科研成果

基于高能激光束熔覆的高耐磨耐蚀层制备技术

发布时间:2015-12-28 15:17


一、   技术背景

磨损、腐蚀是设备密集型企业普遍面临的共性问题,电力、冶金、石化和煤炭等大型工业企业每年因防腐耐磨而发生的直接费用达数千亿元,因磨损和腐蚀而导致的间接损失更大。以电弧堆焊、热喷涂为代表的常规防磨防腐技术在工程中得到了广泛应用,取得了巨大的经济效益,但对于一些磨损腐蚀严重的部件,常规技术仍无法满足其长寿命可靠工作的要求。

对于锅炉四管的冲蚀磨损和腐蚀问题,主要采用热喷涂技术进行防护。但热喷涂涂层存在涂层与基体结合强度低(为机械结合)而易局部剥落、涂层存在孔隙率而在磨损腐蚀严重部位效果不明显、废旧涂层难以去除而导致重复喷涂时涂层可靠性低等问题,因而涂层易产生局部剥落及局部磨损严重现象,导致局部磨损而爆管。针对火电厂磨煤机磨辊、风机叶轮的磨损问题,国内外主要采用明弧焊或埋弧焊技术堆焊Fe-Cr-C系耐磨材料(硬度50-65HRC),该技术所制备耐磨层的耐磨性不能满足该类耐磨件长寿命工作要求。

华北电力大学刘宗德教授课题组在国家863计划、国家科技支撑计划的支持下,依托火力发电技术国家工程研究中心的研发平台,经过十余年的不懈努力,开发了自主知识产权的反应合成陶瓷-金属复合材料熔覆层系列新技术和耐硫氯腐蚀新材料技术,有效地解决了高耐磨性陶瓷-金属复合材料的原位反应合成、耐磨材料与基体冶金结合及自动化生产等一系列问题,大幅度提高重要部件的寿命和可靠性,并兼有节能降耗的效果,取得了用户满意的效果。

二、   技术特点

        经过应用实践对比分析,激光熔覆高耐磨耐腐蚀技术具有如下特点:

1、利用激光束反应合成的高耐磨陶瓷-金属复合材料,在冲蚀磨损工况下其耐磨性为热喷涂涂层的3-6倍;在三体磨损工况下的耐磨性可达高铬铸铁的5-8倍。

2 冶金结合。熔覆层与基体的结合强度是热喷涂涂层10倍以上,解决了防磨涂层可靠性低、局部脱落的问题。

3 热影响区域小。熔覆施工对基体热影响区深度仅0.1-0.2mm,不改变基材原有组织和力学性能,工件无变形。

4 导热率高。导热率与不锈钢相当,优于热喷涂涂层(同种材料对比),对设备的换热效率影响极小。

三、   核心技术简述

利用高能量密度激光束反应合成高熔点、耐高温、高硬度的陶瓷-金属复合材料熔覆层、并使之与基体冶金结合是本技术的核心所在。经多年实践探索,自主开发了系列适合于激光、等离子束反应合成高耐陶瓷-金属复合材料熔覆层的新材料技术,该技术可以有效解决电弧焊难以制备高熔点陶瓷材料耐磨层、热喷涂技术结合强度低等传统技术的瓶颈问题,还根据不同尺寸工件的耐磨防腐要求,设计了全自动化的操作平台,最终打造了性价比极高的激光熔覆高耐磨耐蚀层新技术。

四、   技术发展历程

12003年,在国家863计划支持下,在国内外首次开发了电热爆炸-电磁加速超高速喷涂新技术和设备,成功制备了高硬度、冶金结合的亚微米晶、纳米晶涂层。

22004年,成功开发了高耐磨、高热响应速度热电偶保护管、热作模具等新产品,其中高热响应速度热电偶保护管(响应时间小于10秒)在应用电厂达到延寿12倍的效果。

32005,自主开发了氩弧、等离子弧反应合成高耐磨陶瓷-金属复合材料熔覆层新技术,开发了系列金属陶瓷耐磨焊丝,获授权发明专利5项。

42006年,在国内外首次开发的金属陶瓷耐磨排粉机叶轮在华能海渤湾电厂成功应用,达到了延寿3倍以上的效果。

52008年,在国内首次开发的等离子熔覆耐磨耐蚀复合锅炉管在华能辛店电厂投入试验应用,熔覆层年腐蚀速率小于50微米/年。

62009年,在国家科技和教育部创新团队计划的支持下,自主开发了激光束反应合成高耐磨陶瓷-金属复合材料熔覆层新技术和系列熔覆用粉末材料,突破了氩弧、等离子弧难以在薄壁结构上制备耐磨耐蚀层局限性,实现了熔覆工艺的自动化控制。

72011年,在国内首次开发的激光熔覆Ni-Cr-Mo系耐高温氯腐蚀复合过热器管在国能生物质电厂锅炉成功应用,运行结果表明,该技术可使过热器管寿命延长3倍以上。

   82012年,在国内首次开发的激光熔覆高耐磨水冷壁管在广东新会双水电厂、赤峰电厂等10余个循环流化床锅炉及煤粉炉电厂示范应用。

五、应用情况

高耐磨、高热响应速度热电偶保护管、热作模具等新产品。其中高热响应速度耐磨热电偶保护管应用于数十个电厂,达到延寿2-12倍效果。获发明专利5项,获授权实用新型专利5项。相关成果获2003年度中国电力科技一等奖1,2004年度国家科技进步二等奖1项。

自主开发了氩弧、等离子弧反应合成高耐磨陶瓷-金属复合材料熔覆层新技术,开发的系列金属陶瓷耐磨焊丝,该项技术先后成功应用于火电厂排粉机叶轮、引风机叶轮、锅炉水冷壁管、磨煤机磨辊、螺旋叶片等重要部件,达到了延寿2-12倍的效果;该项技术已在40余个火电厂、生物质发电厂、水泥企业推广应用。在此期间,获授权发明专利5项。相关成果获2006年度中国国际工业博览会创新奖1项。

自主开发了激光束反应合成高耐磨陶瓷-金属复合材料熔覆层新技术和系列熔覆用粉末材料,突破了氩弧、等离子弧难以在薄壁结构上制备耐磨耐蚀层局限性,实现了熔覆工艺的自动化控制。该项技术先后成功应用于循环流化床锅炉与煤粉锅炉水冷壁管、生物质发电厂过热器管、引风机叶轮、螺旋叶片、耐磨耐蚀热电偶保护管等重要部件。该项新技术已在10余个发电企业推广应用,普遍达到了延寿5-12倍的显著效果。在此期间,获授权发明专利17项。所开发3个牌号的耐磨金属陶瓷新材料已被写入电力行业耐磨材料标准(DT/L-681-201)。相关成果获2009年度中国国际高新技术交易会优秀产品奖1项。



1 批量生产的高耐磨复合水冷壁管

2  双水电厂循环流化床锅炉水冷壁运行3个月后(原管壁厚度8mm),激光熔覆层管子厚度约为8.7mm(熔覆层原始厚度为700μm,几乎没有磨损),而热喷涂涂对比涂层管子的管壁厚度仅5.7-7.5mm(涂层完全消失,且管壁磨损厚度为0.5-2.3mm),激光熔覆层寿命为热喷涂涂层寿命10倍以上。


3 高功率半导体激光熔覆锅炉管

六、联系方式

  电话:010-61772812

  E-mail:lzd@ncepu.edu.cn

    地址:北京市昌平区回龙观镇北农路2号华北电力大学行政楼

    邮编:102206





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