20G钢管表面激光熔覆非晶...合涂层的耐腐蚀性能试验研究_王义厢.pdf

文章编号：（）：钢管表面激光熔覆非晶合金 复合涂层的耐腐蚀性能试验研究 收稿日期：王义厢，张长东，公 磊 （华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州）摘 要：利用激光熔覆技术在 钢表面熔覆合金涂层，分析了激光熔覆层的微观组织，利用高温腐蚀试验和烟气模拟腐蚀试验测试激光熔覆层的耐腐蚀性能。结果表明：细小晶粒与有较高韧性的非晶相夹杂并弥散于金属间化合物的复合组织具有良好的抗高温腐蚀、抗烟气腐蚀性能，可应用于垃圾焚烧锅炉受热面，改善其表面的耐腐蚀性能。关键词：钢管；激光熔覆；非晶；复合涂层；高温腐蚀；烟气腐蚀中图分类号：；文献标识码：第一作者：王义厢（），男，工学硕士，工程师，主要从事电站锅炉检验检测及承压部件失效分析的研究。，（，）：，：；前言城市生活垃圾焚烧发电目前已被公认为是城市生活垃圾资源化、减量化和无害化处理的最有效方式之一。截至 年，我国建成投入使用的垃圾焚烧厂已有近 座。目前在用的垃圾焚烧发电锅炉大多为中温中压参数锅炉，水冷壁管材大多选用 材质，过热器管主要是铬镍不锈钢。由于锅炉燃料为成分复杂、腐蚀性物质较多的生活垃圾，导致垃圾焚烧锅炉主要受热面烟气侧腐蚀十分严重，降低了锅炉的安全运行时间。针对这一问题，国内外进行了大量的研究，研究结论表明，氯、硫、碱金属以及重金属等元素的存在是受热面腐蚀的主要原因。采用先进焊接堆焊技术和热喷涂技术在受热面管表面易腐蚀区域喷涂防腐、防磨性能较好的金属粉末，形成防腐涂层，可以延长受热面管使用寿命，但成本较高。非晶合金具有长程无序、短程有序的结构特征，和传统晶态合金材料相比，具有更好的耐磨性和耐腐蚀性。铁基非晶涂层具有高硬度、高耐磨性和高耐腐蚀等优异性能的同时兼具低成本，在电厂、矿山机械、海洋工程及石化等有耐腐蚀需求的领域均具有广阔的应用前景。目前制备铁基非晶涂层 钢管表面激光熔覆非晶合金复合涂层的耐腐蚀性能试验研究的方法主要有等离子喷涂、超音速火焰喷涂和激光熔覆等方法。等离子喷涂方法形成的涂层结合强度好、结构致密、非晶程度高，但成本相对较高；超音速火焰喷涂制得的涂层综合性能良好，但可能会出现孔隙缺陷，直接影响了涂层的使用寿命；激光熔覆工艺具有快熔快冷的特点，制得非晶化涂层与基体紧密结合，且成本降低。本文就激光熔覆制得的非晶涂层，分析了激光熔覆涂层的微观组织，利用高温腐蚀试验和烟气模拟试验测试激光熔覆层的耐腐蚀性能。实验材料和方法 实验材料激光熔覆实验基体材料为（）钢管，熔覆材料选用铁基合金粉末（化学成分主要为：、）。基体材料表面粉末预置，厚度约为 ，利用大型工业用 激光器进行宽带熔覆。熔覆时连续 激光功率 ，光斑尺寸（），焦距 ，扫描速度 ，所形成的熔覆层厚度为 。目前垃圾焚烧锅炉水冷壁管采用 焊接技术堆焊 合金进行防护，该方法使得较多的 混入堆焊层而降低其性能。由堆焊层取试样及基体材料选取试样，作为高温腐蚀试验和烟气腐蚀试验的对比试样。检测方法使用金相切割机加工试样，对其打磨抛光。用腐蚀液对试样进行腐蚀，使用 型金相显微镜观测其显微组织。距涂层表面 处利用分析型透射电子显微镜对激光熔覆涂层进行微观组织结构特征观察。高温腐蚀试验采用涂盐法，试样置于电阻炉中进行。试验前将 +的饱和溶液涂覆在试样表面然后烘干，重复使试样表面盐膜的沉积量达到 ，试验温度分别为 、，每个温度节点时长为 ，然后用精度为 的分析天平进行称重，采用腐蚀增重法评价材料的抗高温腐蚀性能。完成试验后，将试样表面的残余盐膜清洗干净并烘干，用型号为 扫描电子显微镜（）观察涂层腐蚀形貌。烟气腐蚀试验模拟了生活垃圾焚烧锅炉的烟气腐蚀环境，相比垃圾焚烧锅炉实际运行环境，试验存在局限性。实验流程为：试样放置在管式加热炉中，使用、和 的混合气体模拟烟气成分，通过质量流量计控制气体组分，使用电加热器对流经管道的气体进行加热，温度误差，时间间隔 ，用精度为 的分析天平进行称重，采用质量减少量评价抗烟气腐蚀性能。试验中用到的气体与中温中压垃圾焚烧锅炉烟气成分相似，各气体的流量设置如表 所示，流经试样后的混合气体经处理后排入大气。表 气体流量设置质量分数（）（）（）（）（）余量 实验结果及分析 激光熔覆层微观组织图 为涂层横截面宏观形貌，由上而下顺序依次 基材 结合区 熔覆层。初步可以看出涂层组织均匀，结合区及熔覆层没有裂纹和孔洞等宏观缺陷。由图 可以看出激光熔覆涂层微观组织均匀致密，晶粒细小，呈树枝状，白亮点弥散分布于微观组织中。图 涂层宏观形貌图 熔覆层中部显微组织 微观组织结构特征分析由图 电子衍射图谱可见，一系列多晶衍射斑 钢管表面激光熔覆非晶合金复合涂层的耐腐蚀性能试验研究点分布在漫散射环上，表征非晶的漫散晕环可知涂层中含有无组织特征的非晶相，多晶衍射斑点比较弥散，确定为 固溶体相。由图 射线衍射图谱，可见在图中出现了表征非晶态的漫射包，说明在涂层中有非晶相的存在，同时如图 所示合金涂层能谱分析的元素分布，可以看出涂层中除了基体相、非晶相，还包含金属间化合物、等，涂层组织中金属间化合物其形状、大小各异，细小晶粒与非晶相相间并分布于金属间化合物中。图 涂层非晶衍射晕环图 涂层 图 涂层 射线衍射图谱 良好的抗高温腐蚀性能高温腐蚀试验曲线如图 所示。从腐蚀增重曲线来看，基体、非晶涂层、堆焊层三个试样开始阶段增重趋势较为平缓，随着温度的增加，腐蚀增重变化明显。但非晶涂层、堆焊层质量增重变化曲线趋于一致，均优于基体，均具有较好的抗高温腐蚀性能。图 高温腐蚀增重曲线激光熔覆涂层经过 个周期高温腐蚀后，试样表面布满腐蚀点、腐蚀坑，且腐蚀坑深浅各异，如图 所示。在试验过程中，元素发生扩散和迁移，如图 和图 所示，腐蚀坑内存在、元素，同时、元素含量减少。在试验初期，合金涂层表面能产生具有保护性的 和尖晶石型 氧化物钝化膜，可以阻挡腐蚀介质进入合金涂层，但由于热盐 的存在，合金表面的，容易形成 的挥发性产物，造成 元素含量的损失导致钝化膜的过早破坏，使得 直接与氧化膜下方的合金发生反应。随着氧化膜的破坏，元素首先沿涂层晶界向内侵入，与晶界处的活性较高的元素形成硫化物，然后与扩散进入涂层的 元素发生置换反应，释放出的 元素则进一步向涂层内层扩散。这表明在高温腐蚀过程中，元素、元素沿晶界逐步侵入到涂层内部，氧化物钝化膜遭到热盐不停的破坏，导致内层的 元素不停地向外扩散以修复破损的钝化膜形成新的保护膜。庞胜娇研究的气氛下碱金属硫酸盐的高温腐蚀，认为腐蚀初期发生选择性氧化，随后熔盐导致合金内硫化。李博帅等研究认为：晶粒尺寸越小，耐氧化性更好。等分析了激光功率对涂层耐腐蚀性能的影响，结果表明涂层晶粒细化是耐腐蚀性能提高的原因之一。和圣杰等模拟非晶材料在不同温度的硫化物环境下的电化学腐蚀，研究结果表明非晶合金具有良好的耐硫腐蚀性能。本试验制备的激光熔覆涂层组织中高度弥散的金属间化合物、细小晶粒与非晶相夹杂的团聚结合，减少了晶界的连续性，减 钢管表面激光熔覆非晶合金复合涂层的耐腐蚀性能试验研究缓了高温腐蚀的进程，验证了上述学者的观点。图 非晶合金涂层试样高温腐蚀表面形貌图 非晶合金涂层试样高温腐蚀表面成分图 非晶合金涂层试样高温腐蚀坑成分 良好的抗烟气腐蚀性能烟气腐蚀试验结果如图 所示。从质量减少量变化曲线可以看出，随着试验时间的增加，基材、非晶涂层、堆焊层试样质量均在减少，但非晶涂层的质量减少量远小于基材，优于堆焊层。原因在于试样表面形成的钝化膜以及涂层组织中高度弥散的金属间化合物、细小晶粒与非晶相夹杂的团聚结合的复合结构，减少了晶界的连续性，长程无序的非晶结构特征使得耐烟气腐蚀性能更加出色。通过试验曲线对比，激光熔覆非晶涂层是受热面提高耐烟气腐蚀的较好措施，优于受热面上的堆焊层。所以在受热面上用激光熔覆非晶涂层可以改善材料表面的耐腐蚀性能。图 烟气腐蚀质量减少量变化曲线（下转第 页）钢管表面激光熔覆非晶合金复合涂层的耐腐蚀性能试验研究图 现场施工实景图承压部件的腐蚀；减轻了炉顶漏灰，降低厂区环境粉尘污染和检修中的清灰工作量；减少漏风，降低引风机用电量；保温性能有所提升，散热量减少，有助于提高能源利用率。结语柔性密封能动态地吸收锅炉三方位膨胀，弥补了金属密封的缺陷，从根本上解决炉顶泄漏问题，且柔性密封环境适应能力强，施工工艺简便，是一种高效、可靠的密封技术，值得推广使用。参考文献 杜昌飞，于飞，张瑞芬锅炉炉顶柔性密封技术的应用发电设备，（）：，许涛，张明，李勇均匀覆膜密封技术在电厂的应用能源工程，（）：（上接第 页）结论（）选用铁基合金粉末，在 钢管表面激光熔覆合金涂层，涂层微观组织均匀致密，细小晶粒与有较高韧性的非晶相夹杂并弥散于金属间化合物的复合组织。（）高度弥散的金属间化合物、细小晶粒与非晶相夹杂的团聚结合，减少了晶界的连续性，减缓了高温腐蚀、烟气腐蚀的过程，非晶合金涂层具有良好的抗高温腐蚀、抗烟气腐蚀性能。（）相比较传统的 焊接技术堆焊 合金，在垃圾焚烧锅炉受热面上用激光熔覆非晶涂层可以提高材料表面的耐腐蚀性能。参考文献蒋旭光，刘晓博垃圾焚烧锅炉关键受热面腐蚀研究进展及方向思考中国腐蚀与防护学报，（）：顾玮伦，穆生肬，宋国庆，等垃圾焚烧锅炉氯腐蚀问题浅析应用能源技术，（）：李茂东，杨波，翟伟，等生活垃圾焚烧发电锅炉受热面腐蚀研究现状与进展清洗世界，（）：，唐翠勇，汪明文，庄哲峰，等激光熔覆技术制备非晶合金涂层的研究进展激光杂志，（）：张春芝，尚希昌，孙晟瑄，等激光熔覆高性能 基非晶涂层的研究进展 材料导报：王悦，李慧，梁精龙，等铁基非晶涂层的研究进展电镀与涂饰，（）：刘阳 锅炉水冷壁 堆焊技术沈阳：沈阳理工大学，朱庆军，邹增大，王新洪，等山东大学学报，（）：舒勇华，王福会，吴维 盐膜和水蒸气对纯 腐蚀行为的影响中国腐蚀与防护学报，（）：王亚伟高参数垃圾焚烧锅炉的受热面腐蚀锅炉技术，（）：庞胜娇三种合金耐硫酸盐 氯盐腐蚀行为研究大连：大连理工大学，李博帅，鲁金涛，朱明，等镍铁基高温合金摩擦焊接接头在煤灰 烟气中的腐蚀行为材料导报，（）：崔宸，武美萍，程伟 激光功率对 熔覆 涂层耐腐蚀性能的影响激光与光电子学进展，（）：和圣杰，徐钢，薛小军，等 激光熔覆大厚度铁基非晶合金的电化学腐蚀特性研究上海金属，（）：亚临界燃煤锅炉炉顶密封改造