉末包括铁、铝和钛中的至少一种。
6.进一步的，金属陶瓷粉中金属粉末与陶瓷粉末的质量之比为1：(1.4-1.5)；进一步的，金属粉末为同时含有fe、al、ti的合金粉末。更进一步的，金属粉末中fe、al、ti的质量之比为(1.5-2) ：(2-2.5) ：1；al的粒径优选为1.5-2.5μm；ti的粒径优选为1μm。
7.进一步的，陶瓷粉末中同时包括cr3c2和ceo2，且陶瓷粉末中cr3c2和ceo2的质量之比为(2.5-3.5) ：1。
8.更进一步的，cr3c2的粒径为1-6μm；所述ceo2的粒径为10-25nm。
9.进一步的，铬、镍和金属陶瓷粉的质量之比为1:1:(0.2-0.3)。
10.本发明还提供了上述高温防氧化耐磨涂层材料的制备方法，包括以下步骤：s1、将金属粉末和陶瓷粉末均匀混合得到金属陶瓷粉；
s2、将铬、镍和上述步骤s1中得到的金属陶瓷粉通过搅拌机混合均匀，转速为150-250r/min，搅拌时间为30-45min。
11.s3、对上述步骤s2中得到的混合物料进行烘干，烘干温度为100-130℃；烘干时间为30-35min。该操作主要是去除水分，防止喷涂过程中由于水分导致孔隙的产生，从而影响涂层的致密性。
12.进一步，在步骤s1中，通过机械搅拌以及球磨的方式将金属粉末和陶瓷粉末均匀混合；所述机械搅拌混合时间为10-20min；所述球磨转速为400-800r/min；球磨混合时间为8-12h；球磨操作在保护气氛下进行，所述保护气氛采用氦气气氛或者氩气气氛。
13.本发明还提供了上述高温防氧化耐磨涂层材料的应用方法，具体为：在基体表面经超音速火焰喷涂或者超音速等离子喷涂得到高温防氧化耐磨涂层。
14.进一步的，采用超音速火焰喷涂技术，运用氧气-燃油火焰将制备好的喷涂材料沉积于基体表面形成涂层，喷涂时的氧气流量为880-950l/min，煤油流量为22-27l/h，喷涂距离为350-400mm；喷涂完成后，对涂层进行封孔处理，封孔剂的材质为水玻璃或磷酸盐封孔剂。
15.与现有技术相比本发明的有益效果：1、本发明的高温防氧化耐磨涂层材料特别适用于烟气管道设备，其具有超强的抗高温烟气、抗烟囱烟道冷凝水腐蚀效果，耐高温、耐磨、耐酸耐碱、防焦油粘附、膨胀系数好，使用寿命可以长达10年以上；2、本发明中的高温防氧化耐磨涂层材料的原料主要包括表面包裹有铁、铝和钛的陶瓷粉，铁、铝和钛包覆在陶瓷粉表面可有效降低cr3c2在热喷涂过程中的分解；同时低熔点的铁、铝和钛在氧化条件下容易转化为氧化物，从而在基体表面形成双层氧化物结构，提高抗氧化能力；3、本发明中可以采用超音速火焰喷涂方法将喷涂材料直接喷覆至基体上形成涂层；无需喷涂打底层，工艺简单容易操作；超音速火焰喷涂方法得到的涂层孔隙率小于2%，有助于提高涂层的致密性；有效减缓腐蚀性介质向涂层内部的渗透；进而提高涂层的耐腐蚀性；4、本发明的高温防氧化耐磨涂层材料与基体的结合强度为55-70mpa，不易从基体上脱落。
附图说明
16.图1是本发明实施例1提供的高温防氧化耐磨涂层截面形貌图；图2是本发明实施例2提供的高温防氧化耐磨涂层截面形貌图；图3是本发明实施例3提供的高温防氧化耐磨涂层截面形貌图；图4是本发明实施例1提供的涂层经腐蚀100h后的截面形貌图；图5是本发明实施例2提供的涂层经腐蚀100h后的截面形貌图；图6是本发明实施例3提供的涂层经腐蚀100h后的截面形貌图。
具体实施方式
17.以下将结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，实施例中未具体说明的方法
或功能部件均为现有技术。
18.实施例1本实施例提供一种高温防氧化耐磨涂层材料的制备及应用方法，包括以下步骤：(1)将粒径为2.0μm的铁，粒径为1.5μm的铝和粒径为1.0μm的钛按照质量比1.5：2.5：1充分混合，得到金属粉末；向其中添加陶瓷粉末，所述陶瓷粉末为粒径为1.5μm的cr3c2粉末与粒径为15nm的球状ceo2，且cr3c2与ceo2粉末的质量比为2.5：1；将金属粉末和陶瓷粉按1：1.5的比例，进行15min的机械搅拌混合，然后再氦气保护下进行高能球磨5小时，其中高能球磨的球磨的时间为4.5h，转速为350r/min，球料比为30：1，制成铁、铝和钛包裹的金属陶瓷粉。
19.(2)将铬、镍和上述步骤(1)中得到的金属陶瓷粉按照质量为35：35：8进行搅拌混合，搅拌机的转速设置为200r/min，混合搅拌时间为35min，混合均匀后得到热喷涂粉末，即高温防氧化耐磨涂料；(3)以20号碳钢作为基材工件，对其表面进行除油、喷砂处理，得到表面粗糙度为1.5ra的基体材料；(4)采用烘箱对上述步骤(2)中得到的热喷涂粉末进行烘干，去除水分，其中烘干温度为100℃，烘干时间为20min；(5)采用超音速火焰热喷涂方法对工件表面进行喷涂，工艺参数为：燃料气体丙烷的压力为0.40mpa，助燃气体氧气的流量为880-920l/min，煤油的流量为22l/h，枪距为300mm，喷涂厚度350μm；(6)将喷涂后带涂层的工件进行冷却处理，采用空冷自然冷却，得到ni-cr-fe-al-ti-cr3c2-ceo2复合涂层，其中涂层各组分的质量分数为ni：36%，fe：4.7%，a1：7.8%，ti：3.1%，cr3c2：6.5%，ceo2：2.6%，余量为cr，涂层截面如图1所示：将制备得到的复合涂层连同基体材料试样在600℃、空气气氛含碱盐环境中进行100h腐蚀测试，腐蚀测试结束后试样截面图如图4所示，对比图1和图4可知，试样表面涂层的腐蚀产物层很薄，无明显腐蚀，表面状态良好，无脱落：并对涂有复合涂层的试样的结合强度以及表面硬度进行测试，其中测得结合强度为55mpa。
20.实施例2本实施例提供一种高温防氧化耐磨涂层材料的制备及应用方法，包括以下步骤：(1)粒径为2.5μm的铁，2.0μm的铝和粒径为1.0μm的钛按照质量比1.5：2：1混合，得到金属粉末；向其中添加陶瓷粉末，陶瓷粉末由粒径为2.5μm的cr3c2粉末与粒径为20nm的球状ceo2，按质量之比为3:1混合而成。将金属粉末和陶瓷粉末按1:1.4的比例进行20min的机械搅拌混合，然后再氦气保护下进行高能球磨8小时，其中高能球磨的球磨的时间为7h，转速为550r/min，球料比为25：1，制成铁、铝和钛包裹的金属陶瓷粉；(2)将铬、镍和步骤(1)中得到的金属陶瓷粉按照质量比为45：45：10进行搅拌混合，转速为250r/min，混合时间为40min，混合均匀后得到热喷涂粉末，即高温防氧化耐磨涂料；(3)以20号碳钢作为基材工件，对其表面进行除油、喷砂处理，得到表面粗糙度为2.0ra的基体材料；(4)采用烘箱对步骤(2)得到的热喷涂粉末进行烘干，去除水分，其中烘干温度为
120℃，烘干时间为30min；(5)采用超音速火焰热喷涂方法对工件表面进行喷涂，工艺参数为：燃料气体丙烷的压力为0.40mpa，助燃气体氧气的流量为900-920l/min，煤油的流量为26l/h，枪距为400mm，喷涂厚度400μm；(6)将喷涂后带涂层的工件进行冷却处理，采用空冷自然冷却，得到ni-cr-fe-al-ti-cr3c
2-ceo2复合涂层，其中涂层各组分的质量分数为ni：33%，fe：4.7%，a1：6.3%，ti：3.1%，cr3c2：7.0%，ceo2：3.2%，余量为cr，涂层截面如图2所示：将制备得到的复合涂层连同基体材料试样在600℃、空气气氛含碱盐环境中进行100h腐蚀测试，腐蚀测试结束后试样截面图如图5所示，对比图2和图5可知，试样表面涂层的腐蚀产物层很薄，无明显腐蚀，表面状态良好，无脱落：并对涂有复合涂层的试样的结合强度以及表面硬度进行测试，其中测得结合强度为60mpa。
21.实施例3本实施例提供一种高温防氧化耐磨涂层材料的制备及应用方法，包括以下步骤：(1)粒径为2.0μm的铁，2.0μm的铝和粒径为1.0μm的钛按照质量比2：2：1混合，得到金属粉末；向其中添加陶瓷粉末，所述陶瓷粉末由粒径为3.5μm的cr3c2粉末与粒径为10nm的球状ceo
2，
粉末按质量比为3.5:1混合而成；金属粉末和陶瓷粉末按1:1.5的比例进行10min的机械搅拌混合，然后再氦气保护下进行高能球磨12小时，其中高能球磨处理的球磨时间为10h，转速为600r/min，球料比为30：1，制成铁、铝和钛包裹的金属陶瓷粉。
22.(2)铬、镍和步骤(1)得到的金属陶瓷粉按照质量比为40：40：9进行搅拌混合，转速为250r/min，混合时间为45min，混合均匀后得到热喷涂粉末，即高温防氧化耐磨涂料；(3)以20号碳钢作为基材工件，对其表面进行除油、喷砂处理，得到表面粗糙度为2.0ra的基体材料；(4)采用烘箱对步骤(2)得到的热喷涂粉末进行烘干，去除水分，其中烘干温度为120℃，烘干时间为30min；(5)采用超音速火焰热喷涂对工件表面喷涂，工艺参数为：燃料气体丙烷的压力为0.40mpa，助燃气体氧气的流量为900-950l/min，煤油的流量为26l/h，枪距为350mm，喷涂厚度450μm；(6)将喷涂后带涂层的工件进行冷却处理，采用空冷自然冷却，得到ni-cr-fe-al-ti-cr3c
2-ceo2复合涂层，其中涂层各组分的质量分数为ni：35%，fe：4.7%，a1：4.7%，ti：2.35%，cr3c2：6.9%，ceo2：3.1%，余量为cr，涂层截面如图3所示：将制备得到的复合涂层连同基体材料试样在600℃、空气气氛含碱盐环境中进行100h腐蚀测试，腐蚀测试结束后试样截面图如图6所示，对比图3和图6可知，试样表面涂层的腐蚀产物层很薄，无明显腐蚀，表面状态良好，无脱落：并对涂有复合涂层的试样的结合强度以及表面硬度进行测试，其中测得结合强度为66mpa。
23.以上仅为本发明的部分实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有前述各种技术特征的组合和变型，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，对本发明的改进、变型、等同替换，或者将本发明的结构或方法用于其它领域以取得同样的效果，都属于本发明包括的保护范围。

技术特征：
1.一种高温防氧化耐磨涂层材料，其特征在于：涂层材料包括铬、镍和金属陶瓷粉，所述金属陶瓷粉为表面包覆有金属粉末的陶瓷粉末；所述金属粉末包括铁、铝和钛中的至少一种；所述陶瓷粉末包括cr3c2和ceo2中的至少一种；所述金属陶瓷粉中金属粉末与陶瓷粉末的质量之比为1：(1.3-1.5)。2.根据权利要求1所述的高温防氧化耐磨涂层材料，其特征在于：所述金属粉末为同时含有fe、al、ti的合金粉末。3.根据权利要求2所述的高温防氧化耐磨涂层材料，其特征在于：所述金属粉末中fe、al、ti的质量之比为2：2：1。4.根据权利要求1所述的高温防氧化耐磨涂层材料，其特征在于：所述陶瓷粉末中同时包括cr3c2和ceo2，且陶瓷粉末中cr3c2和ceo2的质量比为3.5：1。5.根据权利要求4所述的高温防氧化耐磨涂层材料，其特征在于：所述cr3c2的粒径为1-6μm；所述ceo2的粒径为10-15nm。6.根据权利要求1所述的高温防氧化耐磨涂层材料，其特征在于：铬、镍和金属陶瓷粉的质量之比为40：40：9。7.一种高温防氧化耐磨涂层材料的制备方法，用于生产权利要求1-6任一项所述的涂层材料料，其特征在于，包括以下步骤：s1、将金属粉末和陶瓷粉末均匀混合得到金属陶瓷粉；s2、将铬、镍和步骤s1中得到的金属陶瓷粉通过搅拌机混合均匀，转速为150-250r/min，搅拌时间为30-45min；s3、对步骤s2中得到的混合物料进行烘干，烘干温度为100-130℃；烘干时间为30-35min。8.根据权利要求7所述的高温防氧化耐磨涂层材料的制备方法，其特征在于：在步骤s1中，通过机械搅拌以及球磨的方式将金属粉末和陶瓷粉末均匀混合；所述机械搅拌混合时间为10-20min；所述球磨转速为400-800r/min；球磨混合时间为8-12h；球磨操作在保护气氛下进行，所述保护气氛采用氦气气氛或者氩气气氛。9.一种高温防氧化耐磨涂层材料的应用方法，其特征在于： 将如权利要求1-6任一项所述的高温防氧化耐磨涂层材料在基体表面经超音速火焰喷涂或者超音速等离子喷涂形成高温防氧化耐磨涂层。10.根据权利要求9所述的高温防氧化耐磨涂层材料的应用方法，其特征在于：采用超音速火焰喷涂技术，运用氧气-燃油火焰将制备好的喷涂材料沉积于基体表面形成涂层，喷涂时的氧气流量为900-950l/min，煤油流量为25-27l/h，喷涂距离为350-370mm；喷涂完成后，对涂层进行封孔处理，封孔剂的材质为水玻璃或磷酸盐封孔剂。

技术总结
一种高温防氧化耐磨涂层材料，涂层材料包括铬、镍和金属陶瓷粉，所述金属陶瓷粉为表面包覆有金属粉末的陶瓷粉末；所述陶瓷粉末包括Cr3C2和CeO2中的至少一种；所述金属粉末包括铁、铝和钛中的至少一种。本发明的高温防氧化耐磨涂层材料特别适用于烟气管道设备，其具有超强的抗高温烟气、抗烟囱烟道冷凝水腐蚀效果，耐高温、耐磨、耐酸耐碱、防焦油粘附、膨胀系数好，使用寿命可以长达10年以上。使用寿命可以长达10年以上。使用寿命可以长达10年以上。


技术研发人员：郑宇 熊新 徐智
受保护的技术使用者：武汉美尔汀环保科技有限公司
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/9