NiCrTi涂层抗高温腐蚀性能与应用研究

邱质彬， 王 杰， 李 泽， 袁 霖， 王 恒

（1.华电电力科学研究院，浙江杭州3100 30；2.贵州华电桐梓发电有限公司，贵州5632 00）

0 引言

近年，高硫无烟煤已成为许多燃煤发电企业的选择之一，高硫煤的使用给燃煤锅炉带来高温腐蚀的风险，特别对于燃用高硫煤的超临界锅炉情况更为严重，所以如何选择合理的材料对锅炉受热面管进行防护具有重要意义，以下主要针对NiCrTi涂层的高温腐蚀性能在试验室与实际工况条件下进行试验分析，确定该涂层是否能够满足燃用高硫煤超临界锅炉抗高温腐蚀的要求，同时针对NiCrTi涂层厚度优化选择以及脱落机理进行了分析，可为电厂在对受热面管进行NiCrTi涂层处理过程中提供参考。

1 试验材料

本文NiCrTi涂层采用Excalibur 2000超音速喷涂机制备，喷涂丝材型号为45 CT，试样基体为20钢，采用两遍喷砂对基体进行表面预处理，第一遍采用8目石英砂，第二遍采用16目棕刚玉，试验室试样未进行封孔处理，现场工况下试验的涂层采取了封孔措施，封孔剂型号为CT 2000高温纳米无机封孔剂。

2 高温硫酸盐腐蚀试验

2.1 试验方法

根据高温腐蚀的原理，硫酸盐型腐蚀是锅炉高温腐蚀的主要形式[1]，所以本文采用高温硫酸盐腐蚀试验对涂层与基体进行了测试。试验温度选定为650℃；涂层完全覆盖试样表面；将摩尔比7∶3的N a2S O4与K2S O4饱和水溶液均匀涂到试样表面，烘干后对试样称重，并置于650℃热处理炉中进行腐蚀试验。试验过程中，试样在保温到预定时间后取出，待冷却后重新称重，然后再涂盐、烘干、称重、腐蚀。腐蚀增重的数据按以下公式进行处理。腐蚀时间共计为200 h，每20 h左右进行一次试验。最后根据试验数据绘制出腐蚀动力学曲线，试验选用同尺寸20钢进行对比。

图1 NiCrTi涂层与20钢腐蚀试验动力学曲线

式中 Wi—第i次腐蚀前试件称重，mg；

Wi+1—第i次涂盐后的称重，mg；

Wi+2—第i次腐蚀后称重，mg；

A—试件的总的表面积，c m2；

0.6—扣除盐膜结晶水的系数。

2.2 腐蚀试验结果与讨论

图1为试验得到的NiCrTi涂层与20钢腐蚀试验动力学曲线。20钢的腐蚀增重呈直线增长，而NiCrTi涂层试样经过长时间腐蚀后，腐蚀增重曲线趋于稳定，这说明NiCrTi涂层对腐蚀环境产生了惰性。图2为NiCrTi涂层表面腐蚀前后的的形貌与X R D衍射分析结果，经腐蚀后NiCrTi涂层表面形成了完整致密的具有优良抗高温腐蚀能力的Cr2O3与Cr2N i O4组织[2～4]，所以使得NiCrTi涂层具有良好抗高温腐蚀能力。同时由图3可以看出，腐蚀后试样表面并未生成Cr、N i的硫化物，这说明涂层本体在试验过程中几乎未发生腐蚀现象，进一步说明了NiCrTi涂层具有优异的抗高温硫腐蚀的能力。

图2 NiCrTi涂层腐蚀前后表面形貌与X R D衍射试验结果

3 超临界高硫煤工况下的使用情况

3.1 涂层运行情况

于2010年在西南地区某电厂#2机组（燃煤硫含量约为5%左右）超临界W火焰锅炉水冷壁部分区域喷涂了本文试验用NiCrTi涂层，经过3 a的运行，对喷涂区域进行了检查，检查情况如图3所示，未发现涂层脱落与腐蚀现象，且涂层厚度未发生明显变化，说明了NiCrTi涂层可满足燃用高硫煤超临界锅炉高温防腐的要求。

图3 使用3年后的涂层检查情况

3.2 涂层对锅炉性能的影响

由上文可知NiCrTi涂层具有良好的抗高温腐蚀能力，但大面积的涂层是否会造成锅炉传热效率的下降，这是大家关注的问题之一，以下对此在试验室与实际运行状态下进行了对比试验。

3.2.1 热导率测试

试验选用F D-T D-B热导率测试仪，喷涂NiCrTi材料于未喷砂处理过的圆形20钢板表面，直径取60 mm，将涂层整体揭下后，使用C.H.Lees平板法进行热导率测试试验。试验结果见表1，结果显示两种涂层热导率均在13 W·m-1·K-1左右，该导热系数与不锈钢接近，这说明涂层具有较好的导热系数。

表1 热导率测试试验结果 W·m-1·K-1

3.2.2 锅炉热效率对比

分别于正式运行后对该厂#1、#2机组进行了性能考核试验，其中#1机组仅对少量区域进行了NiCrTi材料的喷涂，#2机组炉膛燃烧室及燃烬室部分区域进行了大面积的NiCrTi材料的喷涂。表2为#1、#2锅炉热效率试验结果，可见两台锅炉实际热效率均高于设计保证值，同时喷涂区域较多的#2锅炉热效率高于#1锅炉热效率，这说明，涂层并未对锅炉热效率造成负面影响。

表2 两台机组锅炉热效率试验结果

4 NiCrTi涂层厚度优化及脱落原因分析

由上文可知NiCrTi涂层具有优良的使用性能，所以提高NiCrTi涂层应用的可靠性是确保NiCrTi涂层在应用过程中发挥作用的基础，在确保涂层施工过程中基体处理工艺后，涂层在使用过程中面临的破坏性作用主要来自于温度交变导致的涂层脱落，所以对不同厚度的NiCrTi涂层进行热循环试验。

4.1 试验方法

试样尺寸为φ25.4 mm×8.3 mm，在试样表面严格按工艺要求制备NiCrTi涂层，涂层厚度分别控制在300 μm、400 μm、500 μm、600 μm、700 μm左右，将试样置于热处理炉中加热至650℃保温15 min，取出后进行水淬，观察涂层，涂层完好则继续上述步奏，涂层出现裂纹、脱落等则停止上述操作，并记录水淬次数，最后根据数据绘制涂层热震次数与涂层厚度的关系曲线。

4.2 试验结果

图4 热冲击失效次数与厚度的关系

图4为热循环试验结果曲线，随着涂层厚度的增加，涂层抗热冲击次数明显降低，这是由于涂层厚度增加，涂层与基体协调变形能力减弱，在反复热冲击的作用下，涂层与基体结合减弱从而导致涂层脱落。所以在实际使用过程中，应对NiCrTi涂层厚度进行控制，在易产生高温腐蚀的炉膛燃烧器附近区域，温度高，煤粉质地软，磨损轻微，可尽量将NiCrTi涂层厚度控制在300～400 μm左右，这样可保证在较低的成本下达到优良的抗高温腐蚀效果。

4.3 结果与讨论

图5为失效后涂层与基体截面微观形貌与EDS分析，可以看出涂层与基体尚未完全分离，结合界面与裂纹处产生了大量腐蚀产物，并对涂层产生了剥离作用，由此可见涂层与基体的膨胀不均的作用是涂层脱落的诱因，而涂层缺陷的出现与伴随出现的腐蚀与氧化是导致涂层脱落的最主要原因，所以在涂层制备过程中应尽量减少先天性缺陷的产生。

图5 热冲击失效涂层结构与涂层和基体界面产物EDS分析

5 结语

试验室条件NiCrTi涂层腐蚀性能试验结果与实际燃用高硫煤超临界锅炉工况下应用情况显示，NiCrTi涂层具有优异的抗高温腐蚀性能，能够满足燃用高硫煤超临界锅炉抗高温腐蚀要求，且不会锅炉传热造成负面影响。制备的NiCrTi涂层在应用于主要的高温腐蚀区域（燃烧器附近）时应以300～400 μm为宜。涂层与基体的膨胀不均是涂层脱落的诱因，而由此导致的缺陷是导致涂层脱落的最主要原因，所以在制备NiCrTi涂层的过程中应尽量避免先天性缺陷的产生。

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