專利名稱：一種熱噴涂型鐵基粉末多孔表面換熱管的制備方法
一種熱噴涂型鐵基粉末多孔表面換熱管的制備方法
技術領域：
本發明涉及到換熱管及其制造領域，具體地說，是一種熱噴涂型鐵基粉末多孔表
面換熱管的制備方法。背景技術：
煉油、石油化工等行業大量使用換熱器，其投資一般占全部投資的30% 40%。因此，通過強化傳熱提高換熱器的傳熱效率，降低能量消耗具有重要的工程價值。目前強化沸騰傳熱的主要方法是改善傳熱表面結構。常用的表面結構有各種形狀的溝槽、肋片和多孔表面。其中自20世紀60年代發展起來的多孔表面換熱管以其高效沸騰換熱、低溫差沸騰、高臨界熱通量和良好的抗結垢能力，已成為一種工業應用前景廣泛的換熱元件。
多孔表面換熱管的制造方法主要有燒結金屬粉末法、機械加工法、電鍍法、電化學腐蝕法、覆蓋金屬絲網法、熱噴涂金屬粉末法等。1956年8月，美國人Milton進行了燒結多孔薄層應用于各類換熱結構的研究，并于1968年申請了燒結型表面多孔材料方面的第一個專利(美國專利)，美國專利號為US3384154。 1975年，美國蓋茨橡膠公司的Dahl等人首先采用火焰噴涂技術實現了在管材和板材上噴涂能提高沸騰傳熱系數的金屬多孔層，并申請了第一個熱噴涂法制造多孔表面換熱管的發明專利(美國專利)，美國專利號為US3990862。北京化工研究院公開了國內首個熱噴涂法制造多孔表面金屬管的制造方法，中國專利號為CN1003522，其采用具有高分解溫度的有機高分子材料粉末為造孔劑，與金屬粉末按一定比例混合后，通過氧_乙炔火焰噴涂在經過預處理的金屬管表面形成金屬多孔層；該方法適用于噴涂低熔點金屬粉末，以形成多孔層，如鋁多孔層的噴涂。但是該方法生產出來的多孔表面換熱管因管材和多孔層物理性能不同，結合牢固性較差。根據同種材料相宜原則，大規模使用的鐵基換熱管表面應該是鐵基粉末；同基材料可避免管材基體與多孔層之間發生電化學反應以及在高溫高壓狀況下產生溫度應力和變形應力等導致多孔層脫落。目前，多孔表面換熱管的制造以燒結金屬粉末法為主。華東理工大學先后公開了三種多孔表面換熱管的低溫燒結方法，中國專利號分別為CN1449880、 CN101088675和CN101251351，三種方法均采用低熔點合金粉末作為多孔層成分，可以有效降低燒結溫度，用于制造銅、鐵換熱管的多孔表面。這種燒結加工方法雖然多孔層的孔隙率較高，為30 70%，但工序復雜，加工周期長，能耗大，成本高；而且管材在燒結時會經過長時間的熱處理，這必然使基體管材的組織惡化，力學性能降低，難以滿足換熱管的相關標準規定。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種熱噴涂型鐵基粉末多孔表面換熱管的制備方法。 本發明的構思為該換熱管由管子基體和表面多孔層構成；表面多孔層以鐵或鐵合金細粒度粉末為主要成分，含有一定比例的鎳包鋁粉末和噴涂助劑經熱噴涂而成；表面多孔層位于管子的外表面，內表面為光面或具有強化冷凝作用的縱槽結構；其制備方法為先將鐵基合金粉末、鎳包鋁粉末與噴涂助劑按一定比例均勻混合，形成機械合金化粉末；再 通過氧_乙炔火焰以一定角度噴涂在經過預處理的金屬管外表面形成鐵基合金粉末金屬 多孔層。 本發明的目的是通過以下技術方案來實現的 —種熱噴涂型鐵基粉末多孔表面換熱管的制備方法，具體步驟為
(1)將鐵基合金粉末、鎳包鋁粉末與噴涂助劑混合均勻，形成機械合金化粉末；
所述的鐵基合金粉末為細粒度球狀粉末，其粒度為100 400目，使用微碳化焰或 中性焰進行噴涂，溫度為600 900°C ; 所述的鐵基合金粉末與鎳包鋁粉末的混合重量比為5 : i 8 : i;所述的噴涂助劑為低熔點合金元素Cr、Ni、Ti、Al、Sn、B、P、Si中的一種或幾種，
其在噴涂粉末中的重量分數為10 30%，其作用是降低鐵基合金粉末的熔點； (2)對金屬管進行表面清潔處理，即除銹、去除氧化皮及油污； 所述的金屬管為碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等普通換熱管； (3)對表面處理好的金屬管進行預熱，預熱溫度控制在90 130°C ; (4)采用氧-乙炔火焰噴槍噴涂打底粉，在金屬管外表面形成底層； (5)采用氧_乙炔火焰噴槍噴涂機械合金化粉末，形成金屬多孔層，得到熱噴涂型
鐵基粉末多孔表面換熱管； 所述的熱噴涂型鐵基粉末多孔表面換熱管厚度為0. 2 0. 5mm，孔隙率為35 65 % ，孔隙半徑為0. 05 0. 4mm ; 熱噴涂時噴涂角度(即氧-乙炔火焰噴槍的噴嘴與管子基體之間的夾角)為 55° 85° ，并且采用單向間歇式噴涂方法，保持噴涂角度一致。
與現有技術相比，本發明的積極效果是 (1)本發明采用機械化合金粉末作為噴涂材料，降低了火焰噴涂所需溫度，減小了 多孔層中鐵基粉末顆粒的變形尺寸，增加了孔隙率，提高了多孔層中孔隙的連通性，保證了 多孔層與管子基體的結合強度。同時，降低火焰噴涂溫度，也保證了管子基體的組織和力學 性能不會因高溫熱處理而發生顯著變化； (2)與其他制造方法相比，該制備方法不受管子基體長度的限制，可以快速制備任
意長度的多孔表面換熱管；這大大簡化了其制造工藝過程，減少了相應輔助生產設備的投
資；同時，也保證了多孔表面換熱管的性能不因其自身長度的影響而發生變化； (3)該制備方法不需添加造孔劑，工藝簡單，成本低，效率高；傳熱性能好，能有效
強化沸騰傳熱，可以滿足工業化應用的要求。
圖1為熱噴涂型鐵基粉末多孔表面換熱管制備工藝示意圖； 圖2為熱噴涂型鐵基粉末多孔表面換熱管局部放大圖(剖視圖)； 附圖中的標號分別為1、基體(管子)，2、多孔涂層，3、氧-乙炔火焰噴槍，4、多孔
層，5、管子基體，a 、噴涂角度，V、管子軸向移動速度，W、管子旋轉速度。
具體實施方式
以下提供本發明一種熱噴涂型鐵基粉末多孔表面換熱管的制備方法的具體實施 方式。 實施例1 鐵基合金粉末的粒度取140 200目，鎳包鋁粉末的粒度取140 250目，將鐵基 合金粉末、鎳包鋁粉末與噴涂助劑按重量比6 : 1 : 3均勻混合成機械化合金粉末。先將 管子基體水平旋轉，速度為400轉/分；用微碳化焰對管子基體進行預熱，預熱溫度控制為 90 ll(TC。然后對預熱好的管子基體噴涂鎳包鋁粉末，形成厚度為0. 12mm的打底層，最 后再使用750 900°C的微碳化焰噴涂機械化合金粉末。(噴涂過程中嚴格控制各項操作 參數，管子基體不得超過20(TC，每次噴涂厚度不得超過0. 09mm，涂層的最終厚度由噴涂的 次數決定。)最后形成厚度為0. 34mm多孔表面涂層，其孔隙率為63%。
用去離子水測試其沸騰傳熱系數，為相同直徑光管的6倍。 采用電子萬能試驗機對其進行涂層抗剪切強度測試，測得其值為18MP，符合粘結
強度的要求。
實施例2 鐵基合金粉末的粒度取250 300目，鎳包鋁粉末的粒度取250 325目，將鐵基 合金粉末、鎳包鋁粉末與噴涂助劑按重量比7 : 1 : 3均勻混合成機械化合金粉末。先將 管子基體水平旋轉，速度為500轉/分；用微碳化焰對管子基體進行預熱，預熱溫度控制為 90 IO(TC。然后對預熱好的管子基體噴涂鎳包鋁粉末，形成厚度為0. 10mm的打底層，最 后再使用650 90(TC的微碳化焰噴涂混合粉末。(噴涂過程中嚴格控制各項操作參數，管 子基體不得超過18(TC，每次噴涂厚度不得超過0. 08mm，涂層的最終厚度由噴涂的次數決 定。)最后形成厚度為0.28mm多孔表面涂層，其孔隙率為54%。
用去離子水測試其沸騰傳熱系數，為相同直徑光管的4. 5倍。 采用電子萬能試驗機對其進行涂層抗剪切強度測試，測得其值為20MP，符合粘結 強度的要求。 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為 本發明的保護范圍內。
權利要求
一種熱噴涂型鐵基粉末多孔表面換熱管的制備方法，其特征在于，具體步驟為(1)將鐵基合金粉末、鎳包鋁粉末與噴涂助劑混合均勻，形成機械合金化粉末；(2)對金屬管進行表面清潔處理，即除銹、去除氧化皮及油污；(3)對表面處理好的金屬管進行預熱，預熱溫度控制在90～130℃；(4)采用氧-乙炔火焰噴槍噴涂打底粉，在金屬管外表面形成底層；(5)采用氧-乙炔火焰噴槍噴涂機械合金化粉末，形成金屬多孔層，得到熱噴涂型鐵基粉末多孔表面換熱管。
2. 如權利要求1所述的一種熱噴涂型鐵基粉末多孔表面換熱管的制備方法，其特征在于，在所述的步驟(1)中，所述的鐵基合金粉末為細粒度球狀粉末，其粒度為100 400目，使用微碳化焰或中性焰進行噴涂，溫度為600 900°C。
3. 如權利要求1所述的一種熱噴涂型鐵基粉末多孔表面換熱管的制備方法，其特征在于，在所述的步驟(1)中，所述的鐵基合金粉末與鎳包鋁粉末的混合重量比為5 : l 8 ! 1。
4. 如權利要求1所述的一種熱噴涂型鐵基粉末多孔表面換熱管的制備方法，其特征在于，在所述的步驟(1)中，所述的噴涂助劑為低熔點合金元素Cr、Ni、Ti、Al、Sn、B、P、Si中的一種或幾種，其在噴涂粉末中的重量分數為10 30%。
5. 如權利要求1所述的一種熱噴涂型鐵基粉末多孔表面換熱管的制備方法，其特征在于，在所述的步驟(2)中，所述的金屬管為碳鋼、低合金鋼、不銹鋼普通換熱管。
6. 如權利要求1所述的一種熱噴涂型鐵基粉末多孔表面換熱管的制備方法，其特征在于，在所述的步驟(5)中，所述的熱噴涂型鐵基粉末多孔表面換熱管厚度為O. 2 0. 5mm，孔隙率為35 65%，孔隙半徑為0. 05 0. 4mm。
7. 如權利要求1所述的一種熱噴涂型鐵基粉末多孔表面換熱管的制備方法，其特征在于，在所述的步驟(5)中，熱噴涂時噴涂角度，氧-乙炔火焰噴槍的噴嘴與管子基體之間的夾角為55° 85° ，并且采用單向間歇式噴涂方法，保持噴涂角度一致。
全文摘要
本發明涉及一種熱噴涂型鐵基粉末多孔表面換熱管的制備方法，該換熱管由管子基體和表面多孔層構成；表面多孔層以鐵或鐵合金細粒度粉末為主要成分，含有一定比例的鎳包鋁粉末和噴涂助劑經熱噴涂而成；表面多孔層位于管子的外表面，內表面為光面或具有強化冷凝作用的縱槽結構；其制備方法為先將鐵基合金粉末、鎳包鋁粉末與噴涂助劑按一定比例均勻混合，形成機械合金化粉末；再通過氧-乙炔火焰以一定角度噴涂在經過預處理的金屬管外表面形成鐵基合金粉末金屬多孔層。本發明的優點不需添加造孔劑，工藝簡單，加工效率高，成本低，可滿足工業化應用的要求。
文檔編號C23C4/16GK101705464SQ20091019909
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月20日 優先權日2009年11月20日
發明者侯峰, 姚志燕, 徐宏, 戴玉林, 曾勇, 閆操 申請人:華東理工大學