金属基复合陶瓷涂层挂片研发和应用

蔡翔，刘旭，陈学勇

1 引言

在有害成分含量高的高温工况下，传统的预热器耐热钢内筒挂片存在严重的腐蚀问题，天津水泥工业设计研究院有限公司（以下简称：天津水泥院）曾研发过一种新型耐热钢材料TRG-ZA-10[1]以解决该问题，以该款耐热钢材料制作的挂片能够在高S、Cl的高温工况下使用22～24个月，虽然延缓了腐蚀，但不能隔绝腐蚀。

从2017年10月，天津水泥院开始着手研究“金属+陶瓷复合材料”的复合成型工艺，在T709U[2]材料外表层复合自主研发陶瓷耐磨层（陶瓷涂层相关材料的研发始于2012年），以实现金属强韧性能与陶瓷耐磨损耐腐蚀性能的结合，在保证使用寿命不低于TRG-ZA-10耐热钢材料的前提下，降低成本。

2 实验室试验

通过调整成分和高温复合工艺参数，天津水泥院实现了自主研发的陶瓷涂层材料和金属材料收缩率的匹配，不仅有效保证了两种材料的结合强度，而且在高温冲击磨损的工况下，可确保陶瓷涂层材料不开裂、不剥落。

首先，采用不锈钢板作为试验用基体，表面涂覆陶瓷涂料层，涂刷次数根据基体表面吸收情况而定。在高温炉中对涂覆好涂层的金属材料进行高温复合，按照设定的温度和时间进行操作，完成高温复合，试样复合前后的状态见图1。

图1 试样复合前后的状态

其次，采用线切割机切割铸造挂片（基体材料T709U）局部作为试验用工件，见图2。

图2 铸造挂片的涂覆状态和复合状态

3 工业试验及性能测试

3.1 工业试验

2017年12月，天津水泥院对自主研发的陶瓷涂层材料进行了工业试验。分别选取预热器的内筒挂片和篦冷机的密封件，进行表面陶瓷涂料的涂覆，之后采用大型箱式热处理炉进行高温复合。根据实际生产情况，设定复合温度和保温时间，完成高温复合。陶瓷涂料涂覆状态及复合状态见图3。

图3 陶瓷涂料涂覆完成后的形貌（左）和复合后的表面形貌（右）

本次工业试验重现了实验室试验的结果，并对陶瓷浓度、涂覆方式以及复合温度等相关工艺进行了调整，以满足后续工业批量化制作的要求。

3.2 性能测试

采用RTEC纳米划痕仪检测涂层强度及与金属结合的强度，见图4。通过压头滑动接触复合材料表面，并施加压应力，当压头穿透破坏涂层时，随着摩擦系数的变化，摩擦力也有较大幅度的变化。此时，通过测量记录的瞬时压应力，结合压头的截面积，可测算出强度值，作为涂层本身强度及金属和涂层结合强度综合指标的参考数值（见表1）。

图4 纳米划痕仪测量涂层结合强度

由表1数据可以看出，在金属材料上，复合陶瓷涂层抵抗破坏的综合性能均≮730MPa，这表明陶瓷涂层已与金属材料有效结合。

表1 涂层结合强度的测量结果

4 工业化应用

根据实验室试验与工业试验结果，在完善和优化相关工艺参数后，于2018年9月对腐蚀性较为严重的某项目预热器C5内筒挂片（基体材料T709U）的一部分进行陶瓷涂层复合制作，复合后的挂片表面形貌见图5。

图5 复合后的挂片表面形貌

金属基复合陶瓷涂层挂片于2019年6月投入使用，截至2020年9月，挂片使用正常，达到了预期效果，后续将持续跟踪以确定其使用寿命。

5 结语

金属基复合陶瓷涂层挂片是通过高温复合方式将陶瓷涂层致密地附着在金属材料表面，不仅能有效阻断有害元素对金属基体材料的侵蚀，且具有优异的强韧性，很好地解决了耐腐蚀耐磨的难题。