电站锅炉用 Fe-Al/Cr3C2涂层标准化防护机理研究

2013-03-07贾海龙

中国质量与标准导报 2013年7期

文贾海龙

文贾海龙

本文选用目前治理火电站受热面管道中常用Fe-Al/Cr3C2的喷涂材料，结合高速电弧喷涂技术制备防腐涂层，利用扫描电镜、X-Ray衍射等试验手段对其腐蚀产物及腐蚀机理进行分析和探讨。为标准化选材提供理论依据。研究结果表明，喷涂后形成的涂层具有典型的层状结构，较高的结合强度和硬度，涂层的耐高温冲蚀性能良好，同时常温和高温耐磨损性能也较高，适用于电站锅炉“四管”的标准化防护。

电站锅炉电弧喷涂腐蚀防护

引言

锅炉管道的腐蚀、冲蚀问题已成为一个亟待解决的技术问题，世界各国都在着手解决这一难题。随着表面工程技术的发展，一些国家已经采用热喷涂技术解决锅炉管道的腐蚀、冲蚀问题。热喷涂处理后的管材防护性能好，价格相对选用优质材料低得多。实践证明，表面工程技术是解决材料腐蚀与防护最经济最有效的手段和方法，该技术已日益受到相关部门的高度重视。目前，在治理火电站受热面管道热腐蚀问题[1]的诸多手段中，电弧喷涂法以其经济、环保、高效的特点，在所有的治理方法中脱颖而出。

电弧喷涂是以两根丝状金属喷涂材料在喷枪端部短路产生的电弧为热源，将熔化的金属丝用压缩空气气流雾化呈微熔滴，高速喷射到工件表面形成喷涂层的一种工艺。电弧喷涂技术作为先进制造技术中的重要技术，占着越来越重要的地位。在先进工业国家，电弧喷涂技术已广泛应用于火电厂的受热面管道防护，国内需要进一步加强在这一领域的研究，大力进行应用推广。

1 试验设计

1.1基体制备

20G钢是火电站制造水冷壁的常用材料，所以选择20G钢作为基体材料，表1为20G的化学成分及性能。将试样制为20mm×20mm的圆柱体，见图1。

图1 基材试样规格（单位为毫米）

表1 20G钢的化学成分及性能

1.2喷涂材料

喷涂材料选用Φ3mm的粉芯丝材Fe-Al/Cr3C2，填充粉末主要是Fe、Al、Cr3C2，芯材的化学成分组成见表2。

1.3.喷涂工艺参数及预处理

用XRBK-600型压送式喷砂机对试样表面进行喷砂处理，处理后使用CDMAS300系统HAS-01高速喷枪进行喷涂。喷涂参数见表3。

表2 Fe-Al/Cr3C2丝材化学成分（wt%）

表3 电弧喷涂工艺参数

2 电站锅炉四管热腐蚀试验

2.1确定试验条件

锅炉四管的外壁温度在200℃至800℃之间，烟气温度更高，其中终级省煤器温度在200℃左右，水冷壁温度在500℃至600℃，过热器温度在600℃至800℃之间。各受热面腐蚀为发生在相应温度区间的硫酸盐腐蚀，据此可选择腐蚀试验温度为650℃。根据某些电厂锅炉水冷壁的腐蚀产物分析，试验选用摩尔比为7∶3的Na2S04+K2S04饱和水溶液作为腐蚀剂。

图2 完整试样腐蚀后拟合动力学曲线

2.2试验过程及设备

将试样表面刷涂均匀的盐膜，盐膜量为2.0mg/cm2至3.0mg/cm2，放置在KSY-12-16型箱式电炉内加热至650℃，保温，保温精度±5℃，保温预定时间后取出，待冷却后称重，然后再涂盐、腐蚀、称重……，每次的保温时间为2.5h，总的腐蚀时间为25h。采用TG328A型电光分析天平称量试样的重量，称量精度±0.1mg。

2.3确定腐蚀增重

采用增重法定量地评定涂层的腐蚀速度。进行热腐蚀试验过程中，每隔2.5小时将试样取出，称重一次。称得的重量依次用W1、W2、W3…W10表示。各试样经过不同腐蚀时间的腐蚀增重按公式(1)计算。

式中∶

ωn：试样在不同的腐蚀时间内的腐蚀增量（mg/cm2）；

Wn：试样在第n次腐蚀前的重量（mg）； Wn+1：试样在

第n次腐蚀后的重量（mg）；A：试样的表面积（cm2）。

3 电站锅炉四管保护机理分析

3.1热腐蚀试验结果及比较分析

经过25h的热腐蚀试验，以腐蚀时间和采用不连续称重法所测得的试样的增重，可得涂层完整试样在650℃涂盐情况可以看出,随着腐蚀时间的增加,试样的腐蚀增重量随时间的增加逐渐增加，即腐蚀程度逐渐加深。

采用w=atb (其中w：试样增重量△mg/cm2；t：腐蚀时间h；a，b为常数)为数学模型对其进行非线性拟合，拟合后动力学曲线如图2，可以看出，随着时间的增加，其腐蚀的速度变化不是很快。可见，电弧喷涂Fe-Al/ Cr3C2涂层抗热腐蚀性极佳，对试样的动力学方程进行求导运算，即可求出各试样的腐蚀速度。其表达式V=mtn（V：腐蚀速度mg/cm2h；t：腐蚀时间h；m、n：常数）分别，试样A：V=0.7162t-0.8699，试样B：V=0.3553t-0.6406。对各完整试样速度表达式进行详细分析，并试样均随腐蚀时间的增加,腐蚀速度减小并趋于一定值（大约为0.05）。

对试样速度表达式进行详细分析,并结合速度曲线图可知,试样随腐蚀时间的增加,腐蚀速度减小并趋于一定值(大约0.05),能起到保护基体的作用。

3.2表面分析

3.2.1金相组织观察

采用显微镜，观察涂层与基体结合部热腐蚀前后的金相组织。观察前应对试样表面进行打磨及抛光，抛光后立即浸蚀，采用擦拭法，浸蚀剂选用3%HNO3酒精溶液，观察颜色变化后，立即用水冲洗，迅速用酒精漂洗并用热风吹干。

Fe-Al/Cr3C2涂层表面分析图.由图3可以看出,涂层具有明显的层状结构,层状的扁平颗粒之间。

图3 完整试样腐蚀后金相图(200×)

3.2.2扫描电镜试验

采用配有能谱分析仪的扫描电镜分别对涂层处腐蚀产物进行形貌、成份分析，扫描电镜为ENERGY-EDA型，能谱分析仪为Quanta400型。可知利用高速电弧喷涂技术，在结构材料上获得了铁铝金属间化合物(Al13Fe4)涂层，另外添加相Cr3C2在高温及复杂氧化条件下，最终生成Cr(CO)6强化相。

Fe-Al/Cr3C2涂层，能谱分析表明表面所含元素主要为铁，应该是Fe2O3，腐蚀后涂层中相为Fe基固溶体(涂层基体相)。由元素分布图可知，涂层及基体中O大量存在，由涂层至基体逐渐减少，说明涂层还是起到了保护基体的作用。且Fe、O元素含量多，分析应该是Fe2O3。涂层中存在Al的氧化物及亮白色团絮状Si氧化物。

3.2.3X-Ray衍射试验

将试样切割成厚度为5mm左右的扁圆柱形，利用X-Ray衍射由X-Ray衍射试验及能谱分析，Cr大量均匀分布，存在于Cr(CO)6、Cr0.87及(Al0.9Cr0.1)2O3中，C与Fe结合以Fe5C2化合物形式均匀分布于涂层中。

分析涂层在650℃下腐蚀过程中，合金中的元素会发生部分烧损，有效含量不足以生成单一的氧化物，最终生成复合氧化物。