热喷涂丝材－LX88A超硬耐磨喷涂材料技术报告

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

提 要

 

一    引言

二    循环流化床锅炉受热面磨损部位及诱因

三    循环流化床锅炉受热面的磨损机理

四    热喷涂技术及方法的选择

五    电弧喷涂材料简评

六    LX88A的材质设计与加工特点

七    LX88A涂层的基本特性

八    电弧喷涂工艺条件

九    涂层性能检测

十    涂层的耐磨性能

十一  实用与效果

附件一：LX88A研制者　贾永昌教授简历

附件二：LX88A近二年主要用户

● LX88A是北京廊桥表面技术发展有限公司自行研制的新型电弧喷涂线材。

● 涂层具有优异的抗冲蚀性、抗磨粒磨损性及抗高温性能。

● 当今国际上用于循环流化床（CFBC）受热面抗磨损最有效的涂层是超音速火焰（HVOF）喷涂NiCr-Cr₃C₂粉，经西安交大测试，LX88A电弧喷涂层的耐冲蚀磨损性能完全达到HVOF喷涂NiCr-Cr₃C₂涂层水平。

● 制丝工艺引入团聚法，组成粉芯的各组份经团聚合成，使涂层成分均质化，克服了传统的粉芯丝材成分不均质问题。

● 涂层的致密性、结合强度、导热性与热胀系数均达到最佳化。经实践验证，完全符合CFBC的运转要求。

● 推荐用于以劣质煤为燃料的循环流化床受热面及类似的工况条件。

● 自2002年推向市场以来，短短的两年多已在全国二百余家电厂、钢铁厂和水泥厂等行业进行了四百多次施工应用，总喷涂面积达72000平方米，深受施工单位及最终用户的好评。

● 本材料通过中国材料研究学会，中国表面工程协会和全国热喷涂协作组联合举办的鉴定会。

 

 

 

LX88A涂层材料，主要是针对循环流化床锅炉（CFBC）严重的磨损而开发的，它同时也适用于其它类似的工况条件。

作为一种新型燃烧技术，循环流化床锅炉在环保性能、燃烧效率、燃烧适应性、高效脱硫及灰渣的综合利用等方面，对传统的煤粉锅炉发电构成强力竞争。近20年来，我国已投入力量积极研究与开发循环流化床燃烧技术，并取得显著成效。这项技术在未来数年内将会出现一个更加迅速的发展阶段。

循环流化床锅炉内的固体颗粒浓度是煤粉锅炉的数10倍以上，且以高速运行，对炉内受热面造成严重磨损。经验表明，磨损造成的事故占停炉总数的一半以上。运行2000—4000h约磨掉2~3㎜，国外对卫然带上部过渡区实测的磨损率高达5.2μm/h，针对如此严重的磨损问题，国内外有关专家做了各方面努力，除在设计上选用最好的耐磨材料，进行种种炉型方面的改造，进行热处理、电镀、卦套、喷焊等多方面措施外，近年来令人瞩目的是采用热喷涂技术，其中最有成效的当属HVOF喷涂NiCr-Cr₃C₂ 涂层，这一技术在某些国家得到了广泛应用。

然而，HVOF喷涂NiCr-Cr₃C₂运作成本太高，不适用于我国。必须寻求一种新工艺取而代之，LX88A正是在这种需求下研制成功的。

 

 

 

除耐火材料分布区域外，循环流化床锅炉内金属部件的主要磨损部位及诱因列入下表：

 

 

 　 循环流化床锅炉内存在不同方向、不同速度、不同角度、不同颗粒浓度的气流、射流和气泡，以各种形式作用于工作表面，形成复杂的磨损过程。简单而言，这些过程可归结为磨粒磨损与冲蚀磨损2种类型。磨粒磨损是一种硬表面或含有硬质点的软表面，以滑动的形式作用于更软的表面上，其结果，硬面或硬质点的突出部分在软面上冲刷，“挖出”物料，而这些物料又充当磨粒，不断对软面进行磨损的过程。

夹带于气流或液流中的固体颗粒，以高于1m/s的速度撞击到固体表面时，即产生冲蚀磨损。但冲击角度偏低、甚至大致与受热面平行时，对表面产生切屑“效应”，造成所谓“冲刷”磨损，实质上，它是一种磨粒磨损，磨粒磨损是在外力作用下磨粒沿表面的移动，这种力是外力而且是恒定的。被磨面的硬度是抗磨的首要因素。当冲击角偏大、直至垂直于被磨面，其过程是一系列的颗粒对表面的冲击与反弹，作用于表面力量由于颗粒的减速，其结果使表面产生微小塑性变形或微裂纹，并最终使变形层整片脱落而使工作面减薄，这种所谓“冲击磨损”是更典型的冲蚀磨损。在这种情况下，被磨面的韧性则更重要。

处于磨损状况下的流化床锅炉受热面，除上述磨损外，还会有微振磨损及高温、腐蚀气体等，实际过程更复杂。

 

对于循环流化床锅炉受热面的金属表面抗磨，热喷涂技术在近年来受到重视并取得很大成就。较之热处理、电镀、热浸等方法，它的优势在于：⑴热喷涂方法和材料有充分的选择余地；⑵生产速度快，施工成本低；⑶可在现场炉内施工。

  热喷涂技术是一种工件表面强化和保护的工艺方法。它以气/液态燃料、电弧或等离子弧作热源，将喷涂材料加热到熔化或塑态，借助于压缩空气或火焰推力将之喷射到预处理工件表面上，形成各种性能的涂层。由于喷涂材料可以是金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料等各种工程材料，涂层可具有耐磨、抗蚀、抗高温、隔热、绝缘等多种功能。依热源的不同，热喷涂可分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、高速火焰喷涂（HVOF）等。各种热喷涂方法的技术特点见下表：

表内列出的仅是各热喷涂方法所给出的最基本的特性，但由于喷涂材料种类繁多，对应于某一种喷涂方法，可有很多可供选择的材料，可生产出功能各异的涂层，涂层性能在很大程度上取决于喷涂材料的选择。原则上，表中列出的各种喷涂方法都能被用来制取循环流化床锅炉受热面的抗磨涂层，具体分析如下：⑴火焰粉末或线材喷涂：由于工艺自身的局限，可供选择的喷涂材料较少，涂层性能差，难以取得理想结果。但火焰喷涂Ni基自熔合金粉，涂层经重熔，能达到很好的耐磨效果，只是该法须加热至近1000℃，工效低，工件易变形，除个别部位使用外，一般不采用。⑵等离子喷涂（包括真空等离子喷涂）：能获得很好的耐磨涂层，但成本高，不能现场施工，通常较少采用。⑶高速火焰喷涂（HVOF）：此法喷涂NiCr-Cr₃C₂粉，能达到很好的耐磨效果，即使在卫燃带上部最严重的磨损部位，HVOF喷涂的NiCr-Cr₃C₂涂层的工作寿命可达一年以上（普通炉管则要磨损30～40µm）。此法已在日本、韩国及美国等得到采用。其不足是：操作成本高，NiCr-Cr₃C₂粉昂贵，沉淀率仅35%左右，在我国难以推广。⑷电弧喷涂：操作成本低，施工方便，生产速度较快，是我国目前对电厂锅炉进行喷涂的主要方法。

 

热喷涂材料可多达数百种，但适用于电弧喷涂的丝材(线材)并不很多。以金属和合金为主要构成元素的丝材，其涂层功能多是抗大气、盐雾、海水或化学介质腐蚀，以及恢复尺寸或抗 磨损等，后来发展了一些特殊合金材料，用于抗高温及气体腐蚀等工作环境，但能够抵抗强烈磨损的涂层材料，仍不如愿。

幸好在上世纪八十年代前后，出现了复合丝、粉芯丝等制丝技术，尤其是粉芯丝的出现，为电弧喷涂技术的应用拓展了领域。

粉芯丝是外层为金属、内芯装有粉粒的丝材，由于粉芯的材质可选用陶瓷、金属陶瓷或特殊金属与合金元素，并且在喷涂时构成它们的元素之间，以及这些元素与外皮金属之间产生一系列反应，使涂层性能得到复合与叠加，可衍生出许多优异的特性。

LX88A正是在这种大背境下开发而成的。

 

LX88A由硬质陶瓷相与塑性相两大组分构成，并加入放热性成份。在喷涂过程中，发生放热反应，强化涂层与基体、以及涂层间颗粒的结合。涂层由硬质相与包裹在外围的塑性相组成。坚固的硬质相具有特殊的晶形，其分布必须符合一定的体积密度要求，当外界的颗粒以一定的速度冲击到这些硬质相时，能有效地抵御外来粒子所造成的磨损效应，而塑性相则保护硬质点不会因工作的疲劳等因素被剥离。同时，LX88A涂层的微观结构与冲蚀颗粒之间有一定的配比关系，使冲蚀颗粒不对涂层产生“伤害”，保证了涂层具有优异的耐冲蚀及磨粒磨损性能。

LX88A的内芯包含有多种元素或组份，它们的大小和比重差异较大，在制丝前的处理中(尽管有混料工序)往往产生涂层的不均质，只待涂层很小局部在组成上与原设计有差异，涂层极易失效。而这种失效源很快波及其它部位，最终影响全局。为此，在制取LX88A过程中，先将各组份进行团聚，其中每一颗粒都包含大体相同比例的全部元素，从而保证了涂层的成份，结构与性能不并生偏析。

 

 

 

 

 

 

考虑到CFBC或类似的工况条件，在LX88A材质设计上及其所形成的涂层，具有以下重要特性：

1、具有足够高的涂层硬度及与之相配合的韧性。磨损机理的分析表明，硬度不够高的涂层不具备经受磨损所必需的条件，但仅有硬度容易产生疲劳而失效。涂层系统中应具备硬度和韧性两种特性，而且它们之间的搭配形式与组合，以及构成涂层的晶型与结构，是构成LX88A具有抗磨性最重要的特征。在某种程度上说，构成涂层(或喷涂材料)的化学成份并不足以提供耐磨性能，而涂层的相、晶型及微观结构则是更重要的要素。

2、LX88A对炉管基体有很高的结合强度，不会在工作中经物理或化学的作用而脱落，即使出现意外情况，例如出现漏水而骤然冷却也不会。

3、对基体材料有大体一致的热膨胀系数，不会由于热冲等工况导致涂层因热胀系数差异产生应力而脱落。

4、涂层的导热性良好，不会给炉管的热传导产生不良影响。

5、涂层不会损害炉管基体，因为喷涂时基体温度不会超过一定界线(通常<200℃)。

6、涂层和基体投入工作后，在二者之间不会出现有害的物质扩散，也不会产生裂纹扩延至基体。

7、最重要之点，还在于LX88A涂层本身性能具有非常高的耐磨性，耐热冲性及抗高温氧化能力。使其能胜任工况的要求。

由于各电弧喷涂设备的性能不尽相同，仅给出下列工艺参数供参考。操作人员可据焰流状况、丝材的熔化情况做必要的调整，直到得出满意的涂层。需要指出的是，粉芯丝材要比实芯丝材难喷一些，工艺及操作要求较严；LX88A涂层表面有明显的硬质点，平整度不够高，但这是正常表现。

电弧电压：28-36V

工作电流：200-300A

喷涂移运速度：10-15㎝/秒

喷涂角度：45-90°

喷涂距离：100-150㎜

风压：>5㎏/㎝²

喷涂时采用分片多遍喷涂原则(1㎜厚涂层应至少喷8遍)。

 

采用电弧喷涂LX88A所得涂层的主要性能，经相关权威部门检测，结果如下：

● 涂层厚度：可喷涂较厚涂层，即使达2㎜，其结合强度并无显著变化。

● 结合强度：经北京625研究所测定，平行6组数据，依次为：61.5、60.7、59.2、61.3、60.7(Mp_a )  平均为60.5Mp_a。

● 孔隙部：<1%(北京矿冶研究院测试)

● 抗高温性能：在800℃抗氧化性能是10号钢的20倍。在冲击角为90゜时，只有在>800℃时抗冲蚀性开始下降，当冲击角为25゜时，即使>1000℃，抗冲蚀性亦不减退。(国外提供数据)

●硬度：经北京625所测定，平行10组数据，依次为HV_0.3  1031、1027、984、870、1168、1192、880、844、1210、945，平均值HV_0.3  1015(相当于HRc70)。

●耐冲蚀磨损性：冲蚀角90°，温度为25℃时，是高铬镍合金(21Cr 8Ni3.2Md2.5B)的12倍 ,温度为315℃时，是镍铬合金(15Cr5Ni)的17倍。

●涂层的热胀系数：涂层的热胀系数为12.27×10^-6K(20-100℃)  国外提供数据)，与锅炉钢管相类似。

 

LX88A涂层的耐磨损性能，是该材料的最重要价值的体现，其功能就是要解决CFBC及类似工况条件的磨损问题。针对CFBC存在的严重的冲蚀磨损及某种程度的磨粒磨损，选择了国外当前对CFBC采用最普遍最有效的HVOF喷NiCr-Cr₃Cr₂涂层作为对比，以考察LX88A涂层的耐磨效应。

1、西安交通大学测试结果(详见测试报告)

● 对比试样：

采用国外生产的超音速火喷涂设备及NiCr-Cr₃C₂(20/80)粉，制取涂层，以做对比试件。

● 冲蚀磨损试验机：西安交大自制，类似于日本ACT-JP试验机。以

单位重量(克)磨料冲蚀的涂层失重(mg)来表示冲蚀值，此值越大，表明该涂层耐磨性越差。

● 磨粒磨损试验机：西安交大自制，依据美国ASTM-CT65-71标准设计。以一定时间(15分钟)涂层失重表示磨粒磨损值(mg)，此值越高，表明该涂层耐磨性越差。

两种磨损测定的结果列入下表:

2、国外测试结果

针对国外一些著明的耐磨涂层材料，采用不同的工艺方法(HVOF、电弧喷涂、喷焊、激光熔敷导)，以及不同温度(25℃、315℃)和不同角度(25°、90°)，对LX88A涂层做了对比试验(详见另文)，从中可得出：

●耐冲蚀性能：LX88A涂层大体是45号钢、Fe21Cr8Ni3.2Mo合金钢，Fe29Cr高铬钢，Fe14Cr4.5Ni不锈钢等涂层材料的10-17倍，与HVOF喷WC-Ni涂层、激光熔敷WC-NiCr焊层相当。

●耐磨粒磨损性能：胶轮干砂磨损大体是不锈钢涂层的24倍，是21Cr8Ni合金钢涂层的21倍，与HVOF喷WC-Ni相当。

 

 

 

LX88A耐磨涂层材料推向市场以来，在两年多的时间内，全国已有200余家电厂、钢铁厂和水泥厂等行业，进行了400多项施工应用，总喷涂面积达72000㎡，取得了良好的应用成效。

●CFBC受热面

大量LX88A涂层被用于CFBC受热面的喷涂。实践表明，由于煤质组成及炉型的差异，以及炉子运转制度及部位的不同，磨损情况不尽相同。就部位而言，以卫燃带、高低过等部位最严重。

喷涂过程中，LX88A涂层厚度应保持在1.0㎜左右。

●钢铁厂高炉的荒煤气管，因含有高浓度的铁矿石粉，对导出管道，特别是弯头及S弯处，造成严重磨损。通常8㎜厚的无缝钢管只坚持40天，20㎜厚的16Mn钢板厚补只用4个月，喷涂LX88A涂层可使用8个月左右。

●冶金团矿车间强力风机叶片，喷涂LX88A0.5㎜厚，可延长风机工作成寿命2倍。

●电厂风机叶片

喷涂LX88S涂层0.5-0.8㎜厚，可延长引风机工作寿命3-4年，排风机可达1.5年以上。

●煤粉炉省煤器

煤粉炉通常因交变温度热冲、氧化及气体腐蚀导致炉管失效，但对省煤器，因煤粉到达此处已呈烧焦状态，质地坚硬、且夹带气流飞速高，致使该部位磨损严重。在这种情况下，喷涂LX88A0.8㎜厚，可延长工作寿命3倍上下。

以上是近三年内各用户的部份应用情况，可供相关行业参改借鉴与实际应用。