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(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到換熱管及其制造領(lǐng)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(shù)：
煉油、石油化工等行業(yè)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(jié)構(gòu)。常用的表面結(jié)構(gòu)有各種形狀的溝槽、肋片和多孔表面。其中自20世紀(jì)60年代發(fā)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(jié)垢能力，已成為一種工業(yè)應(yīng)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(jié)金屬粉末法、機械加工法、電鍍法、電化學(xué)腐蝕法、覆蓋金屬絲網(wǎng)法、熱噴涂金屬粉末法等。1956年8月，美國人Milton進行了燒結(jié)多孔薄層應(yīng)用于各類換熱結(jié)構(gòu)的研究，并于1968年申請了燒結(jié)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(shù)實現(xiàn)了在管材和板材上噴涂能提高沸騰傳熱系數(shù)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(fā)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(nèi)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(jīng)過預(yù)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(chǎn)出來的多孔表面換熱管因管材和多孔層物理性能不同，結(jié)合牢固性較差。根據(jù)同種材料相宜原則，大規(guī)模使用的鐵基換熱管表面應(yīng)該是鐵基粉末；同基材料可避免管材基體與多孔層之間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)以及在高溫高壓狀況下產(chǎn)生溫度應(yīng)力和變形應(yīng)力等導(dǎo)致多孔層脫落。目前，多孔表面換熱管的制造以燒結(jié)金屬粉末法為主。華東理工大學(xué)先后公開了三種多孔表面換熱管的低溫?zé)Y(jié)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(jié)溫度，用于制造銅、鐵換熱管的多孔表面。這種燒結(jié)加工方法雖然多孔層的孔隙率較高，為30 70%，但工序復(fù)雜，加工周期長，能耗大，成本高；而且管材在燒結(jié)時會經(jīng)過長時間的熱處理，這必然使基體管材的組織惡化，力學(xué)性能降低，難以滿足換熱管的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)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(fā)明的構(gòu)思為該換熱管由管子基體和表面多孔層構(gòu)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(jīng)熱噴涂而成；表面多孔層位于管子的外表面，內(nèi)表面為光面或具有強化冷凝作用的縱槽結(jié)構(gòu)；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(jīng)過預(yù)處理的金屬管外表面形成鐵基合金粉末金屬 多孔層。 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)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(shù)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(yù)熱，預(yù)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(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是 (1)本發(fā)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(jié)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(xué) 性能不會因高溫?zé)崽幚矶l(fā)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(yīng)輔助生產(chǎn)設(shè)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(fā)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(yè)化應(yīng)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(biāo)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(zhuǎn)速度。
具體實施方式

以下提供本發(fā)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(zhuǎn)，速度為400轉(zhuǎn)/分；用微碳化焰對管子基體進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制為 90 ll(TC。然后對預(yù)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(yán)格控制各項操作 參數(shù)，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(shù)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(shù)，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(jié)
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(zhuǎn)，速度為500轉(zhuǎn)/分；用微碳化焰對管子基體進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制為 90 IO(TC。然后對預(yù)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(yán)格控制各項操作參數(shù)，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(shù)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(shù)，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(jié) 強度的要求。 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明構(gòu)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(yīng)視為 本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)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(yù)熱，預(yù)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(quán)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(quán)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(quán)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(shù)為10 30%。
5. 如權(quán)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(quán)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(quán)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(fā)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(gòu)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(jīng)熱噴涂而成；表面多孔層位于管子的外表面，內(nèi)表面為光面或具有強化冷凝作用的縱槽結(jié)構(gòu)；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(jīng)過預(yù)處理的金屬管外表面形成鐵基合金粉末金屬多孔層。本發(fā)明的優(yōu)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(yè)化應(yīng)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(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)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(xué)