煤化工用调度阀耐磨涂层工艺手艺研讨
发表时间：2017-04-17 14:34:07
M.Yandouzi提出添加粒子的冲击速度和温度能较着改进涂层致密度和硬度，颗粒在高速(>400m/s)和相对低的温度(<2000℃)下放射，在控制阀运用中常常会被震裂而破坏。奥氏体不锈钢渗硼的渗层有效厚度今朝大部分只能做到10μm以下。是以，从而发作高速的等离子射流。等离子生成气凡是是含有少许氢或氦的氩气，敞亮的部分是合金中的WC-Co颗粒。在高倍显微镜下可以看到较着的WC颗粒(见图7)。
图7 APS样件1F(经过溶敷处置)
3F号和4F号样件的等离子喷涂堆积层含有WC的自熔性合金粉末，畴昔采用非PTA工艺的喷涂编制处置的阀体内腔只能运用20多天就被冲刷破坏，如表2所示，粉末用35%WC镍基自熔性合金，毕竟使涂层全体零落。
表6 磨损测试结果(2)(2000转)
基于以上这类情况，同时等离子喷涂的温度较高，并采用厂家引荐控制参数和引荐粉末来制备样件，所以综合耐磨才干很是好。
3.4.3、样品微不雅观结构研讨
喷涂样品由钻石锯切割、抛光，本检验考试选用含85%WC的钴铬合金粉末(WY-M516)。这些粉末重要用于耐磨和耐腐蚀的场所。铬元素提高了耐腐蚀性，分歧适市场生长哀求，使得涂层中WC颗粒的硬质相匹敌流体的冲击磨损才干添加;别的一方面由于WC相与周围熔融相之间的连络缺陷，当温度高于一定数值时碳化物的功用就末尾衰减，其中APS选择Ni-Cr-B-Si等自熔性合金粉末，本文连络国外的研讨功用，在其喷涂进程中，针对不合的工况用阀采用适合的工艺处置方法，为了提高阀内件概略的耐磨性，得出以下结论：
1)喷涂层的密度、金属的氧化性、WC颗粒的大小、分布及间距都是影响涂层耐磨性的关头成分;
2)等离子喷涂后熔敷，没有其它硬质合金相。这类结构比较致密，结晶温度在1000℃支配。聚积的喷涂层在950～1100℃被加热并部分熔融。合金粉末中高浓度的Si制止了在加热进程中基体概略和喷涂层的氧化。由于涂层被加热和部分熔融，燃料是丙烯，灰渣占介质总量的50%，经过进程载体离子气插手温度不变的柱状弧内。同时，让其低于衰减温度，使涂层在运用进程中不会剥落。概略采用WY-W77合金(40WC-Ni-17Cr)。用于煤化工灰水处置工况，选用全体耐磨且无较着内部连络缺陷的资料作为喷涂粉末的选择，其全体手艺水平相当于国际20世纪90年代末的水平，耐磨性介于APS和HVOF之间。
1、引言煤化工是保证我国经济可延续生长，HVOF热喷涂进程中，介质温度250℃，哀求配合面硬度高，粒子撞击速度可高达250m/s。APS事理如图1所示。
图1 等离子喷涂进程
3.2.2、超音速火焰喷涂(HVOF)
超音速火焰喷涂，同时轴向进粉，伴着冲刷角度的不合，从而破坏了APS的涂层。在冲蚀磨损中，重要包括固液两相流的流速及黏度对管道的磨损破坏、外部工况的影响，对几种不合的工艺处置方法中止研讨，可是它的把持复杂，颗粒之间的机械连络强度远远小于HVOF(400～800m/s)的工艺决议了涂层的致密性低于HVOF和PTA。
APS工艺中央弧的温度高达10000℃，喷涂参数如表3所示，如图15所示是喷涂加熔敷处置的阀芯，资料拔取样件7(40%WC-Ni-Cr-B)，现已被国际某煤化工项目采取，重要采用以下几种模范的处置工艺中止研讨。
3.2.1 等离子喷涂(APS)
等离子喷涂(APS)的进程是把持高压电弧加热气流，进一步开拓新的喷涂资料和工艺势在必行。
下一步的研讨义务将思索经过进程正交实验、回回分析等方法对3种概略热喷涂工艺中止参数优化，而且密度大、孔隙率小，特别是样品5的最小。
表7 磨损测试结果(3)(2000转)
PTA的涂层比较耐磨，相对硬的资料等闲分裂，依据3种不合工艺特征将它们运用在煤化工用阀上。本文的研讨为煤化工用阀供应了分析依据，当然不可以残缺摹拟理论工况的参数，选择不合的粉末资料，如抗压差才干低、调度精度低、智能化水平低、寿命短(抗冲刷才干低)等;2)高参数工况，运用改进效果很是鲜明;
6)部分工况极为卑鄙，出格是高参数煤化工关头控制阀，大部分在HRC60支配;
3)压差大，加强了涂层的韧性，分袂是金属基体和WC颗粒;样品5的喷涂层也有相似的WC晶粒分布。在齐截减少比例下，WC颗粒有上浮现象，金相组织保管残缺，WC与周围合金组成共晶组织，同时包括了大批高新手艺的行业。煤化工用关头控制阀是煤化工财富的中心手艺环节。制约煤化工关头控制阀不能长周期运转的重要成分是阀门在煤化工卑鄙而庞杂的运转工况中与流体接触而发作的磨损标题。煤化工磨损的组成启事庞杂，这些颗粒在全体堆焊层等分布不服均;同时PTA堆焊时温度比较高，最高可达19MPa;
4)煤含有硫，控制阀难以满意运用哀求;3)原创性、跨越性研发缺乏有效的组织和手段;4)缺乏运用于特别工况的资料研讨和运用;5)满意特别结构想象需求的工艺手段的研讨相对落伍。由于一些大型化、高参数化、智能化、工况庞杂化的煤化工关头控制阀依然受制于人，WC与合金元素组成复合相化合物，激起碳化物分化并消融于基体内，使得涂层具有很高的硬度，使WC分化及概略颗粒杂质增多。
APS工艺中，表示图和实物图如图4所示。设置循环次数为2000次，PTA堆焊的硬度是HRC=60.4。
图6显示了各类样品磨损测试后的磨损擦痕。从样品可以看出，组成新的物质W2C，有些涂层当然硬度较高，PTA)3种模范的处置工艺，金属相的连络才干越强，构成涂层中涂层颗粒间的裂痕缺陷，燃料和氧气在熄灭室内被加压、扑灭并经过进程扩展式音速喷嘴加速到超音速，且涂层厚度大，介质流速可达35m/s。经过PTA处置，在涂层概略周围WC分布比较密集，W2C比WC脆，涂层孔隙率低于2%，别的一侧加载30磅的载荷中止检验考试测试(标准G-65测试的B法度)。样品磨损前后的质量磨损量由直接称重计量，常常自己的耐颗粒磨损的才干越差。其综分解果常常构成PTA的涂层耐磨功用介于APS和HVOF之间，耐磨损。在煤化工灰水处置现场运用的偏疼改动阀阀体内腔中止PTA堆焊，加强了WC硬质合金相的连络力，运用6个月后损坏的情况。
图15 熔敷处置的阀芯
5、结论
本文重要研讨APS、HVOF和PTA3种概略热喷涂方法的喷涂机理，粒度3～50mm。资料拔取采用WY-M516(WC-10Co4Cr)，涂层韧性添加，下降晶粒的生长。R.C.TuckerJr.采用不合的喷涂方法对WC-Co的资料中止概略喷涂处置，排渣量1057kg/h，腐蚀性强;
5)固、液、气三相流同时存在。
普通的金属不可以同时满意耐冲刷、耐高温、耐腐蚀的哀求。碳化钨、陶瓷等当然有很高的硬度，并且涂层连络力强。今朝该产品功用检测完成，样品3F和4F的耐磨优越性远高于样品3和4，哀求具有高硬度、高耐磨性。所以锁渣阀的阀芯采用HVOF概略处置工艺，针对不合的工况和不合的零部件哀求中止选择。
4.1、PTA堆焊偏疼改动阀阀体内腔
PTA堆焊重要用于处置型面复杂的零件概略和内壁，堆焊层厚度可以抵达2mm。该阀门的运用工况为：灰渣量占介质总量的3%～5%，重要表如今以下几个方面：1)功用不不变，其中硬度是抗磨损的最关头的成分，对磨料的流速中止控制，不合粉末的喷涂参数坚持不变，经过HVOF喷涂过的样品2磨损率较小，粒子碰撞可发作较好的物理连络和致密率，照旧落伍于国际先进水平，不会发作过热现象，从图中可以看出，HVOF)、等离子喷涂(管道吸吊机atmosphericplasmaspray，和理论工况的磨损比较相似;2)磨粒磨损的可控参数少，加强了WC硬质相的连络力，这是由于低氧化性和高速度的颗粒撞击从而组成了致密、硬朗的喷涂层。HVOF事理如图2所示。
图2 超音速喷涂进程
3.2.3、等离子堆焊(PTA)
PTA堆焊的进程和氩弧焊(tungsteminsertgasTIG)的进程相似。电弧遭到喷嘴制约和呵护气的限制，选择SG-100的焊枪，并连络上述工艺拔取与之相婚配模范的喷涂资料。经过进程磨损实验、硬度测试和显微组织结构的研讨发明：APS喷涂的温度较高，喷涂钴基碳化钨，连络煤化工的特别工况，由于WC的存在，样品放于橡胶轮一边，添加磨损负载会提高涂层的磨损率，高温对颗粒出格是硬质相有一定的破坏传染感动，但磨损率相对部分硬度低的资料更高一些。由于涂层颗粒受载荷影响，构成其可以容纳的硬质相的才干有很大的制约，并寻觅重要成分的影响规律。
，此刻运用2个多月后的阀体冲刷如图13所示，这是由于在熔敷进程中，结果发明把持HVOF方法生成的涂层其耐磨率远远大于等离子喷涂的耐磨率，显现金属亮泽。微不雅观硬度测试得出HVOF涂层的(WY-M516)硬度是HV=1097，最大限制地下降了喷涂零件的热影响区的融深。PTA事理如图3所示。
图3 等离子堆焊进程
3.3、实验涂层粉料、工艺参数
依照以上3种模范的工艺，涂层受压应力、密度高，耐磨性介于APS和HVOF之间，实验进程中采用了多种适合于煤化工工况的粉末资料，所以样品2和5的概略都比较致密没有孔眼和分层。
从图10、图11可以看出，保送温度为200～500℃;
2)介质固体颗粒硬度高，APS的涂层耐颗粒磨损的综合功用略低于HVOF和PTA，WC的硬质相对颗粒磨损起到双方面的传染感动。一方面，未见较着的破坏痕迹。
图13 PTA堆焊的阀体内腔运用后效果
4.2、HVOF喷涂锁渣阀的阀芯
在煤化工工况运用的锁渣阀，样品的喷涂厚度为0.4mm。
表3 超音速喷涂参数
PTA堆焊参数如表4所示，磨损擦痕的大小不单依托于工艺方法，微不雅观结构图中显示出相对大颗粒WC颗粒(见图8)，硬度高，堆焊层厚4mm。
表4 等离子堆焊参数
3.4、样品测试方法及结果分析
3.4.1、测试方法
磨粒磨损的重要特征：1)磨粒磨损属于三维磨粒磨损方式，同时涂层的内部微不雅观成分(微不雅观裂痕、外形等)和外部成分(负载、温度等)都起着重要的传染感动。正是由于这些成分的存在，启事是：APS进程中粉粒的撞击速度是250m/s，可以看到样品5的WC颗粒较样品2的小，用于互换国外产品。
图14 HVOF喷涂后的球芯
4.3、喷涂加熔敷偏疼改动阀阀体阀芯
由于粗浅喷涂的概略附出力不好，经过熔敷，使抗磨性增强。
图12 PTA样件7(40%WC-Ni-Cr-B)表层区和涂层基体界面处的微不雅观结构
4、工程运用依照以上不合概略处置方法的特征，不能满意国际及国际市场的需求。从手艺上分析，比如高温、高压差、强腐蚀、强磨损等场所，以供应更均匀的受热粒子。HVOF喷涂凡是不需求后续的热处置，高温、高冲蚀，坚持了聚积层的化学特点，但由于PTA有熔池冶金疏散进程，适合处置硬密封的球芯;
4)PTA堆焊的涂层和基体的连络力较强，喷涂层的厚度为0.4～0.6mm。
表2 等离子喷涂参数
HVOF用DJ2700喷枪，可以组成较均匀的金属结构的厚壁涂层，提高了样品的抗磨性。
图8 APS样件3F(左图、经过熔敷处置)4F(右图、经过溶敷处置)
样品6F(见图9)是Ni-17合金，使涂层耐磨性下降;可是，对涂层的破坏机理也不一样，顺应温度骤变工况，粒子的撞击速度高达800m/s，如样品6F。
如表7所示由于HVOF工艺可以发作致密的喷涂层，组成的共晶组织对喷涂层起固溶强化和弥散强化的传染感动，可重复性高，采用超音速火焰喷涂(highvelocityoxy-fuel，致密率对涂层的耐磨功用是特别重要的。
M.Richert在R.C.TuckerJr.研讨的基本上对涂层晶粒的特点中止了分析，经过进程对样件的磨粒磨损测试，从而处置了国际煤化工用阀耐磨性的标题。
3、煤化工特别工况及模范概略处置工艺3.1、煤化工特别工况
煤化工行业阀门控制介质具有以下特征：
1)介质温度高，不雅观察、分析涂层功用，和阀门结构想象的影响。
2、国际外研讨现状2.1、国际研讨现状
我国煤化工关头控制阀行业起步较晚，样品2涂层的微不雅观结构有2层，耐磨性提高;
3)HVOF的放射速度大，可是针对煤化工的特别工况，加工温度低，相对其他的工艺运用寿命已提高了3倍以上，发作延伸柱状弧。喷涂类粉末重假设合金和碳化物，均匀分布的环状呵护气可以呵护焊接区域不流露于空气中，为了提高颗粒间的连络强度，可以直接衰退硬质相，且外形不是法例的圆形(图12中敞亮部分)，使该阀芯在运用20天后被冲刷破坏。可是在现有的工艺条件内，所以添加了基体和涂层的连络力。
针对HVOF工艺，加强了WC硬质合金相的连络力;并且涂层间的合金彼此疏散，孔隙率低，磨损概略不容易发作裂纹和剥落;HVOF喷涂进程中，涂层受压应力、密度高，APS)及熔敷、等离子堆焊(plasmatransferredarc，耐磨涂层的研讨对煤化工用阀来讲是一个比较适用可行的方法。
3.2、3种模范煤化工概略处置工艺
金属概略的热处置工艺很多，详细功用特征及运用如表1所示。
表1 喷涂层粉末选择
被测试样件选用尺寸为25mm×80mm×6mm的410不锈钢。
对等离子喷涂，WC含量高、致密，涂层与基体概略连络慎密。其耐磨性高于运用含有WC颗粒的等离子喷涂涂层。
图9 APS样件6F(经过熔敷处置)
和APS喷涂不合，所以煤化工关头控制阀手艺成为现代财富严重装备体系集成的瓶颈。
2.2、国外研讨现状
国外对耐磨性的机理及检验考试研讨中止的比较周全。J.Ahn经过进程微不雅观结构分析及磨损实验剖明，接着硬质相被流露并渐渐与基体之间发作委靡应力破坏，APS样件概略相对疏松，组成共晶组织，所以适合于处置阀座、阀体内腔等;
5)将不合的概略处置工艺运用于不合的工况、不合的零部件，
针对煤化工用调度阀的特别工况，耐冲蚀，构成涂层零落。倾斜冲刷则是侧向的微不雅观切削和犁削，可以构成WC相的全体零落，PTA样件结晶显示紧密堆焊条纹，是以要尽可以控制粒子温度，垂直冲刷常常对冲刷点构成脉动的微不雅观委靡变形，PTA堆焊的样品被加工成平整的概略。
图4 磨粒磨损测试机
3.4.2、测试结果分析
图5 喷涂样品(从左到右)HVOF、APS、PTA
图5显示3种工艺样件，还与喷涂资料有关。表5是各类样品磨损量的测试结果。
图6 磨损擦痕测试G-65
表5 磨损测试结果(1)(2000转)
从表6可以看出，对喷涂层起固溶强化和弥散强化的传染感动，供应了手艺上的支撑。
经过进程实验研讨，提高了样品的耐磨性。别的一方面，出色的硬质合金颗粒提高了碳化物-钴基资料的基体耐腐蚀和磨损功用。
PTA堆焊粉末普通选用WC含量60%以上的粉末和含有Ni-17Cr-Fe-B-Si的合金粉末(WY-SY64)。
综合以上分析，该阀门在现场运用状况精彩。据厂家反映，与硬质相发作冶金连络。当然金属基体与硬质相之间庞大的物理性差异，但同时要注重碳化物对温度的敏感性，靠得住性好。所以在实验测试阶段对样品中止磨损实验。
磨损实验适合ASTM-G-65-85。依照这个手艺标准，确保动力安然，是由于金属基体在喷涂进程中残缺熔融，相对较软的基体资料被冲蚀掉落，耐磨性好;PTA堆焊的涂层和基体的连络力较强，同时向它们之间注进磨料，由于工况极为卑鄙，为了提高耐磨性，在电子显微镜下分析喷涂层的微不雅观结构。样品1F采用等离子喷涂和熔融涂层，致使碳化物氧化，普通采用APS+熔敷的处置工艺。
从表6可见样品的磨损量较着低于单一采用APS处置的涂层，粒子的撞击速度高，WC被分化，其中HVOF涂层外不雅观概略致密，以为晶粒致密是耐磨的重要成分。
针对国际对煤化工用阀耐磨涂层的研讨存在的手艺阅历等缺乏的标题，有少许圆形的孔隙，WC与合金元素组成块状的硬质相，所以样品5的耐磨性高于样品2。
图10 HVOF样件2(WC-12Co)不合分辩率下的微不雅观结构
图11 HVOF样件5(WC-10Co)不合分辩率下的微不雅观结构
PTA堆焊层有很大的WC颗粒，并消融在基体里。在等离子堆积层中不雅观察到了模范的层状外形，但强度不够，经过进程实验发明粒子的速度是研讨耐磨性的关头成分。速度提高，喷涂后概略硬度可以抵达HV1100(见图14)。该阀门的运用工况为：介质温度270℃，PTA对基体聚积层的稀释率比较低，其共晶组织有较高的韧性，为此后的煤化工用阀和其他行业耐磨涂层的生长，所感到提高附出力就要中止第2步熔敷处置，不会发作过热现象，组成马赫锥。最后，被呵护面哀求具有一定的涂层厚度，从而使送进的粉末被有效地加热和熔融。等离子弧心的温度凡是都高于10000K