一种涂层寿命控制方法技术

一种涂层寿命控制方法，属于涂层寿命控制技术领域，克服现有技术中的无法实现渗铝涂层寿命控制的缺陷。本发明专利技术涂层寿命控制方法包括以下步骤：步骤1、制备两组初始涂层厚度分别为H1、H2的渗铝试件；步骤2、拟合得S01、S02；步骤3、T1、T2下进行高温蒸汽氧化实验；步骤4、拟合得到初始涂层厚度为H1的渗铝试件分别在T1、T2下的扩散系数D1、D2，以及S1、S2和η1、η2；步骤5、计算得到a、b的值；步骤6、获取常数D0、Q0；步骤7、获得任意温度T3下的扩散系数D3；步骤8、t为涂层的目标寿命，计算得到S0；步骤9、得到T3温度下涂层达到目标寿命需要的渗铝涂层初始厚度H0；步骤10、制备涂层初始厚度≥H0的渗铝试件。试件。试件。

【技术实现步骤摘要】
一种涂层寿命控制方法


[0001]本专利技术属于涂层寿命控制
，具体涉及一种涂层寿命控制方法。

技术介绍

[0002]锅炉受热面(水冷壁、过热器、再热器和省煤器，又称锅炉“四管”)为锅炉中负责回收燃煤烟气能量、加热蒸汽、实现能量转化的关键部件。高参数电站锅炉“四管”的失效原因中，炉管外部因煤粉燃烧造成的烟气腐蚀与炉管内部高温蒸汽氧化腐蚀占有重要地位，也是引起锅炉爆漏事故的本质原因之一。而火力发电厂机组的高蒸汽参数、高效率化发展，使得锅炉管服役工况更加复杂、苛刻，其使用材料在更高要求下的使用性能也需要进一步改进。
[0003]表面改性技术是通过改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以强化零件或材料表面的技术，能够改善高温合金的高温氧化腐蚀性能。相比开发更高等级的受热面材料，表面改性技术可以在不降低合金基体力学性能的基础上显著提高锅炉管的抗氧化、腐蚀性能，不仅解决现役锅炉管合金的氧化/腐蚀问题，同时将为现役材料能继续服役于更高参数机组提供技术支撑。
[0004]铝涂层技术是一种可以不改变基体力学性能而显著提高基体抗高温氧化性能的经济、有效途径，目前在航空航天领域得到了较为广泛的应用，燃气轮机关键部件使用铝涂层后具有优越的抗氧化性，900℃以上可运行数千小时。铝化物涂层的优良保护性源自于氧化膜的缓慢生长，而氧化铝的生长取决于温度，当温度降低200℃时，氧化铝的生长可以降低几个数量级，因此将铝化物涂层应用到温度较低的(<700℃)的电站锅炉管，其使用寿命将会大幅度延长。低温渗铝具有较低的扩散速率，可以获得较薄的涂层，并且没有脆性相析出，因此，可以在不改变基体材料的组织、力学性能的基础上显著改变蒸汽氧化性能。
[0005]P92
‑
Al涂层具有良好的抗氧化性能。这主要是因为，氧化初期水蒸气与涂层中Al元素发生选择性氧化，生成单分子氧化膜，其后是以电化学反应实现膜的生长，且生长速度较慢，Al元素并没有被完全氧化成Al2O3。一方面，形成的Al2O3膜可降低扩散系数；另一方面，未被完全氧化的富铝层还可以为合金继续生成Al2O3膜提供充足的Al源，使得P92
‑
Al涂层具有优异的抗蒸汽氧化性能。
[0006]一般认为，高温条件下铝化物涂层的失效机制主要包括以下：a.氧化膜发生剥落，Al元素向外扩散形成新的Al2O3膜；b.与基体之间的互扩散。当P92
‑
Al涂层在650℃蒸汽氧化下，表面快速形成具有一层保护性Al2O3膜，尽管温度较低，但Al2O3膜仍具有较好的粘附性，试验期间未发生剥落。这就使得铝化物涂层的退化机制主要表现为Al的内扩散。在目前众多的渗铝涂层制备工艺中，无法实现渗铝涂层的涂层寿命控制。而该方面的专利技术研究对涂层的制备工艺起着至关重要的决定性作用。

技术实现思路

[0007]因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中的无法实现渗铝涂层寿命控
制的缺陷，从而提供一种涂层寿命控制方法。
[0008]为此，本专利技术提供了以下技术方案。
[0009]一种涂层寿命控制方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1、制备两组初始涂层厚度分别为H1、H2的渗铝试件；
[0011]步骤2、涂层满足以下关系式：
[0012][0013]式中，x为涂层中某一位置距涂层表面的深度，C为涂层中x处铝的质量百分含量，D为扩散系数，t为氧化时间，S为涂层中Al的总量，η为高斯分布中心的校准位移；
[0014]分别获取步骤1中制得的涂层初始厚度为H1、H2的渗铝试件在不同x处铝的质量百分数；将此步骤中获得的数据代入式(1)中，拟合得到两种渗铝试件Al的总量S01、S02；
[0015]步骤3、将两组渗铝试件分别在温度T1、T2下进行高温蒸汽氧化实验，其中T2为渗铝试件使用的最高温度，T1＝T2
‑
(20～80℃)；
[0016]步骤4、根据步骤3获得渗铝试件在T1下氧化时间t1时涂层中不同x处铝的质量百分数；在T2温度下氧化时间t2时涂层中不同x处铝的质量百分数；将步骤4中获得的数据代入式(1)中，拟合得到初始涂层厚度为H1的渗铝试件分别在T1、T2下的扩散系数D1、D2，以及S1、S2和η1、η2；和/或，初始涂层厚度为H2的渗铝试件分别在T1、T2下的扩散系数D1
’
、D2
’
，以及S1
’
、S2
’
和η1
’
、η2
’
[0017]步骤5、涂层中Al的总量S满足：
[0018]S＝aH+b 式(2)
[0019]其中，a、b为与渗铝涂层相关的常数；
[0020]将H1、S01；H2、S02分别代入式(2)中，计算得到a、b的值；
[0021]步骤6、获取常数扩散激活能其中D1、D2可为D1
’
、D2
’
；
[0022]步骤7、根据lnD3＝lnD0‑
Q0/(RT3)获得任意温度T3下的扩散系数D3；R为热力学常数；
[0023]步骤8、将D3代入式(1)中，此时C取能形成氧化铝的临界含量，η取不低于T3的T1或T2对应的值，x取0，t为涂层的目标寿命，计算得到S0；
[0024]步骤9、将步骤7获得的S0代入式(2)中，计算得到T3温度下涂层达到目标寿命需要的渗铝涂层初始厚度H0；
[0025]步骤10、制备涂层初始厚度≥H0的渗铝试件。
[0026]进一步的，所述步骤1包括：
[0027]S101、对待渗铝试件进行除油及除锈，再将待渗铝试件埋入配置好渗铝粉末的粉末罐中，压实；
[0028]S102、将压实后的粉末罐置于热处理炉内，并在保护气氛围下进行烧结；
[0029]S103、随炉冷却至室温，制得渗铝试件。
[0030]进一步的，S101中，所述渗铝粉末包括FeAl粉末、助渗剂。
[0031]进一步的，助渗剂为NH4Cl。
[0032]进一步的，FeAl粉末中铁、铝质量比为1:1。
[0033]进一步的，FeAl粉末、助渗剂的质量比为99:1。
[0034]进一步的，S102中，所述烧结条件为640
‑
780℃烧结4
‑
8h。
[0035]进一步的，所述保护气为氩气。
[0036]进一步的，所述步骤2中的高温蒸汽氧化实验条件为：动态100％饱和水蒸汽，压力0.1～30MPa，蒸汽流速100
‑
120ml/s。
[0037]采用扫描电子显微镜(SEM)分析渗铝涂层原始厚度及不同氧化时间下的渗铝涂层的扩散深度，采用能谱仪对渗铝涂层不同深度位置进行成分分析。
[0038]本专利技术技术方案，具有如下优点：
[0039]本专利技术提供的低温粉末包埋渗铝涂层的寿命控制方法，可预测目标寿命时涂层的厚度，从而对涂层制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涂层寿命控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、制备两组初始涂层厚度分别为H1、H2的渗铝试件；步骤2、涂层满足以下关系式：式中，x为涂层中某一位置距涂层表面的深度，C为涂层中x处铝的质量百分含量，D为扩散系数，t为氧化时间，S为涂层中Al的总量，η为高斯分布中心的校准位移；分别获取步骤1中制得的涂层初始厚度为H1、H2的渗铝试件在不同x处铝的质量百分数；将此步骤中获得的数据代入式(1)中，拟合得到两种渗铝试件Al的总量S01、S02；步骤3、将两组渗铝试件分别在温度T1、T2下进行高温蒸汽氧化实验，其中T2为渗铝试件使用的最高温度，T1＝T2
‑
(20～80℃)；步骤4、根据步骤3获得涂层初始厚度为H1和/或H2的渗铝试件在T1下氧化时间t1时涂层中不同x处铝的质量百分数；在T2温度下氧化时间t2时涂层中不同x处铝的质量百分数；将步骤4中获得的数据代入式(1)中，拟合得到初始涂层厚度为H1的渗铝试件分别在T1、T2下的扩散系数D1、D2，以及S1、S2和η1、η2；和/或，初始涂层厚度为H2的渗铝试件分别在T1、T2下的扩散系数D1
’
、D2
’
，以及S1
’
、S2
’
和η1
’
、η2
’
；步骤5、涂层中Al的总量S满足：S＝aH+b 式(2)其中，a、b为与渗铝涂层相关的常数；将H1、S01；H2、S02分别代入式(2)中，计算得到a、b的值；步骤6、获取常数扩散激活能其中D1、D2可为D1
’
、D2
’
；步骤7、根据lnD3＝lnD...

【专利技术属性】
技术研发人员：周永莉，鲁金涛，袁勇，黄锦阳，张鹏，李沛，严靖博，党莹樱，杨珍，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：