具体实施方式

为使本发明容易理解，下面将结合附图来详细说明本发明。但在详细描述本发明前，应当理解本发明不限于描述的具体实施方式。还应当理解，本文中使用的术语仅为了描述具体实施方式，而并不表示限制性的。

除非另有定义，本文中使用的所有术语与本发明所属领域的普通技术人员的通常理解具有相同的意义。虽然与本文中描述的方法和材料类似或等同的任何方法和材料也可以在本发明的实施或测试中使用，但是现在描述了优选的方法和材料。

Ⅰ、术语

本发明所用术语“水冷壁”亦称为“水冷墙”、“水冷壁管”或“水冷壁管排”(简称为管排)。通常由钢管垂直铺设在锅炉炉墙内壁面上，主要用来吸收炉内火焰和高温烟气所放出热量。

本发明中所述用语“镍基自熔合金表面渗铝复合涂层”是指铝从镍基自熔合金涂层的表面渗入其中形成的复合涂层。

本发明所述用语“内表面”是水冷壁用管或镍基自熔合金涂层或铝涂层朝向轴心的那一面。

本发明所述用语“外表面”是水冷壁用管或镍基自熔合金涂层或铝涂层背离轴心的那一面。

本发明中所述用语“管圆弧部分”和“管曲面”可以互换使用，均是指构成水冷壁的管的圆弧部分。

本发明中所述用语“管顶表面”是指构成水冷壁的管的最高处(垂直于水平位置的半径端部)附近局部表面。

本发明中所述用语“重熔”与“熔覆”可以互换使用。

本发明中所述用语“冶金结合”(metallurgical bond)是指两件金属的界面间原子相互扩散而形成的结合。

本发明中所述用语“扩散型冶金结合”是通过高频熔覆使得喷涂的镍基自熔合金底层与基体的界面之间发生合金相互扩散而形成的冶金结合。

本发明中所述用语“微冶金结合”是通过高频/中频熔覆使得铝涂层中的铝均匀地渗透于高频熔覆的镍基自熔合金层的表层而形成的冶金结合。

本文所述用语“约”，“大约”，“基本上”和“主要”，当与元件，浓度，温度或其它物理或化学性质或特性的范围结合使用时，覆盖可能存在于属性或特性的范围的上限和/或下限中的变化，包括例如由舍入，测量方法或其他统计变化导致的变化。如本文所述，与量，重量等相关的数值，被定义的“约”是每个特定值的所有数值加或减1％。例如，用语“约10％”应理解为“9％至11％”。

Ⅱ、实施方案

金属表面渗铝是传统的表面强化方法，也是提高金属材料耐腐蚀性的有效途径。通常工业中常在金属构件表面喷铝合金，是由于铝的负电位和钢形成牺牲阳极保护作用从而使钢基体得到保护，属于防腐效果显著且成本较低的主要方法。但由于铝熔点较低，从理论上来说并不适合高温环境使用。然而，实际上铝在高温下表面极易产生一层氧化铝薄膜，也就是说铝涂层如果应用在锅炉垃圾焚烧的高温环境下，铝极易与空气中的氧气反应生成致密的Al₂O₃氧化膜。尽管膜厚仅为微米量级，但对高温防腐来说，陶瓷膜与金属涂层相比具备“以一顶十”的效果。再就是膜本身密度很高与涂层结合紧密，另一方面其再生能力很强，即使脱落也会在高温下很快重新生成，从而起到有效保护涂层的作用。而且陶瓷膜厚仅为微米级，基本不会对导热产生影响。

但是，本发明人研究发现，如果仅在原重熔层表面喷涂一层铝，涂层疏松不说，而且涂层与基体间为机械结合易脱落。本发明人进一步研究发现，通过渗铝的方法可解决此问题，渗铝可在铝涂层与镍基自熔合金涂层两涂层之间产生一层扩散过渡层，这样就能实现两涂层之间的微冶金结合，且能降低孔隙率。

具体地，本发明所提供的用于水冷壁受热面防腐蚀的铝增强型熔覆复合涂层为一种镍基自熔合金表面渗铝复合涂层，该镍基自熔合金表面渗铝复合涂层包括镍基自熔合金涂层和包覆于镍基自熔合金涂层外表面的铝涂层，并且在镍基自熔合金涂层的靠近与铝涂层结合界面的表层部分均匀渗透有Al，由此形成过渡层；优选地，所述镍基自熔合金表面渗铝复合涂层由镍基自熔合金涂层和包覆于镍基自熔合金涂层外表面的铝涂层构成，并且在镍基自熔合金涂层的表层均匀渗透有Al形成过渡层，由此实现了两涂层之间的微冶金结合，增强了镍基自熔合金涂层和铝涂层的结合强度；所述过渡层的厚度约为8-10μm。

基于此，本发明所提供的受热面具有铝增强型熔覆复合涂层的水冷壁，其包括水冷壁基体和包覆于水冷壁表面的上述铝增强型熔覆复合涂层，该铝增强型熔覆复合涂层与水冷壁受热面为冶金结合；具体地，所述铝增强型熔覆复合涂层中，镍基自熔合金涂层的内表面与水冷壁受热面为扩散型冶金结合，可较好地防止涂层脱落；而铝涂层中的Al经铝涂层与镍基自熔合金涂层的结合界面(或者说镍基自熔合金涂层的外表面)均匀渗透于镍基自熔合金涂层的表层形成过渡层，使得镍基自熔合金涂层与铝涂层之间形成微冶金结合，由此增强镍基自熔合金涂层和铝涂层的结合强度。

本发明中的有铝增强型熔覆复合涂层的特点在于：

(1)铝涂层的厚度约为0.5mm，包覆于镍基自熔合金涂层外表面，与镍基自熔合金涂层组成复合涂层；

(2)镍基自熔合金涂层的内表面与水冷壁受热面形成扩散型冶金结合，可较好地防止涂层脱落；铝涂层中的Al经铝涂层与镍基自熔合金涂层的结合界面(或者说镍基自熔合金涂层的外表面)均匀渗透于镍基自熔合金涂层的表层形成过渡层，使得镍基自熔合金涂层与铝涂层之间形成微冶金结合，由此增强镍基自熔合金涂层和铝涂层的结合强度；所述过渡层的厚度约为8-10μm；

(3)由于使用环境为垃圾焚烧锅炉，其环境温度一般在400℃以上，因此，在使用时，铝增强型熔覆复合涂层最外层的铝涂层表面在>400℃的高温环境下被迅速氧化，形成Al₂O₃金属陶瓷膜，该膜厚度在10μm以下，约为几微米，对于水冷壁有较好的保护作用；

(4)在使用过程中，即便是铝涂层外表面的Al₂O₃金属陶瓷膜被磨蚀或腐蚀掉，铝涂层外表面在>400℃的高温环境下仍会被迅速氧化，形成Al₂O₃金属陶瓷膜，对于水冷壁有较好的保护作用；从这个角度讲，相当于铝涂层外表面的Al₂O₃金属陶瓷膜在使用过程中是可再生的。

本发明中所涉及的上述受热面具有铝增强型熔覆复合涂层的水冷壁的制备方法可以理解为在水冷壁受热面制备铝增强型熔覆复合涂层的方法，也可以理解为通过铝增强型熔覆复合涂层提高水冷壁防腐蚀性的方法。在本发明的一些具体实施方案中，本发明上述受热面具有铝增强型熔覆复合涂层的水冷壁的具体制备方法如下：

第一步：对水冷壁受热面(包括管曲面、根部和鳍片)进行喷砂处理，获得受热面粗糙化的水冷壁；

第二步：采用火焰喷涂系统，在水冷壁管排受热面堆焊镍基自熔合金粉末，厚度约0.5mm，获得受热面具有镍基自熔合金底层的水冷壁；

第三步：对涂层进行高频感应重熔，由于高频感应线圈的加热“趋肤”效应，仅将镍基自熔合金加热到熔点(1050℃)后重新结晶，该温度对基体影响较小。重熔后感应熔焊层和20G基体间可实现扩散型冶金结合，且喷涂层(镍基自熔合金高频感应熔覆层)的孔隙率低于1.5％，由此获得受热面具有镍基自熔合金高频感应熔覆层的水冷壁；

第四步：当受热面具有镍基自熔合金高频感应熔覆层的水冷壁(管排)重熔后从感应线圈中刚出来，管排表面仍为红热状态时，在高频感应熔覆层表面用电弧或火焰喷涂厚度约0.5mm的铝涂层；在该喷涂区域，即管排从感应线圈出来500mm以内，温度下降约为650-800℃；在重熔高温与喷涂的复合作用下，利用获得高能量的铝粉末粒子在红热状态较软基体上的“堆垛”效应，以提高层间的结合强度；由此获得受热面具有铝涂层和高频感应熔覆层的水冷壁；

第五步：喷涂铝涂层(简称为喷铝)完成后，对受热面具有铝涂层和镍基自熔合金高频感应熔覆层的水冷壁进行熔覆处理，获得受热面具有铝增强型熔覆复合涂层的水冷壁。

优选地，上述受热面具有铝增强型熔覆复合涂层的水冷壁的具体制备方法还包括第六步，检测管排表面覆层的质量，对局部缺陷进行修复。

在一些实施例中，所述镍基自熔合金底层的厚度为0.5±0.02mm。

在另一些实施例中，所述铝涂层的厚度为(0.5-0.7)±0.02mm。

本发明方法的特点是：在重熔完成后的红热高温区内，在熔焊层“软”表面喷涂铝粉，利用钉扎效应提高面层(铝涂层)与底层(镍基自熔合金涂层)间的结合强度。

本发明中对于喷铝操作没有特别的限制，只要喷涂顺畅、均匀即可，例如，可以采用本领域中常规的方法喷涂铝涂层。

本发明中，所述镍基自熔合金涂层材料包括但不限于含有2wt％-3wt％的B和2.5wt％-3.5wt％的Si的镍基自熔合金基料；优选地，所述镍基自熔合金涂层材料为含有2wt％-3wt％的B和2.5wt％-3.5wt％的Si的镍基自熔合金基料。

本领域技术人员应该了解的是，本发明中所述镍基自熔合金基料除了含有上述的B和Si外，还含有其他成分，例如，Ni：60wt％-70wt％，Cr：17wt％-18wt％，Mo：11wt％-13wt％，Cu：1.7wt％-2wt％，Fe：3wt％-5wt％。

本发明中，所述第五步的操作可有两个方案供选择：

(1)单行程方案：

采用双线圈异频感应加热装置进行异频感应熔覆处理。所述双线圈异频感应加热装置如图4所示，其包括并列间隔设置的高频感应线圈30和中频感应线圈40各一组，以及设置于线圈底部用于固定线圈的线圈支架60。

本发明中所述异频感应加热装置主要是基于本公司原有的用于制备具有高频熔覆涂层的水冷壁的高频感应设备(参见图2)经过大量研究设计改造获得，因此，除了上述并列间隔设置的高频感应线圈和中频感应线圈各一组，以及设置于线圈底部用于固定线圈的线圈支架之外，所述异频感应加热装置还包括用于运送管排的传动链(参见图4)，以及由传动链带动的用于运送管排的传动链滚柱70，参见图2和图4。

为防止并列间隔设置的高频感应线圈30和中频感应线圈40彼此干扰，所述高频感应线圈30与中频线圈40之间相互绝缘设置。本发明中对于绝缘方式没有特别的限制，可以采用本领域中常规技术实现绝缘设置。

从装置整体看，本发明中所述高频感应线圈30与中频线圈两组线圈40距离很近，实际上为并列相隔一定间距的间隔设置，所述高频感应线圈与中频线圈之间的间距为500mm。

本发明中，所述高频感应的电流频率>50kHz，所述中频感应的电流频率为1-10Khz。

特别地，所述管顶表面到感应线圈距离为5±1mm。

本发明中所述单行程方案主要实施方式如下，待高频感应重熔-喷铝行程完成后，高频感应线圈自动关停，启动中频感应线圈，同时将加热面具有铝涂层和镍基自熔合金高频感应熔覆层的管排相对于线圈继续做进给运动进入中频感应线圈(第二个感应线圈，也称为渗铝线圈)，对加热面的铝涂层和镍基自熔合金高频感应熔覆层进行中频感应熔覆处理，获得受热面具有铝增强型熔覆复合涂层的水冷壁。该过程中两个线圈间距约500mm，该线圈的加热可将铝面层(即铝涂层)微熔化并部分渗入到底层(即镍基自熔合金高频感应熔覆层)，面层和底层相互融合，从而进一步提高层间(铝涂层与镍基自熔合金高频感应熔覆层)的结合强度。同时，因为该线圈的加热温度相对镍基自熔合金的熔点而言偏低，而且高频感应自身具有的集肤效应，从而可使镍基自熔合金底层基本不产生影响。

例如，在一些例子中，在第三至五步采用双线圈异频感应加热装置进行异频感应熔覆处理的具体方法如下：

在步骤E中，启动高频感应线圈30，同时管排1也开始向前相对高频感应线圈30做进给运动，对水冷壁1加热面的镍基自熔合金底层进行高频重熔，获得加热面具有镍基自熔合金高频感应熔覆层的水冷壁；

步骤F中，当受热面具有镍基自熔合金高频感应熔覆层的水冷壁刚从高频感应线圈30中出来，管排1表面仍为红热状态时，在镍基自熔合金高频感应熔覆层表面用电弧或火焰喷涂铝涂层50(高频感应线圈和中频感应线圈之间的500mm间距内)，获得表面具有铝涂层和镍基自熔合金高频感应熔覆层的水冷壁

步骤G，高频感应线圈30自动关停，启动中频感应线圈40，同时将加热面具有铝涂层和镍基自熔合金高频感应熔覆层的管排相对于中频感应线圈40做进给运动，对加热面的铝涂层和镍基自熔合金高频感应熔覆层进行中频感应熔覆处理，获得受热面具有铝增强型熔覆复合涂层的水冷壁。

(2)双行程方案：

采用单线圈高频感应加热装置进行高频感应熔覆处理。所述单线圈高频感应加热装置如图3所示，其包括高频感应线圈[高频感应重熔与渗铝共用线圈(矩形铜管)]80以及设置于线圈底部用于固定线圈的线圈支架60。

该单线圈高频感应加热装置中的高频感应线圈80与双线圈异频感应加热装置中的高频感应线圈30相同或不相同，优选为相同。

本发明中单线圈高频感应加热装置是本公司原有的用于制备具有高频熔覆涂层的水冷壁的高频感应设备(参见图2)，其除了上述高频感应线圈，以及设置于线圈底部用于固定线圈的线圈支架之外，还包括用于运送管排的传动链(参见图2)，以及由传动链带动的用于运送管排的传动链滚柱70，参见图2和图3。

在本发明的一些实施例中，所述单线圈高频感应加热装置中高频感应的电流频率>50kHz，管顶表面到感应线圈距离为5±1mm。

本发明中所述双行程方案主要实施方式如下，待重熔-喷铝行程完成后，将加热面具有铝涂层和镍基自熔合金高频感应熔覆层的管排相对于线圈做反向进给运动，对加热面具有铝涂层和镍基自熔合金高频感应熔覆层的管排进行高频感应熔覆处理，经过重熔-渗铝共用线圈80完成渗铝工序，获得受热面具有铝增强型熔覆复合涂层的水冷壁。在此工况下，感应线圈参数不变，通过调整管排回程的进给速度来获得最佳的渗铝效果。该方案可节省一个感应线圈，减少设备投入。

该方案的特点是：重熔-渗铝共用线圈，通过往返两个行程完成重熔与渗铝两道工序。也就是将新技术有机地嵌入到原技术中，在降低设备投入的同时显著提高防护性能。

例如，在一些例子中，在第三至五步采用单线圈高频感应加热装置进行高频感应熔覆处理的具体方法如下：

第三步，启动高频感应线圈80，同时管排1也开始向前相对线圈80做进给运动，对水冷壁加热面的镍基自熔合金底层进行高频感应重熔，获得加热面具有镍基自熔合金高频感应熔覆层的水冷壁；

第四步，当受热面具有镍基自熔合金高频感应熔覆层的水冷壁刚从感应线圈80中出来，管排1表面仍为红热状态时，在镍基自熔合金高频感应熔覆层表面用电弧或火焰喷涂铝涂层50(管排从感应线圈出来500mm区域以内)，获得加热面具有铝涂层和镍基自熔合金高频感应熔覆层的水冷壁；

第五步，将加热面具有铝涂层和镍基自熔合金高频感应熔覆层的管排相对于线圈80做反向进给运动，对加热面具有铝涂层和镍基自熔合金高频感应熔覆层的管排进行高频感应熔覆处理，获得受热面具有铝增强型熔覆复合涂层的水冷壁。

根据本发明方法，在第三至五步中，所述进给移动的速度为1-3.5mm/秒。

本发明的初衷就是创新一种综合性能优于传统的堆焊和现有的感应熔焊方法，以适应高参数锅炉的高温腐蚀防护需求。虽然渗铝技术是传统表面强化技术，而且国外曾有过在火电锅炉管表面直接渗铝的报道，但用在垃圾锅炉管道受热面，且在涂层表面制备复合涂层，尚属首创。

本发明的优点如下：

(1)与原感应熔焊方法制备的厚度约0.5mm的涂层相比，该复合涂层总厚度超过1mm(自熔合金重熔涂层是0.5mm，而铝涂层也是0.5mm)，所以防护寿命比原方法明显提高。与传统堆焊(传统堆焊层至少厚度2mm以上)相比，复合涂层在防护性能不降低的条件下厚度减小约50％，而且涂层中大部分材料为成本低廉的铝粉，所以该复合涂层的运行成本比堆焊要下降30％以上，与原熔焊涂层相比成本提高也低于20％。

(2)铝合金的导热系数与基体很接近，虽然表面有一层陶瓷膜使导热系数有所降低，但由于膜层厚度仅为几-几十微米，所以基本不影响管道的传热。

(3)高频感应加热渗铝层的组织结构与其它渗铝工艺不同，一般不会出现表面脆性区。这是因为感应快速加热使面层的奥氏体晶粒来不及长大使晶粒细化，而且使铝原子扩散速度显著增加。

Ⅲ、检测方法

本发明中水冷壁受热面异频感应熔覆涂层(镍基自熔合金高频感应熔覆涂层和镍基自熔合金中频感应熔覆涂层)孔隙率根据GB/T l7721-1999(金属覆盖层孔隙率试验)进行监测。

本发明中熔覆层金属与基体表面金属的结合强度(例如，镍基自熔合金高频感应熔覆涂层和镍基自熔合金中频感应熔覆涂层与水冷壁外表面的结合强度)采用提拉试验法进行测量：制备熔覆试板，加工成T型提拉试件；将其磨平，抛光，腐蚀后，将熔覆层与基体结合表面加工成小尺寸截面；将T型提拉试件放入提拉夹具中，一起安装到mts-50KN金属拉伸试验机(济南美特斯测试技术有限公司)上；夹紧固定后以一定的加载速度进行提拉试验，通过作用力逐渐增加，直至T型提拉试件沿熔覆层与基体金属的结合面断裂，测试得到的最高强度值为熔覆层与基体金属表面的结合强度，单位为MPa。

本发明中水冷壁或其涂层的防腐蚀性能直接利用生产中的实际消耗率来进行检测。

Ⅳ、实施例

为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例来进一步详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。本发明中所使用的原料或组分若无特殊说明均可以通过商业途径或常规方法获得。

实施例1：

按照前述第一步到第五步中的操作及其条件制备具有铝增强型熔覆复合涂层的水冷壁，具体如下：

(1)自动喷砂机对水冷壁管排表面进行喷砂粗化处理。

(2)火焰喷涂镍基自熔合金底层，厚度约0.5mm。

(3)对喷涂层进行高频感应重熔，管顶表面到感应线圈距离为5±1mm。

(4)在重熔过程中采用专用工装严格控制管排变形。

(5)当水冷壁管排从感应线圈中刚出来，管排表面仍为红热状态时，在管排从感应线圈出来500mm区域以内，在重熔层表面用电弧或火焰喷涂厚度为0.5-0.7mm的铝涂层。

(6)两种方案：

1)待重熔-喷铝行程完成后，管排反向进给，经过重熔-渗铝共用线圈80完成渗铝工序(见图3)，进给速度在1-3.5mm/秒范围内需依据渗铝效果试验而定。

2)管排随即进入第二个感应线圈40进行渗铝(见图4)，两个线圈间距(30与40之间)约500mm。该线圈的功率比重熔线圈要低，加热温度约950℃，使铝涂层微熔化并部分渗入到底层，使面层和底层相互融合。

(7)检测管排表面覆层的质量，对局部缺陷进行修复。

根据GB/T l7721-1999(金属覆盖层孔隙率试验)对本实施例中受热面具有铝增强型熔覆复合涂层的水冷壁的孔隙率进行监测，检测表明上述异频感应熔覆涂层内部孔隙率很小(<1.5％)，基本可以忽略。

采用提拉试验法进行测量，铝增强型熔覆复合涂层与水冷壁外表面的结合强度在100MPa以上。

直接利用生产中的实际消耗率来检测本实施例中受热面具有铝增强型熔覆复合涂层的水冷壁的防腐蚀性，并与具有原涂层的20G水冷壁管排的防腐蚀性进行对比，结果表明本实施例中受热面具有铝增强型熔覆复合涂层的水冷壁具有良好的防腐蚀性，其服役寿命在中温中压(450℃，4MPa)条件下至少可达到6年以上，相较于具有原涂层的20G水冷壁管排至少提高了5年。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明做出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着发明限于其中公开的特定例，相反，发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。