本發明涉及一種高溫爐輥表面的納米熱障涂層及制備方法。
背景技術：
在鋼鐵行業中，連續加熱爐是鋼材熱處理的重要設備，爐底輥是輥底式連續加熱爐的關鍵部件，該爐底輥為高溫爐輥，其長期承受高溫氧化、燃氣及各種介質的侵蝕以及鋼材重載、撞擊、摩擦等，工作環境十分惡劣。目前高溫爐輥一般使用高鉻鎳耐熱不銹鋼材質，采用離心鑄造工藝制備，造價昂貴。但在惡劣環境中，爐輥壽命低，每年用于爐輥更換和維護的費用巨大，因此在如何降低爐輥制造成本、延長使用壽命等方面，普遍受到高度重視。造成高溫爐輥損壞的原因主要有：高溫氧化和高溫燃氣中的硫化物等侵蝕造成的剝落或坑蝕、表面結瘤、熱處理鋼材對輥面的磨損等。因此，提高爐輥使用壽命關鍵在于提高爐輥高溫狀態下的抗氧化、耐熱、耐蝕、耐磨、耐結瘤性能。通過材質改進提高爐輥使用性能的潛力不大，而通過表面強化可以有效的提高爐輥性能，延長使用壽命，其中熱噴涂技術是最常用、最有效的表面強化手段。現用熱噴涂技術對高溫爐輥進行表面強化主要有兩種：一種是火焰噴涂高合金耐熱涂層，另一種是等離子噴涂普通陶瓷保護層。兩種方法在一定程度上都能提高高溫爐輥性能，延長使用壽命，但都存在一些不足。火焰噴涂高合金耐熱涂層，涂層與爐輥基材結合強度高，抗沖擊性能好，但耐熱、耐磨、耐蝕等高溫綜合性能有一定局限性；等離子噴涂陶瓷保護層，涂層耐熱、耐磨、耐蝕性能好，但與爐輥基材結合強度較差，熱膨脹系數較小，使用中易發生開裂、剝落等。申請公布號為CN102094164A的發明專利申請給出了《一種納米氧化鋯熱障涂層及制備方法》，即采用超音速火焰噴涂與等離子噴涂相結合，在金屬表面制備NiCrAlY粘結層和納米ZrO2陶瓷工作層，涂層與金屬基體結合強度更高，抗熱震性能和隔熱性能均優于普通ZrO2熱障涂層。但由于制備的納米熱障涂層存在一定的孔隙和微裂紋，若不進行任何后處理，如封孔處理，在高溫環境中易引起腐蝕、氧化等，導致涂層結瘤、剝落失效；且采用超音速火焰噴涂與等離子噴涂相結合的方法，要求在同一噴涂房內同時具備兩種設備，工序繁瑣，不利于工業化生產。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種高溫爐輥表面的納米熱障涂層及制備方法，本熱障涂層及制備方法有效增強了高溫爐輥的抗氧化、耐磨、耐蝕、耐結瘤性能，延長高溫爐輥的使用壽命，降低了高溫爐輥更換及維護的成本。為解決上述技術問題，本發明高溫爐輥表面的納米熱障涂層包括中間粘結層和納米陶瓷工作層，所述中間粘結層是由成分為CoNiCrAlY的粉末制備的涂層，其中Ni30-35%、Cr20-25%、Al5-10%、Y0.4-0.7%、Co余量，粉末粒徑為20-45μm，所述納米陶瓷工作層是原始粒徑為50-100nm的納米ZrO2涂層，其中加入6-8%的Y2O3并經二次造粒，造粒后顆粒粒度大小為45-106μm，上述百分含量為重量百分比。上述高溫爐輥表面的納米熱障涂層的制備方法包括如下步驟：步驟一、高溫爐輥基體預處理，將高鉻鎳耐熱不銹鋼爐輥表面清洗干凈，預熱至90-110℃進行干燥，采用自動噴砂機進行噴砂處理，噴砂材料為46#白剛玉，噴槍角度90±5o，空氣壓力6kg/cm2，噴槍到爐輥表面距離450-550mm，爐輥表面噴砂后表面粗糙度Ra5-7μm；步驟二、中間粘結層的CoNiCrAlY粉末于120-150℃預熱90-120min，采用等離子噴涂設備制備中間粘結層，噴涂工藝參數為送粉率25-35g/min、電流600-700A、主氣壓力45-50NLPM、輔氣壓力12-15NLPM、送粉氣壓力2-2.5NLPM、噴涂距離100-130mm、涂層厚度0.06-0.10mm；步驟三、將制備工作層的納米ZrO2粉末于120-150℃預熱90-120min，采用等離子噴涂設備制備納米陶瓷工作層，噴涂工藝參數為送粉率40-50g/min、電流600-700A、主氣壓力35-45NLPM、輔氣壓力10-12NLPM、送粉氣壓力2.5-3NLPM、噴涂距離100-130mm、涂層厚度0.15-0.20mm；步驟四、采用封孔劑對納米陶瓷工作層表面進行涂覆封孔,封孔劑可以采用鉻酸鹽水溶液，將噴涂有納米陶瓷工作層的高溫爐輥預熱到85℃—95℃，采用刷涂方式進行涂覆處理，隨后常溫固化30min。由于本發明高溫爐輥表面的納米熱障涂層及制備方法采用了上述技術方案，即涂層為CoNiCrAlY粘結層和其中加入6-8%Y2O3的納米ZrO2納米陶瓷工作層，粘結層的粉末粒徑為20-45μm，納米ZrO2的原始粒徑為50-100nm，加入Y2O3后經二次造粒，粒度大小為45-106μm；其制備方法為首先清洗爐棍并預熱干燥，采用自動噴砂機進行噴砂處理；然后采用等離子噴涂設備按一定工藝要求制備中間粘結層和納米陶瓷工作層，最后采用封孔劑對納米陶瓷工作層表面進行涂覆封孔。本熱障涂層及制備方法有效增強了高溫爐輥的抗氧化、耐磨、耐蝕、耐結瘤性能，延長高溫爐輥的使用壽命，降低了高溫爐輥更換及維護的成本。具體實施方式本發明高溫爐輥表面的納米熱障涂層包括中間粘結層和納米陶瓷工作層，所述中間粘結層是成分為CoNiCrAlY的粉末涂層，其中Ni32%、Cr21%、Al8%、Y0.5%、Co余量，粉末粒徑為20-45μm，所述納米陶瓷工作層是原始粒徑為50-100nm的納米ZrO2涂層，其中加入8%的Y2O3并經二次造粒，造粒后顆粒粒度大小為45-106μm，上述百分含量為重量百分比。上述高溫爐輥表面的納米熱障涂層的制備方法包括如下步驟：步驟一、高溫爐輥基體預處理，將高鉻鎳耐熱不銹鋼爐輥表面清洗干凈，預熱至100℃進行干燥，采用自動噴砂機進行噴砂處理，噴砂材料為46#白剛玉，噴槍角度90o，空氣壓力6kg/cm2，噴槍到爐輥表面距離500mm，爐輥表面噴砂后表面粗糙度Ra5-7μm；步驟二、中間粘結層的CoNiCrAlY粉末于120℃預熱120min，采用等離子噴涂設備制備中間粘結層，噴涂工藝參數為送粉率25g/min、電流600A、主氣壓力50NLPM、輔氣壓力13NLPM、送粉氣壓力2NLPM、噴涂距離110mm、涂層厚度0.08mm；步驟三、將制備工作層的納米ZrO2粉末于120℃預熱120min，采用等離子噴涂設備制備納米陶瓷工作層，噴涂工藝參數為送粉率45g/min、電流650A、主氣壓力45NLPM、輔氣壓力12NLPM、送粉氣壓力2.5NLPM、噴涂距離110mm、涂層厚度0.15mm；步驟四、由于高溫爐輥工況與航空、艦船燃氣輪機的工況截然不同，高溫爐輥不僅長期承受高溫氧化，而且還長期承受各種介質的腐蝕及鋼材重載、撞擊、摩擦等，工況更加惡劣；因此采用封孔劑對高溫爐棍的納米陶瓷工作層表面進行涂覆封孔。由于納米陶瓷工作層中存在一定數量的孔隙和微裂紋，腐蝕介質會通過孔隙和微裂紋傳遞到中間粘結層與納米陶瓷工作層界面，甚至到達爐棍基體表面，而引起腐蝕、氧化等，導致涂層剝落，因此對納米陶瓷工作層進行封孔處理，提高納米陶瓷工作層的抗氧化、抗熱震等性能，進一步延長高溫爐輥使用壽命。上述封孔劑可以采用鉻酸鹽水溶液，將噴涂有納米陶瓷涂層的高溫爐輥預熱到90℃，采用刷涂方式進行涂覆處理，隨后常溫固化30min。本發明涉及的新型高溫爐輥，采用等離子噴涂CoNiCrAlY中間粘結層和納米陶瓷工作層進行爐棍表面強化，本制備方法中等離子噴涂可采用UnicoatF4等離子噴涂設備實施涂層噴涂作業，無需多種噴涂設備，簡化了噴涂作業工序，提高了噴涂作業的效率；CoNiCrAlY中間粘結層提高涂層與爐棍基材的結合強度，縮小爐棍基材與納米陶瓷工作層的膨脹系數差異；納米陶瓷工作層采用納米結構Y2O3粉末做喂料劑，縮短顆粒熔化時間，在有限的離子噴涂粉末飛行時間內，納米顆粒熔化效果更好，制備的納米涂層孔隙率更小，致密性提高，具有更好的抗腐蝕、抗磨損、抗結瘤性能，使得高溫爐輥的使用壽命延長一倍以上，減少停爐概率，降低了高溫爐輥更換及維護的成本。納米陶瓷工作層中納米ZrO2具有更好的穩定性，尤其是在大于1000℃的高溫下，具有更明顯的抗氧化性、抗熱震性、抗結瘤性能，可以提高帶鋼表面質量。同時納米ZrO2熱導率比普通ZrO2低，具有更好的隔熱性能，可以大大減少冷卻水帶走的熱量，節約能源；爐輥輥芯可保持更低的溫度，提高了輥芯強度，不易變形損壞。