非晶涂层研究及应用现状

点击量:1979 发布时间:2017-01-22 作者:状迈(上海)增材制造技术有限公司
国内外非晶涂层研究情况
近年来,国内外对热喷涂非晶合金涂层材料进行了大量研究,尤其在镍基和铁基体系上,取得显著成果。但能具备量产并达到工业化工程应用的不多,国外有Liquidmetal Coatings LLC(美国)公司、国内有北京中机联供非晶科技股份有限公司,Liquidmetal Coatings LLC(美国)公司生产的铁基非晶涂层材料,非晶形成能力强,使用他们的产品制备的非晶涂层具有卓越的防腐、耐磨性能、耐高温,而且强度高、可后续加工(车、销、磨、抛等),在石油化工、电力、机械、汽车等领域已经有许多工程应用案例。北京中机联供非晶科技股份有限公司的产品报道较少。中科院金属所、中科院材料所、同济大学、北京科技大学等单位均有课题组在研究非晶涂层,但大多还在实验室阶段,其应用案例报道较少。科盾公司拥有Liquidmetal Coatings LLC(美国)的核心材料和自己研发的独有涂层制备技术,在国内非晶涂层领域的领先优势明显。
在镍基体系有Ni-Zr-Ti-Si-Sn、Ni-Cr-Mo-B等非晶涂层。研究表明,与镍基多晶合金涂层相比,镍基非晶涂层具有极其优异的抗腐蚀性能。如J.Jayaraj等采用气雾化粉末和低压等离子喷涂技术在钢基体上喷涂了Ni59Zr20Ti16Si2Sn3多晶和非晶涂层,并对其抗腐蚀性能进行了比较,结果表明,在0.5mol/L的H2SO4中成分相同的多晶合金涂层腐蚀率为2000μm/a左右,而非晶合金涂层降低到几个μm/a,抗腐蚀性能提高了上千倍。
在铁基非晶涂层体系,早在70年代Naka等发现了Fe10Cr7P3C块状非晶具有极其优异的抗腐蚀能力,在1mol/L HCl中腐蚀速率约10-5mm/a,而304不锈钢为1mm/a左右。1996年Kishitake发现Fe10Cr7P3C非晶涂层也具有同样优异的抗腐蚀性能,随后许多研究者对铁基非晶涂层及抗腐蚀性进行了大量研究,发现Fe-Cr-Mo-(C-B)、Fe-Cr-P-C、Fe-Cr-Mo-P-C、Fe-Cr-Si-B-Mn等非晶涂层均具优良的抗腐蚀性能。最近还发现更多组元的Fe-Cr-Mn-Mo-W-B-C-Si系列结构非晶金属具有极好的抗腐蚀性能,如SAM2X5(Fe49.7Cr17.7Mn1.9Mo7.4W1.6B15.2C3.8Si2.4)非晶合金涂层在海水中的腐蚀速率不到316L不锈钢的1/50,约0.18μm /a,而316L不锈钢在海水的腐蚀率为10μm/a左右。 铁基类非晶涂层另一个优点是高硬抗磨,涂层硬度普遍达到1000HV水平,抗磨性能优异;如Kim等采用Liquidmetal Coatings LLC公司的Fe49Cr48Si1.7Ni0.6Co0.3Mo0.1铁基合金粉末,在碳钢基体上用热喷涂法制备了500μm厚的非晶涂层,硬度达到1000HV。
国内外电力行业非晶涂层的应用情况
循环流化床(Circulating Fluidized Bed,简称CFB)燃烧技术是近三十年来发展起来的一种高效、低污染的新型清洁煤燃烧技术。与传统燃煤锅炉(煤粉炉)相比具有煤种适应性广,能有效燃烧包括劣质煤和固体垃圾在内的许多低热值燃料,还具有污染物排放量低、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点,能够有效地缓解目前所面临的能源危机和环境问题,被广泛应用在电力、石油、化工以及垃圾处理等领域。但锅炉“四管”水冷壁管、过热器管、再热器管、 省煤器管)的严重冲蚀磨损影响了机组的正常运行,该问题引起的停炉维修造成了巨大的经济损失。据统计,一台75t/h的锅炉,每小修一次需要停炉10~14天, 每大修一次需要停炉20~30天。 每停炉一天, 将少发电近30万度,直接经济损失18万元/天,而由于停电给工农业生产带来的间接损失往往比直接损失还要大几十倍。解决这一问题的有效途径是在受磨损部件的表面制备一层性能优异的耐磨蚀涂层,非晶合金与传统合金材料相比,具有高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀等独特而优异的性能,采用热喷涂技术制备非晶涂层可以将非晶合金推向耐磨损防护的应用领域,缓解长期以来困扰CFB四管冲蚀磨损带来的难题。
美国Metal­spray公司在90年代初用高速火焰喷涂(HVOF)制备的DS­300,(75Cr3C2/TiC­25NiCrMoAl),DS­128(WC­17Co),
DS­105(Cr3C2),DS­200(75 Cr3C2­25NiCr),Fe19Cr15W7Ti6Ni抗冲蚀­氧化涂层,随后该公司又推出了高速火焰电弧喷涂涂层新技术,即ComARC喷涂Duocor涂层, 用于电厂煤粉锅炉、循环流化床锅炉和垃圾焚烧锅炉炉管高温抗冲蚀磨损防护;日本也采用超音速火焰喷涂75Cr3C2/25NiCr合金粉制备高温耐磨蚀涂层,均取得了一定的效果;英国针对电厂锅炉管道的腐蚀及冲蚀用等离子喷涂50Cr­50Ni作为受热面耐腐蚀防护涂层,等离子喷涂Al2O3,Cr3C2和75Cr3C2­25NiCr作为抗飞灰冲蚀涂层;瑞典运用电弧和火焰丝材喷涂相结合的技术在80年代对锅炉水冷壁、过热器管道喷涂Fe22Cr6Al合金,具有较好的抗硫化和抗氧化性能;国内的研究人员针对我国国情,在CFB锅炉防护技术方面也进行了许多尝试和研究。自90年代以来,逐渐找到了比较有效的技术手段,如电弧喷涂高铬镍丝材,喷焊Ni60,高速电弧喷涂Fe­Al/WC等,但使用效果也不是很理想。科盾工业设备制造(天津)有限公司用超音速电弧喷涂FeCrBSiMn,在水冷壁管上制备非晶涂层,取得较理想的防护效果。
2013年4月,实施了内蒙古华电乌达热电有限公司(乌达电厂)150MW 的CFB锅炉的水冷壁非晶涂层施工,至2015年6月停炉,运行26个月,非晶涂层平均减薄约为30%,按此磨损速率推算,在CFB锅炉水冷壁上做1次非晶涂层可以使用5年以上(采用常规的晶体合金材料涂层,1年需要做2次)。有效地解决了长期困扰CFB锅炉电厂水冷壁管磨损的难题,大大减少了因水冷壁管磨损原因而引发的爆管事故,缩短了每次检修的时间,给企业节省了运维费用,在1个大修周期,带来的直接经济效益1040万。
广西投资集团有限公司旗下的广西柳州发电有限责任公司柳州电厂使用的煤质含硫量高达3.5%,2014年8月采用超音速电弧喷涂技术在其煤粉炉的水冷壁上制备非晶涂层,2015年8月停炉(使用12个月),经检测,非晶涂层减薄约为11%,同时,与同期喷涂的45CT涂层比,结焦(灰)厚度也大大减少,按此磨损率推算,非晶涂层的使用寿命远大于一个大修周期(5年),延长了防护涂层的使用寿命,减少了因水冷壁腐蚀磨损原因导致的非计划停炉次数,经济效益和社会效益显著。
应用前景
铁基非晶涂层以铁为主的多元金属为原料,采用雾化手段制备,成本相对其他基非晶要低的多,具有卓越的防腐、耐磨、抗高温、摩擦系数小和再加工能力强等特点,铁基非晶涂层可应对腐蚀和磨损并存的恶劣工况环境,可用于航空航天、石油天然气、化工、电力(煤电、水电、核电)、煤炭、船舶、汽车、造纸、纺织、冶金、钢铁、机械等行业。
目前,采用非晶涂层技术的电厂有华电集团的乌达电厂、华能集团东海拉尔电厂、神华集团神东电力公司神木店塔电厂、京能热电股份有限公司的京玉电厂、京能热电股份有限公司的京海电厂、京能热电股份有限公司的京泰电厂等。
据统计,国内100MW以上CFB锅炉有350台,装机容量6300万千瓦,100MW以下的CFB锅炉有3000台。如果100MW以上的CFB锅炉水冷壁管全部使用非晶涂层做防护,每年所节省的运维费用高达7.28亿,因减少停机时间而增加发电量给工业、农业带来的间接经济效益可达上百亿。
 
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