煤化工灰渣水耐磨調(diào)節(jié)閥

                     上海申弘閥門(mén)有限公司

之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現(xiàn)在介紹煤化工灰渣水耐磨調(diào)節(jié)閥有碳化鎢噴涂，有金剛石噴涂，還可以用陶瓷內(nèi)襯的，因?yàn)楣璺鄣挠捕忍?，目前也沒(méi)什么好的辦法來(lái)防止磨損。 可以先試驗(yàn)一下陶瓷的，有專賣陶瓷耐磨閥的用于提高調(diào)節(jié)閥閥芯閥座的耐磨耐蝕性和高溫抗氧化性,具有許多優(yōu)點(diǎn),它是化學(xué)熱處理、司太來(lái)(Slite)硬質(zhì)合金堆焊以及其它表面強(qiáng)化處理所較難得到的,所以有著廣闊的發(fā)展前景。火電廠的沖灰渣水懸浮物含量較高。一般情況下，經(jīng)過(guò)脫水倉(cāng)或撈渣機(jī)沉淀溢流后的SS濃度為2000～3000mg/L。如國(guó)華北京熱電分公司的脫水倉(cāng)溢流水實(shí)測(cè)為1900 mg/L；大唐托克托發(fā)電有限責(zé)任公司的1號(hào)爐撈渣機(jī)溢流水實(shí)測(cè)為1750 mg/L。

 
    隨著電煤供應(yīng)緊張，燃煤價(jià)格居高不下，大部分火電廠燃煤中灰灰和雜質(zhì)成分大幅上升，導(dǎo)致鍋爐的排渣量和沖渣水量增加，渣水懸浮物含量高，并伴有大量不易沉淀的漂珠和浮灰。如貴州納雍發(fā)電廠的渣水懸浮物含量高達(dá)9000 mg/L以上，大唐王灘電廠的撈渣機(jī)溢流水懸浮物含量也高達(dá)6000mg/L以上，且廢水中含有大量漂珠和浮灰，每天人工捕撈的漂珠和浮灰約800kg。 對(duì)全國(guó)大多數(shù)燃煤電廠來(lái)說(shuō)，煤質(zhì)狀況變差，渣水循環(huán)系統(tǒng)負(fù)荷增大，是逐步需要面對(duì)的問(wèn)題。

針對(duì)煤化工用調(diào)節(jié)閥的特殊工況，為了提高閥內(nèi)件表面的耐磨性，采用超音速火焰噴涂(highvelocityoxy-fuel，HVOF)、等離子噴涂(atmosphericplasmaspray，APS)及熔敷、等離子堆焊(plasmatransferredarc，PTA)3種典型的處理工藝，并結(jié)合上述工藝選取與之相匹配典型的噴涂材料。通過(guò)磨損試驗(yàn)、硬度測(cè)試和顯微組織結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)：APS噴涂的溫度較高，引起碳化物分解并溶解于基體內(nèi)，經(jīng)過(guò)熔敷，涂層韌性增加，磨損表面不易產(chǎn)生裂紋和剝落;HVOF噴涂過(guò)程中，粒子的撞擊速度高，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象，涂層受壓應(yīng)力、密度高，耐磨性好;PTA堆焊的涂層和基體的結(jié)合力較強(qiáng)，硬度高，涂層厚度大，耐磨性介于APS和HVOF之間。

1、引言
煤化工是保障我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，確保能源安全，同時(shí)包含了大量高新技術(shù)的行業(yè)。煤化工用關(guān)鍵控制閥是煤化工工業(yè)的核心技術(shù)環(huán)節(jié)。制約煤化工關(guān)鍵控制閥不能長(zhǎng)周期運(yùn)行的主要因素是閥門(mén)在煤化工惡劣而復(fù)雜的運(yùn)行工況中與流體接觸而產(chǎn)生的磨損問(wèn)題。煤化工磨損的形成原因復(fù)雜，主要包括固液兩相流的流速及黏度對(duì)管道的磨損破壞、外部工況的影響，以及閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。

2、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
2.1、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)煤化工關(guān)鍵控制閥行業(yè)起步較晚，特別是高參數(shù)煤化工關(guān)鍵控制閥，其整體技術(shù)水平相當(dāng)于20世紀(jì)90年代末的水平，依然落后于*水平，不能滿足國(guó)內(nèi)及市場(chǎng)的需求。從技術(shù)上分析，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1)性能不穩(wěn)定，不符合市場(chǎng)發(fā)展要求，如抗壓差能力低、調(diào)節(jié)精度低、智能化水平低、壽命短(抗沖刷能力低)等;2)高參數(shù)工況，比如高溫、高壓差、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)磨損等場(chǎng)合，控制閥難以滿足使用要求;3)原創(chuàng)性、超越性研發(fā)缺乏有效的組織和手段;4)缺乏應(yīng)用于特殊工況的材料研究和應(yīng)用;5)滿足特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要的工藝手段的研究相對(duì)落后。由于一些大型化、高參數(shù)化、智能化、工況復(fù)雜化的煤化工關(guān)鍵控制閥仍然受制于人，所以煤化工關(guān)鍵控制閥技術(shù)成為現(xiàn)代工業(yè)重大裝備系統(tǒng)集成的瓶頸。

2.2、國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)耐磨性的機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行的比較全面。J.Ahn通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)分析及磨損試驗(yàn)表明，增加磨損負(fù)載會(huì)提高涂層的磨損率，其中硬度是抗磨損的zui關(guān)鍵的因素，同時(shí)涂層的內(nèi)部微觀因素(微觀裂縫、形狀等)以及外部因素(負(fù)載、溫度等)都起著重要的作用。正是由于這些因素的存在，有些涂層雖然硬度較高，但磨損率相對(duì)于部分硬度低的材料更高一些。由于涂層顆粒受載荷影響，相對(duì)硬的材料容易破裂，造成涂層中涂層顆粒間的裂縫缺陷，從而影響涂層的耐磨特性。

M.Yandouzi提出增加粒子的沖擊速度和溫度能明顯改善涂層致密度和硬度，但同時(shí)要注意碳化物對(duì)溫度的敏感性，當(dāng)溫度高于一定數(shù)值時(shí)碳化物的性能就開(kāi)始衰減，因此要盡量控制粒子溫度，讓其低于衰減溫度，降低晶粒的生長(zhǎng)。R.C.TuckerJr.采用不同的噴涂方法對(duì)WC-Co的材料進(jìn)行表面噴涂處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)利用HVOF方法生成的涂層其耐磨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于等離子噴涂的耐磨率，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粒子的速度是研究耐磨性的關(guān)鍵因素。速度提高，粒子碰撞可產(chǎn)生較好的物理結(jié)合和致密率，致密率對(duì)于涂層的耐磨性能是非常重要的。渣水懸浮物濃度高，負(fù)荷大，導(dǎo)致原有的渣水處理設(shè)施無(wú)法正常運(yùn)行。如納雍發(fā)電一廠采用濃縮機(jī)，二廠采用沉淀池處理灰渣水，導(dǎo)致出現(xiàn)濃縮機(jī)經(jīng)常堵塞，沉淀池懸浮物去除率低等問(wèn)題，無(wú)法正常運(yùn)行，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。大唐王灘電廠采用沉淀池、自清洗過(guò)濾器、板式換熱器的處理方法，由于渣水懸浮物含量高且粒度細(xì)，自清洗過(guò)濾器頻繁堵塞，每天需要人工清理過(guò)濾網(wǎng)；而且渣水對(duì)板式換熱器產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致板式換熱器運(yùn)行僅二三個(gè)月就出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。

 
    上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：截止閥,電動(dòng)截止閥,氣動(dòng)截止閥,電動(dòng)蝶閥,氣動(dòng)蝶閥目前國(guó)內(nèi)的渣水處理方法一般采用沉淀池、濃縮機(jī)、陶瓷濾磚池等處理方法，也有少數(shù)廠家采用絮凝沉淀＋斜管＋砂濾的方式。上述處理技術(shù)都存在各種各樣的問(wèn)題，在處理能力、運(yùn)行穩(wěn)定可靠性上還有所欠缺。如采用沉淀池工藝懸浮物去除率較低，出水水質(zhì)差，占地面積大，清池頻繁且工作量大；濃縮機(jī)要求入口懸浮物含量低，出水水質(zhì)差，斜管（板）易堵塞需人工清理，排灰口立管易堵塞導(dǎo)致排泥不暢，常發(fā)生壓耙事故；陶瓷濾磚池的占地面積大，需要人工清池和反沖洗，清池頻繁，勞動(dòng)強(qiáng)度大；絮凝沉淀＋斜管＋砂濾工藝，要求入口懸浮物含量低，需要配置龐大的預(yù)沉池，斜管（板）易堵塞，砂濾負(fù)荷大，需經(jīng)常反沖洗，濾層易板結(jié)。上述幾種工藝zui大的問(wèn)題是耐沖擊負(fù)荷低，對(duì)于懸浮物SS>3000mg/L，特別是對(duì)SS>5000mg/L以上的灰渣水，無(wú)法正常處理。  在高懸浮物污水處理中，DH污水凈化器顯示了較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。它無(wú)須設(shè)置預(yù)沉池，可以快速連續(xù)地將SS≤30000mg/L的污水凈化到5～50mg/L，該技術(shù)zui高可以處理SS≤90000mg/L的污水，為高濃度灰渣水處理開(kāi)辟了一條新途徑。 該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在國(guó)華北京熱電分公司、貴州納雍二電廠、大唐托克托發(fā)電有限責(zé)任公司、北京京豐燃?xì)獍l(fā)電有限責(zé)任公司（渣水、煤水混合處理）開(kāi)始使用，其優(yōu)異的技術(shù)性能，簡(jiǎn)單合理的工藝路線，相信可以給火電廠的渣水處理帶來(lái)一次革命。 污水處理系統(tǒng)選用DH（旋流）污水凈化器，安裝在煤水處理站，來(lái)自各轉(zhuǎn)運(yùn)站和輸煤棧橋的含煤沖洗水及輸煤系統(tǒng)除塵器排放的含煤水首先匯入煤水預(yù)沉池，然后溢流到調(diào)節(jié)池。調(diào)節(jié)池污水經(jīng)泵提升，在泵后管道上設(shè)置混凝混合器，在混凝混合器前后分別投加絮凝劑、助凝劑，然后進(jìn)入凈化器中，經(jīng)離心分離、重力分離、動(dòng)態(tài)把關(guān)過(guò)濾及污泥濃縮等過(guò)程從凈化器頂部排出經(jīng)處理后的清水送入清水池，再用回用沖洗水泵送入輸煤沖洗系統(tǒng)，用于棧橋和轉(zhuǎn)運(yùn)站的水沖洗。從凈化器底部排出的煤渣等排至煤水預(yù)沉池中，用抓斗機(jī)定期清理，不設(shè)污泥池。將煤水預(yù)沉池和污泥池合二為一，初沉煤泥和凈化器濃縮煤泥用抓斗機(jī)定期清理，可以減少清池工作量，節(jié)省占地面積。污水處理系統(tǒng)選用DH（旋流）污水凈化器，安裝在煤水處理站，來(lái)自各轉(zhuǎn)運(yùn)站和輸煤棧橋的含煤沖洗水及輸煤系統(tǒng)除塵器排放的含煤水首先匯入煤水預(yù)沉池，然后溢流到調(diào)節(jié)池。調(diào)節(jié)池污水經(jīng)泵提升，在泵后管道上設(shè)置混凝混合器，在混凝混合器前后分別投加絮凝劑、助凝劑，然后進(jìn)入凈化器中，經(jīng)離心分離、重力分離、動(dòng)態(tài)把關(guān)過(guò)濾及污泥濃縮等過(guò)程從凈化器頂部排出經(jīng)處理后的清水送入清水池，再用回用沖洗水泵送入輸煤沖洗系統(tǒng)，用于棧橋和轉(zhuǎn)運(yùn)站的水沖洗。從凈化器底部排出的煤渣等排至煤水預(yù)沉池中，用抓斗機(jī)定期清理，不設(shè)污泥池。將煤水預(yù)沉池和污泥池合二為一，初沉煤泥和凈化器濃縮煤泥用抓斗機(jī)定期清理，可以減少清池工作量，節(jié)省占地面積。

M.Richert在R.C.TuckerJr.研究的基礎(chǔ)上對(duì)涂層晶粒的特性進(jìn)行了分析，認(rèn)為晶粒致密是耐磨的重要因素。

針對(duì)國(guó)內(nèi)對(duì)煤化工用閥耐磨涂層的研究存在的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)等不足的問(wèn)題，本文結(jié)合國(guó)外的研究成果，對(duì)幾種不同的工藝處理方法進(jìn)行研究，針對(duì)不同的工況用閥采用適宜的工藝處理方法，從而解決了國(guó)內(nèi)煤化工用閥耐磨性的問(wèn)題。

3、煤化工特殊工況及典型表面處理工藝
3.1、煤化工特殊工況

煤化工行業(yè)閥門(mén)控制介質(zhì)具有如下特點(diǎn)：

1)介質(zhì)溫度高，輸送溫度為200～500℃;

2)介質(zhì)固體顆粒硬度高，大部分在HRC60左右;

3)壓差大，zui高可達(dá)19MPa;

4)煤含有硫，腐蝕性強(qiáng);

5)固、液、氣三相流同時(shí)存在。

一般的金屬不能夠同時(shí)滿足耐沖刷、耐高溫、耐腐蝕的要求。碳化鎢、陶瓷等雖然有很高的硬度，但強(qiáng)度不夠，在控制閥應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)被震裂而破壞。奧氏體不銹鋼滲硼的滲層有效厚度目前大部分只能做到10μm以下。因此，耐磨涂層的研究對(duì)于煤化工用閥來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較實(shí)用可行的方法。

3.2、3種典型煤化工表面處理工藝

金屬表面的熱處理工藝很多，但是針對(duì)煤化工的特殊工況，主要采用以下幾種典型的處理工藝進(jìn)行研究。

3.2.1 等離子噴涂(APS)

等離子噴涂(APS)的過(guò)程是利用高壓電弧加熱氣流，從而產(chǎn)生高速的等離子射流。等離子生成氣通常是含有少量氫或氦的氬氣，從而使送入的粉末被有效地加熱和熔融。等離子弧心的溫度通常都高于10000K，粒子撞擊速度可高達(dá)250m/s。APS原理如圖1所示。

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圖1 等離子噴涂過(guò)程

3.2.2、煤化工灰渣水耐磨調(diào)節(jié)閥超音速火焰噴涂(HVOF)

超音速火焰噴涂，在其噴涂過(guò)程中，燃料和氧氣在燃燒室內(nèi)被加壓、點(diǎn)燃并通過(guò)擴(kuò)張式音速噴嘴加速到超音速，形成馬赫錐。zui后，顆粒在高速(>400m/s)和相對(duì)低的溫度(<2000℃)下噴射，同時(shí)軸向進(jìn)粉，以提供更均勻的受熱粒子。HVOF噴涂通常不需要后續(xù)的熱處理，這是因?yàn)榈脱趸院透咚俣鹊念w粒撞擊從而形成了致密、結(jié)實(shí)的噴涂層。HVOF原理如圖2所示。

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圖2 超音速噴涂過(guò)程

3.2.3、等離子堆焊(PTA)

PTA堆焊的過(guò)程和氬弧焊(tungsteminsertgasTIG)的過(guò)程相似。電弧受到噴嘴制約和保護(hù)氣的限制，產(chǎn)生收縮柱狀弧。噴涂類粉末主要是合金和碳化物，通過(guò)載體離子氣加入溫度穩(wěn)定的柱狀弧內(nèi)。同時(shí)，均勻分布的環(huán)狀保護(hù)氣可以保護(hù)焊接區(qū)域不暴露于空氣中，減少和防止氧化。在堆焊技術(shù)中，PTA對(duì)基體堆積層的稀釋率比較低，維持了堆積層的化學(xué)特性，zui大限度地降低了噴涂零件的熱影響區(qū)的融深。PTA原理如圖3所示。

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圖3 等離子堆焊過(guò)程

3.3、試驗(yàn)涂層粉料、工藝參數(shù)

根據(jù)以上3種典型的工藝，試驗(yàn)過(guò)程中采用了多種適合于煤化工工況的粉末材料，其中APS選擇Ni-Cr-B-Si等自熔性合金粉末，結(jié)晶溫度在1000℃左右。堆積的噴涂層在950～1100℃被加熱并部分熔融。合金粉末中高濃度的Si阻止了在加熱過(guò)程中基體表面和噴涂層的氧化。由于涂層被加熱和部分熔融，所以增加了基體和涂層的結(jié)合力。

針對(duì)HVOF工藝，本實(shí)驗(yàn)選用含85%WC的鈷鉻合金粉末(WY-M516)。這些粉末主要用于耐磨和耐腐蝕的場(chǎng)合。鉻元素提高了耐腐蝕性，優(yōu)良的硬質(zhì)合金顆粒提高了碳化物-鈷基材料的基體耐腐蝕和磨損性能。

PTA堆焊粉末一般選用WC含量60%以上的粉末以及含有Ni-17Cr-Fe-B-Si的合金粉末(WY-SY64)。

綜合以上分析，結(jié)合煤化工的特殊工況，選擇不同的粉末材料，具體性能特點(diǎn)及應(yīng)用如表1所示。

表1 噴涂層粉末選擇

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被測(cè)試樣件選用尺寸為25mm×80mm×6mm的410不銹鋼。

對(duì)于等離子噴涂，選擇SG-100的焊槍，不同粉末的噴涂參數(shù)保持不變，如表2所示，噴涂層的厚度為0.4～0.6mm。

表2 等離子噴涂參數(shù)

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HVOF用DJ2700噴槍，噴涂鈷基碳化鎢，燃料是丙烯，噴涂參數(shù)如表3所示，樣品的噴涂厚度為0.4mm。

表3 超音速噴涂參數(shù)

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PTA堆焊參數(shù)如表4所示，堆焊層厚4mm。

表4 等離子堆焊參數(shù)

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3.4、樣品測(cè)試方法及結(jié)果分析

3.4.1、測(cè)試方法

磨粒磨損的主要特點(diǎn)：1)磨粒磨損屬于三維磨粒磨損形式，和實(shí)際工況的磨損比較相似;2)磨粒磨損的可控參數(shù)少，雖然不能夠*模擬實(shí)際工況的參數(shù)，但是它的操作簡(jiǎn)單，可重復(fù)性高，可靠性好。所以在試驗(yàn)測(cè)試階段對(duì)樣品進(jìn)行磨損試驗(yàn)。

磨損試驗(yàn)符合ASTM-G-65-85。根據(jù)這個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，樣品放于橡膠輪一邊，同時(shí)向它們之間注入磨料，對(duì)磨料的流速進(jìn)行控制，示意圖和實(shí)物圖如圖4所示。設(shè)置循環(huán)次數(shù)為2000次，另一側(cè)加載30磅的載荷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試(標(biāo)準(zhǔn)G-65測(cè)試的B程序)。樣品磨損前后的質(zhì)量磨損量由直接稱重計(jì)量，度為0.001g。在測(cè)試前，PTA堆焊的樣品被加工成平整的表面。

圖4 磨粒磨損測(cè)試機(jī)

3.4.2、測(cè)試結(jié)果分析

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圖5 噴涂樣品(從左到右)HVOF、APS、PTA

圖5顯示3種工藝樣件，其中HVOF涂層外觀表面致密，APS樣件表面相對(duì)疏松，PTA樣件結(jié)晶顯示細(xì)密堆焊條紋，呈現(xiàn)金屬亮澤。

微觀硬度測(cè)試得出HVOF涂層的(WY-M516)硬度是HV=1097，PTA堆焊的硬度是HRC=60.4。

圖6顯示了各類樣品磨損測(cè)試后的磨損擦痕。從樣品可以看出，磨損擦痕的大小不僅依賴于工藝方法，還與噴涂材料有關(guān)。表5是各類樣品磨損量的測(cè)試結(jié)果。

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圖6 磨損擦痕測(cè)試G-65

表5 磨損測(cè)試結(jié)果(1)(2000轉(zhuǎn))

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從表6可以看出，APS的涂層耐顆粒磨損的綜合性能略低于HVOF和PTA，原因是：APS過(guò)程中粉粒的撞擊速度是250m/s，顆粒之間的機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于HVOF(400～800m/s)的工藝決定了涂層的致密性低于HVOF和PTA。

APS工藝中心弧的溫度高達(dá)10000℃，高溫對(duì)顆粒特別是硬質(zhì)相有一定的破壞作用，使WC分解及表面顆粒雜質(zhì)增多。

APS工藝中，WC的硬質(zhì)相對(duì)顆粒磨損起到雙方面的作用。一方面，由于WC的存在，使得涂層中WC顆粒的硬質(zhì)相對(duì)抗流體的沖擊磨損能力增加;另一方面由于WC相與周圍熔融相之間的結(jié)合缺陷，可能造成WC相的整體脫落，從而破壞了APS的涂層。在沖蝕磨損中，隨著沖刷角度的不同，對(duì)涂層的破壞機(jī)理也不一樣，垂直沖刷往往刷點(diǎn)造成脈動(dòng)的微觀疲勞變形，造成涂層脫落。傾斜沖刷則是側(cè)向的微觀切削和犁削，相對(duì)較軟的基體材料被沖蝕掉，接著硬質(zhì)相被暴露并逐漸與基體之間產(chǎn)生疲勞應(yīng)力破壞，zui終使涂層整體脫落。

表6 磨損測(cè)試結(jié)果(2)(2000轉(zhuǎn))

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基于以上這種情況，為了提高顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度，一般采用APS+熔敷的處理工藝。

從表6可見(jiàn)樣品的磨損量明顯低于單一采用APS處理的涂層，樣品3F和4F的耐磨*性遠(yuǎn)高于樣品3和4，這是因?yàn)樵谌鄯筮^(guò)程中，形成的共晶組織對(duì)噴涂層起固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的作用，加強(qiáng)了WC硬質(zhì)合金相的結(jié)合力;并且涂層間的合金相互擴(kuò)散，加強(qiáng)了涂層的韌性，提高了樣品的耐磨性。另一方面，為了提高耐磨性，可以直接取消硬質(zhì)相，選用整體耐磨且無(wú)明顯內(nèi)部結(jié)合缺陷的材料作為噴涂粉末的選擇，如樣品6F。

如表7所示由于HVOF工藝可以產(chǎn)生致密的噴涂層，經(jīng)過(guò)HVOF噴涂過(guò)的樣品2磨損率較小，尤其是樣品5的zui小。

表7 磨損測(cè)試結(jié)果(3)

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PTA的涂層比較耐磨，是由于金屬基體在噴涂過(guò)程中*熔融，與硬質(zhì)相產(chǎn)生冶金結(jié)合。當(dāng)然金屬基體與硬質(zhì)相之間巨大的物理性差異，造成其可以容納的硬質(zhì)相的能力有很大的制約，金屬相的結(jié)合能力越強(qiáng)，往往自身的耐顆粒磨損的能力越差。其綜合效果往往造成PTA的涂層耐磨性能介于APS和HVOF之間，但由于PTA有熔池冶金擴(kuò)散過(guò)程，可以形成較均勻的金屬結(jié)構(gòu)的厚壁涂層，所以綜合耐磨能力非常好。

3.4.3、樣品微觀結(jié)構(gòu)研究

噴涂樣品由鉆石鋸切割、拋光，在電子顯微鏡下分析噴涂層的微觀結(jié)構(gòu)。樣品1F采用等離子噴涂和熔融涂層，粉末用35%WC鎳基自熔性合金，其共晶組織有較高的韌性，同時(shí)等離子噴涂的溫度較高，導(dǎo)致碳化物氧化，并溶解在基體里。在等離子沉積層中觀察到了典型的層狀形態(tài)，明亮的部分是合金中的WC-Co顆粒。在高倍顯微鏡下可以看到明顯的WC顆粒(見(jiàn)圖7)。

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圖7 APS樣件1F(經(jīng)過(guò)溶敷處理)

3F號(hào)和4F號(hào)樣件的等離子噴涂沉積層含有WC的自熔性合金粉末，微觀結(jié)構(gòu)圖中顯示出相對(duì)大顆粒WC顆粒(見(jiàn)圖8)，WC與周圍合金形成共晶組織，加強(qiáng)了WC硬質(zhì)相的結(jié)合力，提高了樣品的抗磨性。

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圖8 APS樣件3F(左圖、經(jīng)過(guò)熔敷處理)4F(右圖、經(jīng)過(guò)溶敷處理)

樣品6F(見(jiàn)圖9)是Ni-17合金，沒(méi)有其它硬質(zhì)合金相。這種結(jié)構(gòu)比較致密，有少量圓形的孔隙，涂層與基體表面結(jié)合緊密。其耐磨性高于使用含有WC顆粒的等離子噴涂涂層。

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圖9 APS樣件6F(經(jīng)過(guò)熔敷處理)

和APS噴涂不同，HVOF熱噴涂過(guò)程中，粒子的撞擊速度高達(dá)800m/s，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象，涂層受壓應(yīng)力、密度高，涂層孔隙率低于2%，所以樣品2和5的表面都比較致密沒(méi)有孔眼和分層。

從圖10、圖11可以看出，樣品2涂層的微觀結(jié)構(gòu)有2層，分別是金屬基體和WC顆粒;樣品5的噴涂層也有相似的WC晶粒分布。在同等放大比例下，可以看到樣品5的WC顆粒較樣品2的小，而且密度大、孔隙率小，所以樣品5的耐磨性高于樣品2。

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圖10 HVOF樣件2(WC-12Co)不同分辨率下的微觀結(jié)構(gòu)

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圖11 HVOF樣件5(WC-10Co)不同分辨率下的微觀結(jié)構(gòu)

PTA堆焊層有很大的WC顆粒，且形狀不是規(guī)則的圓形(圖12中明亮部分)，這些顆粒在整個(gè)堆焊層中分布不均勻;同時(shí)PTA堆焊時(shí)溫度比較高，WC被分解，形成新的物質(zhì)W2C，W2C比WC脆，使涂層耐磨性降低;但是，從圖中可以看出，WC顆粒有“上浮”現(xiàn)象，在涂層表面附近WC分布比較密集，WC與合金元素形成復(fù)合相化合物，使抗磨性增強(qiáng)。

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圖12 PTA樣件7(40%WC-Ni-Cr-B)表層區(qū)和涂層基體界面處的微觀結(jié)構(gòu)

4、工程應(yīng)用
根據(jù)以上不同表面處理方法的特點(diǎn)，針對(duì)不同的工況和不同的零部件要求進(jìn)行選擇。

4.1、PTA堆焊偏心旋轉(zhuǎn)閥閥體內(nèi)腔

PTA堆焊主要用于處理型面簡(jiǎn)單的零件表面和內(nèi)壁，被保護(hù)面要求具有一定的涂層厚度，耐沖蝕，耐磨損。在煤化工灰水處理現(xiàn)場(chǎng)使用的偏心旋轉(zhuǎn)閥閥體內(nèi)腔進(jìn)行PTA堆焊，材料選取樣件7(40%WC-Ni-Cr-B)，堆焊層厚度可以達(dá)到2mm。該閥門(mén)的使用工況為：灰渣量占介質(zhì)總量的3%～5%，介質(zhì)溫度250℃，介質(zhì)流速可達(dá)35m/s。經(jīng)過(guò)PTA處理，該閥門(mén)在現(xiàn)場(chǎng)使用狀況良好。據(jù)廠家反映，過(guò)去采用非PTA工藝的噴涂方式處理的閥體內(nèi)腔只能使用20多天就被沖刷破壞，現(xiàn)在使用2個(gè)多月后的閥體沖刷如圖13所示，未見(jiàn)明顯的破壞痕跡。

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圖13 PTA堆焊的閥體內(nèi)腔使用后效果

4.2、HVOF噴涂鎖渣閥的閥芯

在煤化工工況使用的鎖渣閥，要求具有高硬度、高耐磨性。所以鎖渣閥的閥芯采用HVOF表面處理工藝，噴涂后表面硬度可以達(dá)到HV1100(見(jiàn)圖14)。該閥門(mén)的使用工況為：介質(zhì)溫度270℃，排渣量1057kg/h，灰渣占介質(zhì)總量的50%，粒度3～50mm。材料選取采用WY-M516(WC-10Co4Cr)，要求配合面硬度高，適應(yīng)溫度驟變工況，并且涂層結(jié)合力強(qiáng)。目前該產(chǎn)品性能檢測(cè)完成，現(xiàn)已被國(guó)內(nèi)某煤化工項(xiàng)目采納，用于替代國(guó)外產(chǎn)品。

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圖14 HVOF噴涂后的球芯

4.3、噴涂加熔敷偏心旋轉(zhuǎn)閥閥體閥芯

由于普通噴涂的表面附著力不好，所以為提高附著力就要進(jìn)行第2步熔敷處理，增加材料與基體的結(jié)合力，使涂層在使用過(guò)程中不會(huì)剝落。表面采用WY-W77合金(40WC-Ni-17Cr)。用于煤化工灰水處理工況，由于工況極其惡劣，高溫、高沖蝕，使該閥芯在使用20天后被沖刷破壞。但是在現(xiàn)有的工藝條件內(nèi)，相對(duì)于其他的工藝使用壽命已經(jīng)提高了3倍以上，如圖15所示是噴涂加熔敷處理的閥芯，使用6個(gè)月后損壞的情況。

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圖15 熔敷處理的閥芯

5、結(jié)論

本文主要研究APS、HVOF和PTA3種表面熱噴涂方法的噴涂機(jī)理，并采用廠家推薦控制參數(shù)和推薦粉末來(lái)制備樣件，通過(guò)對(duì)樣件的磨粒磨損測(cè)試，觀察、分析涂層性能，依據(jù)3種不同工藝特點(diǎn)將它們應(yīng)用在煤化工用閥上。本文的研究為煤化工用閥提供了分析依據(jù)，為以后的煤化工用閥以及其他行業(yè)耐磨涂層的發(fā)展，提供了技術(shù)上的支持。

通過(guò)試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1)噴涂層的密度、金屬的氧化性、WC顆粒的大小、分布及間距都是影響涂層耐磨性的關(guān)鍵因素;

2)等離子噴涂后熔敷，形成共晶組織，對(duì)噴涂層起固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的作用，加強(qiáng)了WC硬質(zhì)合金相的結(jié)合力，耐磨性提高;

3)HVOF的噴射速度大，加工溫度低，金相組織保留完整，WC含量高、致密，孔隙率低，涂層較薄，適合處理硬密封的球芯;

4)PTA堆焊的涂層和基體的結(jié)合力較強(qiáng)，WC與合金元素形成塊狀的硬質(zhì)相，使得涂層具有很高的硬度，耐磨性介于APS和HVOF之間，且涂層厚度大，所以適合于處理閥座、閥體內(nèi)腔等;

5)將不同的表面處理工藝應(yīng)用于不同的工況、不同的零部件，應(yīng)用改善效果非常顯著;

6)部分工況極其惡劣，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新的噴涂材料和工藝勢(shì)在必行。

下一步的研究工作將考慮通過(guò)正交試驗(yàn)、回歸分析等方法對(duì)3種表面熱噴涂工藝進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并尋找主要因素的影響規(guī)律。煤化工用調(diào)節(jié)閥耐磨涂層工藝技術(shù)與本文相關(guān)的產(chǎn)品有：美標(biāo)316不銹鋼法蘭截止閥