金屬基復(fù)合陶瓷涂層掛片研發(fā)和應(yīng)用

蔡翔，劉旭，陳學(xué)勇

1 引言

在有害成分含量高的高溫工況下，傳統(tǒng)的預(yù)熱器耐熱鋼內(nèi)筒掛片存在嚴(yán)重的腐蝕問題，天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司（以下簡稱：天津水泥院）曾研發(fā)過一種新型耐熱鋼材料TRG-ZA-10[1]以解決該問題，以該款耐熱鋼材料制作的掛片能夠在高S、Cl的高溫工況下使用22～24個(gè)月，雖然延緩了腐蝕，但不能隔絕腐蝕。

從2017年10月，天津水泥院開始著手研究“金屬+陶瓷復(fù)合材料”的復(fù)合成型工藝，在T709U[2]材料外表層復(fù)合自主研發(fā)陶瓷耐磨層（陶瓷涂層相關(guān)材料的研發(fā)始于2012年），以實(shí)現(xiàn)金屬強(qiáng)韌性能與陶瓷耐磨損耐腐蝕性能的結(jié)合，在保證使用壽命不低于TRG-ZA-10耐熱鋼材料的前提下，降低成本。

2 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

通過調(diào)整成分和高溫復(fù)合工藝參數(shù)，天津水泥院實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)的陶瓷涂層材料和金屬材料收縮率的匹配，不僅有效保證了兩種材料的結(jié)合強(qiáng)度，而且在高溫沖擊磨損的工況下，可確保陶瓷涂層材料不開裂、不剝落。

首先，采用不銹鋼板作為試驗(yàn)用基體，表面涂覆陶瓷涂料層，涂刷次數(shù)根據(jù)基體表面吸收情況而定。在高溫爐中對涂覆好涂層的金屬材料進(jìn)行高溫復(fù)合，按照設(shè)定的溫度和時(shí)間進(jìn)行操作，完成高溫復(fù)合，試樣復(fù)合前后的狀態(tài)見圖1。

圖1 試樣復(fù)合前后的狀態(tài)

其次，采用線切割機(jī)切割鑄造掛片（基體材料T709U）局部作為試驗(yàn)用工件，見圖2。

圖2 鑄造掛片的涂覆狀態(tài)和復(fù)合狀態(tài)

3 工業(yè)試驗(yàn)及性能測試

3.1 工業(yè)試驗(yàn)

2017年12月，天津水泥院對自主研發(fā)的陶瓷涂層材料進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。分別選取預(yù)熱器的內(nèi)筒掛片和篦冷機(jī)的密封件，進(jìn)行表面陶瓷涂料的涂覆，之后采用大型箱式熱處理爐進(jìn)行高溫復(fù)合。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，設(shè)定復(fù)合溫度和保溫時(shí)間，完成高溫復(fù)合。陶瓷涂料涂覆狀態(tài)及復(fù)合狀態(tài)見圖3。

圖3 陶瓷涂料涂覆完成后的形貌（左）和復(fù)合后的表面形貌（右）

本次工業(yè)試驗(yàn)重現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的結(jié)果，并對陶瓷濃度、涂覆方式以及復(fù)合溫度等相關(guān)工藝進(jìn)行了調(diào)整，以滿足后續(xù)工業(yè)批量化制作的要求。

3.2 性能測試

采用RTEC納米劃痕儀檢測涂層強(qiáng)度及與金屬結(jié)合的強(qiáng)度，見圖4。通過壓頭滑動(dòng)接觸復(fù)合材料表面，并施加壓應(yīng)力，當(dāng)壓頭穿透破壞涂層時(shí)，隨著摩擦系數(shù)的變化，摩擦力也有較大幅度的變化。此時(shí)，通過測量記錄的瞬時(shí)壓應(yīng)力，結(jié)合壓頭的截面積，可測算出強(qiáng)度值，作為涂層本身強(qiáng)度及金屬和涂層結(jié)合強(qiáng)度綜合指標(biāo)的參考數(shù)值（見表1）。

圖4 納米劃痕儀測量涂層結(jié)合強(qiáng)度

由表1數(shù)據(jù)可以看出，在金屬材料上，復(fù)合陶瓷涂層抵抗破壞的綜合性能均≮730MPa，這表明陶瓷涂層已與金屬材料有效結(jié)合。

表1 涂層結(jié)合強(qiáng)度的測量結(jié)果

4 工業(yè)化應(yīng)用

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果，在完善和優(yōu)化相關(guān)工藝參數(shù)后，于2018年9月對腐蝕性較為嚴(yán)重的某項(xiàng)目預(yù)熱器C5內(nèi)筒掛片（基體材料T709U）的一部分進(jìn)行陶瓷涂層復(fù)合制作，復(fù)合后的掛片表面形貌見圖5。

圖5 復(fù)合后的掛片表面形貌

金屬基復(fù)合陶瓷涂層掛片于2019年6月投入使用，截至2020年9月，掛片使用正常，達(dá)到了預(yù)期效果，后續(xù)將持續(xù)跟蹤以確定其使用壽命。

5 結(jié)語

金屬基復(fù)合陶瓷涂層掛片是通過高溫復(fù)合方式將陶瓷涂層致密地附著在金屬材料表面，不僅能有效阻斷有害元素對金屬基體材料的侵蝕，且具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性，很好地解決了耐腐蝕耐磨的難題。