電站鍋爐用 Fe-Al/Cr3C2涂層標準化防護機理研究

文賈海龍

電站鍋爐用 Fe-Al/Cr3C2涂層標準化防護機理研究

文賈海龍

本文選用目前治理火電站受熱面管道中常用Fe-Al/Cr3C2的噴涂材料，結合高速電弧噴涂技術制備防腐涂層，利用掃描電鏡、X-Ray衍射等試驗手段對其腐蝕產物及腐蝕機理進行分析和探討。為標準化選材提供理論依據。研究結果表明，噴涂后形成的涂層具有典型的層狀結構，較高的結合強度和硬度，涂層的耐高溫沖蝕性能良好，同時常溫和高溫耐磨損性能也較高，適用于電站鍋爐“四管”的標準化防護。

電站鍋爐 電弧噴涂 腐蝕 防護

引言

鍋爐管道的腐蝕、沖蝕問題已成為一個亟待解決的技術問題，世界各國都在著手解決這一難題。隨著表面工程技術的發展，一些國家已經采用熱噴涂技術解決鍋爐管道的腐蝕、沖蝕問題。熱噴涂處理后的管材防護性能好，價格相對選用優質材料低得多。實踐證明，表面工程技術是解決材料腐蝕與防護最經濟最有效的手段和方法，該技術已日益受到相關部門的高度重視。目前，在治理火電站受熱面管道熱腐蝕問題[1]的諸多手段中，電弧噴涂法以其經濟、環保、高效的特點，在所有的治理方法中脫穎而出。

電弧噴涂是以兩根絲狀金屬噴涂材料在噴槍端部短路產生的電弧為熱源，將熔化的金屬絲用壓縮空氣氣流霧化呈微熔滴，高速噴射到工件表面形成噴涂層的一種工藝。電弧噴涂技術作為先進制造技術中的重要技術，占著越來越重要的地位。在先進工業國家，電弧噴涂技術已廣泛應用于火電廠的受熱面管道防護，國內需要進一步加強在這一領域的研究，大力進行應用推廣。

1 試驗設計

1.1基體制備

20G鋼是火電站制造水冷壁的常用材料，所以選擇20G鋼作為基體材料，表1為20G的化學成分及性能。將試樣制為20mm×20mm的圓柱體，見圖1。

圖1 基材試樣規格（單位為毫米）

表1 20G鋼的化學成分及性能

1.2噴涂材料

噴涂材料選用Φ3mm的粉芯絲材Fe-Al/Cr3C2，填充粉末主要是Fe、Al、Cr3C2，芯材的化學成分組成見表2。

1.3.噴涂工藝參數及預處理

用XRBK-600型壓送式噴砂機對試樣表面進行噴砂處理，處理后使用CDMAS300系統HAS-01高速噴槍進行噴涂。噴涂參數見表3。

表2 Fe-Al/Cr3C2絲材化學成分（wt%）

表3 電弧噴涂工藝參數

2 電站鍋爐四管熱腐蝕試驗

2.1確定試驗條件

鍋爐四管的外壁溫度在200℃至800℃之間，煙氣溫度更高，其中終級省煤器溫度在200℃左右，水冷壁溫度在500℃至600℃，過熱器溫度在600℃至800℃之間。各受熱面腐蝕為發生在相應溫度區間的硫酸鹽腐蝕，據此可選擇腐蝕試驗溫度為650℃。根據某些電廠鍋爐水冷壁的腐蝕產物分析，試驗選用摩爾比為7∶3的Na2S04+K2S04飽和水溶液作為腐蝕劑。

圖2 完整試樣腐蝕后擬合動力學曲線

2.2試驗過程及設備

將試樣表面刷涂均勻的鹽膜，鹽膜量為2.0mg/cm2至3.0mg/cm2，放置在KSY-12-16型箱式電爐內加熱至650℃，保溫，保溫精度±5℃，保溫預定時間后取出，待冷卻后稱重，然后再涂鹽、腐蝕、稱重……，每次的保溫時間為2.5h，總的腐蝕時間為25h。采用TG328A型電光分析天平稱量試樣的重量，稱量精度±0.1mg。

2.3確定腐蝕增重

采用增重法定量地評定涂層的腐蝕速度。進行熱腐蝕試驗過程中，每隔2.5小時將試樣取出，稱重一次。稱得的重量依次用W1、W2、W3…W10表示。各試樣經過不同腐蝕時間的腐蝕增重按公式(1)計算。

式中∶

ωn：試樣在不同的腐蝕時間內的腐蝕增量（mg/cm2）；

Wn：試樣在第n次腐蝕前的重量（mg）； Wn+1：試樣在

第n次腐蝕后的重量（mg）；A：試樣的表面積（cm2）。

3 電站鍋爐四管保護機理分析

3.1熱腐蝕試驗結果及比較分析

經過25h的熱腐蝕試驗，以腐蝕時間和采用不連續稱重法所測得的試樣的增重，可得涂層完整試樣在650℃涂鹽情況可以看出,隨著腐蝕時間的增加,試樣的腐蝕增重量隨時間的增加逐漸增加，即腐蝕程度逐漸加深。

采用w=atb (其中w：試樣增重量△mg/cm2；t：腐蝕時間h；a，b為常數)為數學模型對其進行非線性擬合，擬合后動力學曲線如圖2，可以看出，隨著時間的增加，其腐蝕的速度變化不是很快。可見，電弧噴涂Fe-Al/ Cr3C2涂層抗熱腐蝕性極佳，對試樣的動力學方程進行求導運算，即可求出各試樣的腐蝕速度。其表達式V=mtn（V：腐蝕速度mg/cm2h；t：腐蝕時間h；m、n：常數）分別，試樣A：V=0.7162t-0.8699，試樣B：V=0.3553t-0.6406。對各完整試樣速度表達式進行詳細分析，并試樣均隨腐蝕時間的增加,腐蝕速度減小并趨于一定值（大約為0.05）。

對試樣速度表達式進行詳細分析,并結合速度曲線圖可知,試樣隨腐蝕時間的增加,腐蝕速度減小并趨于一定值(大約0.05),能起到保護基體的作用。

3.2表面分析

3.2.1金相組織觀察

采用顯微鏡，觀察涂層與基體結合部熱腐蝕前后的金相組織。 觀察前應對試樣表面進行打磨及拋光，拋光后立即浸蝕，采用擦拭法，浸蝕劑選用3%HNO3酒精溶液，觀察顏色變化后，立即用水沖洗，迅速用酒精漂洗并用熱風吹干。

Fe-Al/Cr3C2涂層表面分析圖.由圖3可以看出,涂層具有明顯的層狀結構,層狀的扁平顆粒之間。

圖3 完整試樣腐蝕后金相圖(200×)

3.2.2掃描電鏡試驗

采用配有能譜分析儀的掃描電鏡分別對涂層處腐蝕產物進行形貌、成份分析，掃描電鏡為ENERGY-EDA型，能譜分析儀為Quanta400型。可知利用高速電弧噴涂技術，在結構材料上獲得了鐵鋁金屬間化合物(Al13Fe4)涂層，另外添加相Cr3C2在高溫及復雜氧化條件下，最終生成Cr(CO)6強化相。

Fe-Al/Cr3C2涂層，能譜分析表明表面所含元素主要為鐵，應該是Fe2O3，腐蝕后涂層中相為Fe基固溶體(涂層基體相)。由元素分布圖可知，涂層及基體中O大量存在，由涂層至基體逐漸減少，說明涂層還是起到了保護基體的作用。且Fe、O元素含量多，分析應該是Fe2O3。 涂層中存在Al的氧化物及亮白色團絮狀Si氧化物。

3.2.3X-Ray衍射試驗

將試樣切割成厚度為5mm左右的扁圓柱形，利用X-Ray衍射由X-Ray衍射試驗及能譜分析，Cr大量均勻分布，存在于Cr(CO)6、Cr0.87及(Al0.9Cr0.1)2O3中，C與Fe結合以Fe5C2化合物形式均勻分布于涂層中。

分析涂層在650℃下腐蝕過程中，合金中的元素會發生部分燒損，有效含量不足以生成單一的氧化物，最終生成復合氧化物。

4 結 論

4.1 高速電弧噴涂涂層具有典型的層結構,較高的結合強度與硬度。

4.2 通過試驗分析可知Fe-Al/Cr3C2噴涂材料在涂層完整情況下，抗熱腐蝕。

4.3 研究表明，涂層表面均形成了具有良好保護性的致密的氧化物膜，主要為Cr的氧化物，起到了保護基體、防止腐蝕進一步發生的作用。

4.4 應用研究表明,高速電弧噴涂涂層適合于電站鍋爐“四管”的防護。

[1]夏木梁.電站鍋爐檢驗[R].北京:中國鍋爐壓力容器檢驗協會.2003.

[2]徐濱士，馬世寧，劉世參,等．表面工程的應用和再制造工程[J]．材料保護．2000.

作者單位：內蒙古呼倫貝爾市特種設備檢驗所