偏心半球閥是為解決溶液與礦漿等兩相混合流介質(zhì)輸送的技術難題而研發(fā)的,它為化工、石油、燃氣及冶金等工業(yè)部門解決溶液工藝流程中因易沉淀、易結(jié)垢的溶液析出而影響流程的問題提供了可靠的控制。在石化工業(yè)生產(chǎn)中,沖蝕和磨損是所有閥門零部件失效的主要形式,并且此類問題往往與腐蝕同時存在,是影響閥門壽命的重要因素。
往往通過閥門結(jié)構(gòu)設計、關鍵零部件的熱處理、堆焊硬質(zhì)合金等工藝來提高半球閥使用壽命、耐磨損和耐腐蝕性,但仍不能滿足特殊工況條件下的使用要求。如果通過超音速火焰噴涂技術處理半球閥,在閥門內(nèi)部表面形成均勻致密的結(jié)合層,涂層硬度高,耐磨耐蝕性好,有很好的力學性能,可以很好的改善閥門的使用性能。本文中主要介紹超音速熱噴涂采用Cr3C2-NiCr復合粉為原料噴涂半球閥的應用研究。
2.噴涂工作原理和結(jié)構(gòu)組成
HVOF(HighVelocityOxygenFuel)超音速火焰噴涂技術是zui的熱噴涂技術之一。它使用高壓氧氣和燃料(氣體燃料或空煤油),在特殊噴槍內(nèi)部燃燒形成高溫高壓速度(6倍音速以上)燃氣流,將由送粉系統(tǒng)輸送到噴槍的粉末以超音速噴向閥門工件表面,沉積形成致密、均勻、低氧化物含量的高硬度、高結(jié)合力涂層,廣泛應用于各種高耐磨要求的環(huán)境。
噴涂裝置如圖1所示,
利用丙烷為燃料,利用氧氣和壓縮空氣為助燃劑,在燃燒室點燃,劇烈膨脹的氣體受到噴嘴的約束形成超音速高溫火焰流,粉末沿燃燒室軸心由惰性氣體(氮氣)送入,
經(jīng)過加熱與加速而噴出,高速噴向工作表面形成均勻致密的涂層。焰流是否達到超音速可通過觀察火焰中是否存在馬赫錐來判斷,當焰流達到超音速時,焰流的速度可以達到2~5馬赫,超音速火焰噴涂系統(tǒng)組成如圖2所示。
圖1 超音速噴涂裝置
圖2 超音速火焰噴涂系統(tǒng)
3.Cr3C2-NiCr噴涂的技術特性和材料特性
(1)超音速火焰噴涂技術特點如附表所示。
(2)復合粉的主要性能和典型應用Cr3C2-NiCr粉由兩種不同性能的組分構(gòu)成。其中NiCr合金具有良好的耐熱耐蝕性,常用的成分是80%Ni-20%Cr。Cr-C系有Cr3C2,Cr7C3和Cr23C6三種化合物,熔化溫度分別為1810℃,1726℃和1575℃。
超音速火焰噴涂技術特點
其中Cr3C2是zui常見與zui重要的一種。這些碳化鉻所具有的特點是在金屬碳化物中抗氧化能力zui強,在空氣中只有在1100~1400℃才開始顯著氧化。在高溫條件下依然保持相當高的硬度。Cr3C2還具有很強的耐蝕性和耐磨性,在稀硫酸溶液中是1Crl8Ni9Ti不銹鋼耐蝕性的30倍,而在蒸汽中則是Co-WC合金的50倍。用NiCr-Cr3C2噴涂電廠鍋爐爐管,管壁磨損量由1.5~2.0mm/a減少到0.03mm/a,使其工作壽命延長至七年以上。通常用NiCr作為耐熱合金粘結(jié)相與Cr3C2硬質(zhì)相近熱噴涂形成涂層,就構(gòu)成了優(yōu)良的抗高溫耐磨材料。
采用HVOF或等離子噴涂工藝,使NiCr合金與Cr3C2陶瓷能有充分的條件形成均質(zhì)的金屬陶瓷涂層,這種涂層在高溫條件下具有耐磨損、耐沖蝕、氣蝕和微振等功能,同時也抗高溫氣體(即使是含S氣體)腐蝕及高溫氧化等特性。典型的應用是:閥門、燃煤鍋爐爐管(電廠、造紙廠)、冶金退火爐輥、液壓機閥門、燃桿芯軸、風檔、內(nèi)噴嘴支撐,泵套、熱碎輥、活塞導軌、撥叉、壓氣機氣密封、伸縮接頭、水輪機噴嘴及假造工具等。
4.超音速噴涂的工藝特征
偏心半球閥超音速噴涂技術的基本工藝流程主要有:表面處理及噴砂→工件檢查→噴涂(磨削加工)等3大步驟,下面詳細介紹各個工藝流程。
(1)表面處理和噴砂 為了把工件表面的銹皮等一切污物清除,并在工件表面建立起十分重要的基礎(即通常所謂的毛面),噴涂前的半球閥噴涂零部件,必須經(jīng)過表面清潔處理和噴砂粗化處理。而且根據(jù)半球閥零部件材料不同,可以通過調(diào)換不同磨料,達到不同程度的表面粗糙度,大大提高工件與復合粉的結(jié)合力,使粘接件粘接更牢固,質(zhì)量更好。
(2)工件檢查噴砂后工件檢查的主要工作是常規(guī)檢查外觀、裂紋鑄造缺陷,密封面處是zui關鍵的部位,有些存在裂紋和拉毛嚴重的問題,需要對裂紋和坑包進行修復,使其表面光整。
(3)噴涂氧氣和加熱后的液態(tài)燃料通過混合系統(tǒng)在高壓下輸入燃氣室燃燒產(chǎn)生高壓氣流,氣流通過拉瓦爾型噴嘴膨脹,加速到2000m/s左右,粉末在N2的輸送下注入氣流中,該氣流將粉末粒子加熱并加速到二次噴嘴,以便于粒子攜帶較多能量沖擊到閥門零部件的表面基材上。超音速噴涂并不熔化粉末而僅僅是將其軟化,使粒子氧化和分解在涂層內(nèi)降至zui低溫度。經(jīng)過連續(xù)幾次噴涂后,結(jié)合強度大、孔隙率低、硬度高的涂層厚度達到0.2~0.3mm,經(jīng)噴涂加工后的半球閥閥座零件如圖3所示。噴涂后根據(jù)工況需要,選擇合適的封孔劑。
圖3 噴涂加工后閥座
5.結(jié)語
將超音速熱噴涂技術應用在半球閥領域,能夠達到偏心半球閥所要求的涂層厚度、硬度、表面粗糙度及腐蝕性和耐磨性的要求。通過選擇Cr3C2-NiCr復合粉制造出滿足不同要求的涂層,根據(jù)中州鋁廠和化工企業(yè)反饋的信息,使用超音速噴涂技術進行噴涂處理的“鴻宇牌”半球閥在氧化鋁料漿和強酸等介質(zhì)中的使用壽命提高了5倍左右。根據(jù)現(xiàn)場反饋的情況,采用超音速熱噴涂Cr3C2-NiCr復合粉的技術是可行的,并且市場前景非常寬廣。