INCONEL625-KN680復合涂層的性能研究

邱伊健,姚孝寒,熊 劍,楊卿遠,丁 豹

(1.江西省科學院應用物理研究所,330096,南昌;2.江西恒大高新技術股份有限公司,330000,南昌)

0 引言

鍋爐是一種特殊的密閉性的熱工設備,不僅需要承受爐內火焰高溫、煙氣沖刷,而且還要承受管內介質壓力。鍋爐受熱面高溫腐蝕普遍存在,嚴重影響了安全生產和經濟運行。金屬受熱面在高溫煙氣環境下發生高溫腐蝕,會造成受熱內壁變薄,強度降低,極易引發泄漏甚至爆管等事故,從我國發電廠運行分析資料表明[1-3],在發電廠的設備事故中,鍋爐的事故最多,在鍋爐事故中,四管(水冷壁管、過熱器管、再熱器管、省煤氣管)爆漏次數最多,幾乎達到50%以上[4]。鍋爐設備的安全運行直接關系到國家財產和人身安全,加強鍋爐的維護,是保證鍋爐安全、經濟、有效的重要環節之一。

垃圾焚燒發電是城市垃圾實行減容化、無害化、資源化的有效方法。垃圾焚燒供熱發電是利用特殊的垃圾焚燒設備,以城市工業和生活垃圾作為燃燒介質進行供熱發電的一種新型方式。垃圾焚燒的目的是盡可能焚毀廢物, 其最大的優點是可以使垃圾減容90%以上,減重70%以上,減少新污染物質產生, 避免造成二次污染,且其燃燒熱量可用來城市供熱和發電[5-8]。在垃圾焚燒爐中,受熱面易受到高溫氧化,氯、硫、釩腐蝕,導致內壁的厚度不斷變薄,內壁的有效承載能力不斷降低。同時產生的硫化氫等腐蝕氣體可沿金屬晶界穿過致密氧化層[9],進而腐蝕垃圾焚燒爐受熱面。

本文針對垃圾焚燒鍋爐受熱面易受到高溫氧化,氯、硫、釩腐蝕,熔鹽腐蝕等惡劣工況,尋找到一種合適的防腐材料和相應的制備工藝,對鍋爐受熱面進行針對性地有效保護,確保在一個大修周期內不出現腐蝕問題,延長鍋爐的使用壽命。通過大量實驗明確了對受熱面噴涂防腐涂層是保證垃圾焚燒電站鍋爐安全高效運行行之有效的重要方法之一,對節能環保和促進經濟效益具有重要意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗所用的基體材料為鍋爐一致的G20 CrNiMo合金滲碳鋼材料,由于含有少量Mo元素,使奧氏體等溫轉變曲線的上部往右移,具有一定的強度。

試驗所用的合金粉末為INCONEL625高溫合金粉末,用于超音速火焰噴涂制備金屬涂層。INCONEL625材料具有優秀的耐無機酸腐蝕能力,對氧化和還原環境都具有出色的抗點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕和侵蝕的性能。試驗所選用的粉末采用霧化法制備,粒度在300～900目,粉末晶粒細小,冷卻速度快,熱噴涂后成分均勻,不易出現宏觀偏析,化學成分如表1所示:

試驗所用的KN680耐高溫熔鹽腐蝕陶瓷涂料是由企業自主研發并投產,是專適于垃圾焚燒鍋爐防氯-硫混合熔鹽腐蝕的一種納米陶瓷涂料,由亞微米陶瓷顆粒和亞微米金屬顆粒和雜化納米溶膠組成,陶瓷顆粒粒徑為4級粒徑級配,最大限度實現陶瓷顆粒密堆,保證陶瓷涂層致密性。涂料液態密度為1.95 g/cm3,為單組分水性涂料,粒度0.2～2.5 μm。噴涂在金屬涂層表面,隨爐內溫度升高,超微陶瓷顆粒和金屬顆粒產生巨大的表面能,使陶瓷涂層與金屬涂層產生優異的結合力。長期最高使用溫度可達860 ℃,陶瓷涂層足夠的致密性亦使熔鹽無法穿透陶瓷涂層腐蝕鍋爐受熱面。同時陶瓷涂層燒結后成為絕緣體,亦杜絕了鍋爐受熱面可能受到的高溫熔鹽電化學腐蝕。

涂料的主要化學成分如表2所示。

表2 KN680耐高溫熔鹽腐蝕陶瓷涂料主要成分(wt%)

1.2 涂層制備

1.2.1 預處理 將G20基體試樣置于丙酮中浸泡,浸泡時間5 min,其后經過高溫烘烤除油,烘烤時間90 min。選用壓力式噴砂機對基體表面進行噴砂處理,噴砂磨料選用白剛玉砂(Al2O3)細沙,噴砂槍軸線與基體表面控制在70°～80°,噴砂壓力為2.8×105Pa, 時間為5—8 s,使基體表面粗糙化,檢測表面粗糙度在Rz50～Rz75范圍之內。

1.2.2 HVOF超音速火焰噴涂INCONEL625金屬涂層工藝 超音速火焰噴涂結構示意圖,如圖1所示。

圖1 超音速火焰噴涂結構示意圖

噴涂前,將INCONEL625高溫合金粉末放入干燥箱中60 ℃干烘6 h,以去除粉末中夾雜的水蒸氣,避免堵塞噴槍口。噴涂所用的其他工藝參數見表3。

表3 HVOF噴涂參數

1.2.3 KN680陶瓷涂層噴涂工藝 對金屬涂層表面進行磨削加工,準備噴涂陶瓷漿料。選擇高壓無氣噴涂機,濕膜厚度100 ～150 μm,經過T≥300 ℃ 、8 h固化,形成60 ～100 μm厚度的干膜,保溫24 h燒結,取出,自然冷卻至室溫10 ℃,形成陶瓷涂層,表面光滑,無開裂、剝落,氣孔等不良現象,測試涂層固態密度達到2.9～3.0 g/cm3。INCONEL625+KN680復合涂層制備完畢后,即可投入涂層性能測試。

1.3 涂層性能測試方法

稱重采用電子天平,精度 0.1 mg,測定樣品質量。

在微機控制電子萬能試驗機上測試金屬涂層的結合強度,并將每批次3個樣品的測試值取平均值作為試驗值。試樣規格Φ25×30,試樣基體材質G20。

在自動全洛氏硬度計上測試金屬涂層的表面硬度,并將每批次3個樣品的測試值取平均值作為試驗值。試樣規格Φ25×10,試樣基體材質G20,選用1.588 mm鋼球壓頭,45 kg試驗力。

在濕砂橡膠輪式磨損試驗機上測試涂層在常溫下的磨料磨損性能,基體材質G20,試樣規格57 mm×25.5 mm×6 mm,1 000轉,負載70 N,60目石英砂,砂水比例1 500：1 000。根據失重率計算公式計算失重比率:

(1)

式中,Wb、Wa分別為樣品磨損(沖蝕)前后的質量(多次稱重取平均值)。

在高溫沖蝕磨損試驗機上測試涂層的耐高溫沖蝕磨損能力,基體材質G20,試驗溫度500 ℃,35目金剛砂,試樣規格50 mm×50 mm×5 mm,氣壓0.6 MPa,沖蝕角度90°,沖蝕砂重10 kg,沖蝕時長8 min左右,試樣溫度保持在500 ℃。根據沖蝕面積計算3種材料單位面積內的質量損失:

(2)

式中,Wl為樣品沖蝕后質量損失,M為樣品沖蝕面積。

在馬弗爐內做高溫熔鹽腐蝕試驗,試樣規格50 mm×50 mm×5 mm,在燒結好的復合涂層表面鋪上一層混合鹽,爐溫保持在680±1 ℃,保持一定的時間,隨爐冷卻至室溫[8]。

使用HT-1000型高溫摩擦磨損試驗機測試涂層的高溫摩擦系數,試樣尺寸Φ30×5,試驗溫度600 ℃,加載500 g,磨損時間30 min,對磨材料選用6 mmSi3N4球頭,摩擦半徑5 mm,電機頻率10 Hz,獲得摩擦系數曲線。

2 結果與討論

2.1 INCONEL粉末形貌

將粉末樣品制成標準試樣,放入電子顯微電鏡中(電鏡型號Hitachi SU5000),將試樣形貌放大到一定倍數,如圖2所示,從圖2可以看出,粉末的球形度近球形。該批次粉末粒徑在300～900目(20～50 μm)范圍之內。

2.2 試樣涂層的形貌

噴涂后所形成的INCONEL625金屬涂層和INCONEL625+KN680陶瓷復合涂層的表面形貌如圖3(a)、(b)所示。通過光學顯微鏡觀察,金屬涂層平均厚度約為250 μm,涂層與基體表面處結合良好,但在涂層中存在一定的明顯孔隙,如圖3(c)所示;陶瓷復合涂層的平均厚度約為100 μm,整體復合涂層的平均厚度約為350 μm,從圖3(d)可以看出,噴涂陶瓷復合涂層之后,涂層更加致密,涂層內部的孔隙明顯減少。

2.3 INCONEL625金屬涂層與基體的結合強度

通過公式(3)計算出INCONEL625金屬涂層與基體的結合強度見表4,平均結合強度達到65 MPa,屬于物理結合,通常超音速火焰噴涂金屬涂層的結合強度在60 MPa左右,說明超音速火焰噴涂該INCONEL625金屬涂層達到了較好的結合強度。同時噴涂INCONEL625粉末顆粒在沉積過程中,Ni顆粒的撞擊一方面增大了涂層與基體間的界面結合面積;另一方面部分Ni顆粒嵌入到基體表層后對涂層與基體界面處有釘扎作用,這些基體表層的Ni顆粒在一定程度內提高了涂層/基體界面的結合強度[10-11]。

表4 涂層的結合強度表/ MPa

(3)

2.4 KN680陶瓷涂層與INCONEL625金屬涂層的結合強度

同樣根據公式(3)計算出KN680陶瓷涂層與INCONEL625金屬涂層的結合強度,見表5,陶瓷涂層與金屬涂層之間的平均結合強度為12.47 MPa,屬于物理結合。陶瓷涂層噴刷后的結合強度通常在8 MPa左右,說明KN680陶瓷涂層噴涂后與INCONEL625金屬涂層亦達到了較好的結合強度。

表5 涂層的結合強度表/ MPa

2.5 INCONEL625金屬涂層的表面硬度

INCONEL625金屬涂層的表面硬度測試結果見表6。

表6 涂層的表面硬度表

由表6可以看出,涂層的表面硬度可達到73.4 HR15N。INCONEL625合金在常溫下性能指標中表面洛氏硬度為68.3 HR15N,說明超音速火焰噴涂的金屬涂層達到了較高的硬度,可應用于工程機械與裝備的表面防護。

2.6 涂層的常溫磨損性能

本文選擇G20基材、INCONEL625涂層、INCONEL625+KN680復合涂層(經過600 ℃燒結)3種試樣在常溫下做磨料磨損的對比實驗,其結果見表7。相同磨損面積下失重比率G20基材> INCONEL625+KN680復合涂層>INCONEL625涂層,說明在常溫條件下G20基材的磨損率較高,而其余2個涂層試樣的磨損率相差無幾?？梢钥闯?2種涂層的腐蝕失重率均低于G20基材,這說明純INCONEL625涂層和INCONEL625+KN680復合涂層均可有效地保護基體材料。相比純INCONEL625涂層,INCONEL625+KN680復合涂層的腐蝕失重率有稍許增大,這可能是由于INCONEL625+KN680復合涂層中Si元素電位相對于Al元素較正,容易產生電偶腐蝕,對INCONEL625+KN680復合涂層中Al元素的腐蝕有促進作用。

表7 常溫下磨料磨損性能

2.7 涂層的高溫沖蝕性能

本文選擇G20基材、INCONEL625涂層、INCONEL625+KN680復合涂層3種試樣在500 ℃的高溫條件下做高溫沖蝕的對比實驗。測量實驗結果見表8,失重比率G20基材> INCONEL625涂層> INCONEL625+KN680復合涂層(失重比率計算同公式1)。根據計算結果,G20基材單位面積內的質量損失是INCONEL625涂層的5～6倍,是INCONEL625+KN680復合涂層的7～8倍。

表8 高溫沖蝕性能

因此,在高溫條件下,INCONEL625涂層的抗沖蝕性能是G20的5～6倍,INCONEL625+KN680復合涂層的抗沖蝕性能是G20的7～8倍,說明INCONEL625+KN680復合涂層的高溫抗沖蝕性能更優。

2.8 涂層的高溫熔鹽腐蝕性能

選擇G20基材進行高溫熔鹽加速腐蝕性能測試。由于試驗工況大大惡劣于垃圾焚燒鍋爐受熱面工作工況,因此,G20基材在680 ℃高溫下經過48 h的高溫熔鹽腐蝕后表面出現了嚴重的腐蝕,如圖4(a)所示。

選擇INCONEL625+KN680復合涂層進行高溫熔鹽腐蝕性能測試,如圖4所示。圖4 (b)為復合涂層經過600 ℃燒結之后形成的表面形貌;圖4 (c)為在復合涂層表面鋪上一層混合鹽,混合鹽的比例為WNaCl：WNa2SO4：WKCl=5：2：5;圖4 (d)是經過680 ℃高溫,168 h之后的形成的表面形貌。圖4 (e)是圖4 (d)局部放大圖。從圖4 (d)和(e)可以看出,復合涂層在680 ℃的條件下,經過168 h的高溫熔鹽腐蝕試驗后,表面無明顯腐蝕狀況。對比圖4(a)與(d)可看出,該INCONEL625+KN680復合涂層具有較強的抗高溫熔鹽腐蝕性能。

2.9 涂層的高溫摩擦磨損性能

測試各材料600 ℃摩擦磨損變化曲線如圖5,其中曲線1是G20基材,摩擦系數呈增長趨勢;曲線2是INCONEL625+KN680復合涂層,摩擦系數呈波浪形,然后趨于降低;曲線3是INCONEL625涂層,其高溫摩擦系數相對緩和,變化幅度不大?；牡钠骄Σ料禂禐?.68,INCONEL625金屬涂層的平均摩擦系數為 0.55,INCONEL625+KN680復合涂層的平均摩擦系數為0.61。相較來看,金屬涂層與復合涂層的的摩擦系數和磨損率都比基體材料要小,耐磨性整體提升了10%～20%。

圖5 各材料600 ℃時摩擦系數

3 結論

1)選擇超音速火焰噴涂設備噴涂INCONEL625粉末所形成的金屬涂層,是垃圾焚燒爐抗氯-硫高溫熔鹽腐蝕的一種較佳選擇,原因之一是超音速火焰噴涂相較電弧噴涂其焰流速度高,涂層孔隙率低,涂層結合強度大;其二是INCONEL625材料本身的抗氯-硫高溫熔鹽腐蝕性能優于大部分鍋爐噴涂材料;其三是粉末價格實惠,性價比高。

2)本文研究所用的自主研發KN680耐高溫氯-硫混合熔鹽腐蝕涂料可噴涂可刷涂,與INCONEL625金屬涂層所形成的的復合涂層的結合強度和耐蝕性能均達到了較優水平,對鍋爐水冷壁形成了雙重保護。企業可大面積推廣使用該自主研發KN680耐高溫氯-硫混合熔鹽腐蝕涂料。

3)近年來,垃圾焚燒發電成了一個新能源產業,爐內防腐耐磨涂層是快速消耗品,平均三到五年為一個更換周期。因此本文所研究的針對爐內防腐的復合涂層將有著十分廣闊的市場前景。