0 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展以及城市化腳步的加快,多個城市出現(xiàn)生活垃圾圍城現(xiàn)象,農(nóng)村農(nóng)作物秸稈生物質(zhì)垃圾的傳統(tǒng)燃燒處理方法也對空氣質(zhì)量造成嚴重威脅,垃圾處理與民生息息相關(guān)。垃圾焚燒發(fā)電逐漸成為最主要的固廢垃圾處理方式,截止2019 第1 季度,全國在運行的生活垃圾焚燒廠數(shù)量已突破400 座,預(yù)計2020 年底將共有約600 座處于運行狀態(tài)[1]。與常規(guī)化石燃料相比,農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)垃圾成分復(fù)雜,其中的Cl、S、堿金屬等成分在燃燒過程中以不同形態(tài)存在,一部分轉(zhuǎn)化為煙氣中的HCl和Cl2,一部分和堿金屬元素結(jié)合形成腐蝕積灰黏附于過熱器外管壁,氣態(tài)氯腐蝕與煙氣中的SO2 形成硫氯協(xié)同氣體腐蝕,并與低熔點的堿金屬積灰耦合腐蝕[2-3],導(dǎo)致垃圾焚燒電站受熱平面的耐熱鋼壽命顯著縮短,運行成本顯著提高。根據(jù)調(diào)研,未防護的垃圾焚燒鍋爐受熱面管道服役不到20 個月就會發(fā)生嚴重腐蝕,甚至不得不換管,導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失[1-3]。

研究表明[4],通過堆焊或者熔覆技術(shù)在鍋爐受熱面管道表面制備高耐腐蝕性能的鎳基合金層可顯著降低生物質(zhì)垃圾焚燒鍋爐受熱面耐熱鋼部件的腐蝕速率,降低安全事故發(fā)生的概率。腐蝕機理分析結(jié)果表明[4-5],對于鐵基合金管道, 高溫條件下堿金屬氯化物與鐵反應(yīng)時會產(chǎn)生低粘度的液態(tài)甚至是氣態(tài)的氯化鐵,腐蝕產(chǎn)物會迅速流失,導(dǎo)致新鮮金屬表面再次暴露,腐蝕速率極快。而Ni和Cr等元素的氯化物熔點均高于1000℃,在服役條件下為固態(tài),且氯化物進一步與氧氣反應(yīng)生成的Cr2O3 與鎳鉻尖晶石氧化物結(jié)構(gòu)致密,因此表現(xiàn)出比鐵基合金更好的耐高溫氯化物腐蝕性能。堆焊與熔覆的鎳基合金防腐層具有涂層與基材為冶金結(jié)合且耐腐蝕性能優(yōu)異等優(yōu)點,然而堆焊與熔覆技術(shù)多用于新品,具有不能在電廠進行現(xiàn)場施工、涂層制備效率較低、高的熱輸入導(dǎo)致耐熱鋼顯微組織退化和管排整體發(fā)生變形等諸多問題,不能滿足在役垃圾焚燒鍋爐受熱面耐熱鋼部件對耐腐蝕涂層的需求。熱噴涂技術(shù)具有涂層制備效率高、可現(xiàn)場施工等優(yōu)點,但是電弧噴涂、常規(guī)火焰噴涂等廣泛用于煤電機組的熱噴涂由于存在孔隙率高、內(nèi)粒子層間結(jié)合較差等問題,被證實在生物質(zhì)燃燒鍋爐受熱面腐蝕防護方面并不能起到長期有效的防護作用[6-9]?？諝獬羲倩鹧鎳娡? High velocity air fuel, HVAF) 技術(shù)將常規(guī)超音速火焰噴涂(High velocity oxyger-fuel, HVOF) 用于助燃的氧氣換為空氣,進一步降低了火焰溫度,并通過提高氣體流量使得顆粒速度顯著提高,使得HVAF制備的金屬涂層比常規(guī)HVOF涂層氧化程度更低,涂層制備效率更高[10]。因此文中以在生物質(zhì)燃燒發(fā)電鍋爐受熱面腐蝕防護得到驗證的Inconel625 鎳基合金為涂層材料, 采用HVAF在廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)焚燒發(fā)電受熱面的TP347 耐熱鋼管材表面制備了Inconel625 合金涂層,重點研究了所制備的涂層在模擬生物質(zhì)發(fā)電鍋爐受熱面服役環(huán)境下TP347H耐熱鋼的耐腐蝕性能,以期為在役生物質(zhì)發(fā)電鍋爐受熱面的熱腐蝕防護提供策略與方法。

1 試驗

1.1 涂層制備

以氣霧化球形Inconel粉末為噴涂粉末(AMPERIT380, HC Starck Gmbh, Germany),粒度15~45 mm,化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))為:63.1%Ni、22.4%Cr、9.1%Mo、 3.8%Nb、 1.5%Fe。以外徑為 Φ54 mm, 壁厚為10 mm的TP347H耐熱鋼(1Cr19Ni11Nb)管材作為基材,噴涂前以1.18 mm(16 目)的白剛玉砂在壓縮空氣壓力為0.8 MPa的條件下進行噴砂表面粗化處理。采用M3 TM 型HVAF噴涂系統(tǒng)(UniqueCoat, Oilville, VA, USA) 在優(yōu)化的參數(shù)下制備涂層,具體工藝參數(shù)如表1 所示。為防止基材過熱,采用壓縮空氣對基材進行冷卻,最終涂層厚度約為1 mm。

表1 Inconel625 涂層的噴涂參數(shù)

1.2 高溫腐蝕及沖蝕試驗

采用線切割將HVAF噴涂Inconel625 合金涂層后的TP347H耐熱鋼管材按照沿徑向四等分、軸向長度為20 mm進行切割,切割后單個樣品的涂層面積為8.5 cm 2 , 將未制備涂層的TP347H耐熱鋼管材切割成同樣尺寸在相同條件下進行腐蝕試驗作為對比。腐蝕試驗前,在樣品表面的涂層側(cè)涂覆KCl、NaCl及K3Na( SO4)2 摩爾比為3 ∶4:1 的飽和溶液,放入剛玉坩堝中并在200℃ 烘箱內(nèi)迅速烘干以模擬堿金屬鹽的腐蝕, 堿金屬鹽的化學(xué)成分根據(jù)分析電廠取樣獲得。在樣品從烘箱內(nèi)取出10 s內(nèi)采用測量精度為0.1 mg的電子天平對坩堝及樣品進行稱重,以防止吸附空氣中水分。

高溫腐蝕裝置如圖1 所示。由于垃圾焚燒發(fā)電鍋爐受熱面的溫度一般介于300~650℃ 之間,以再熱管為例,將腐蝕溫度定為550℃。將制備好的樣品置入溫度為550℃ 的管式爐中央, 通過將HCl與H2 SO3 溶液滴入140℃ 的油浴鍋加熱,蒸餾瓶內(nèi)蒸發(fā)分解形成含HCl氣體、SO2 氣體與水蒸汽的混合氣體,將氣瓶中的空氣通入蒸餾瓶中,使其攜帶HCl氣體、SO2 氣體與水蒸汽混合氣體進入管式爐實現(xiàn)氣體腐蝕模擬。通過分別調(diào)節(jié)空氣氣瓶流量和HCl與H2 SO3 溶液的濃度與流量使混合氣體成分滿足氧氣5%(體積分數(shù))、水蒸汽5%(體積分數(shù))、HCl800 ppm、 SO2 100 ppm、氮氣為余量的成分要求[10]。將多個樣品分別在不同時間取出(最長為500 h),10 s內(nèi)完成重量檢測,并用于金相觀察,每個時間條件下均為3 個相同樣品以減小測量誤差。對于所有樣品,由于堿金屬鹽僅涂覆在管道外壁單面,其他5 個無涂層面同時受到氣體介質(zhì)的腐蝕,為了避免其造成試驗誤差,同時放入未涂覆堿金屬鹽樣品,通過稱重減去其他5 個面的氣體腐蝕增重量。

圖1 高溫腐蝕性能測試裝置及工作原理

采用顯微維氏硬度測試對涂層的硬度進行了測試,測試載荷為300 g,保載時間為30 s。每個樣品測量5 次,以平均值作為最終硬度評價標準。由于鍋爐受熱面同時受到灰分顆粒的沖蝕磨損,因此采用粒徑為 Φ50~Φ100 mm的氧化硅顆粒在空氣壓力為0.2 MPa的條件下對帶涂層樣品和未帶涂層樣品進行了沖蝕測試。測試區(qū)域為樣品的弧形表面,沖蝕顆粒束流與弧面中心垂直,測試區(qū)域的沖蝕角度介于75°~90°,為高角度沖蝕。每次測試量取重量為20 g的氧化硅顆粒作為磨料,測試前后采用精度0.1 mg的電子天平對樣品進行稱重。由于真實服役環(huán)境下的腐蝕顆粒在單位空間的濃度遠遠小于測試環(huán)境,因此不宜采用不同沖蝕時間后的失重評價耐沖蝕性能。由于涂層密度與基材相當(dāng),因此以沖蝕失重與沖蝕測試次數(shù)的關(guān)系評價耐沖蝕性能。

1.3 涂層組織及腐蝕產(chǎn)物分析

利用掃描電子顯微鏡( SEM, MIRA 3 LMH, TESCAN, Czech Republic) 對噴涂態(tài)和500 h腐蝕測試后的涂層斷面組織進行了表征;通過圖像法利用5 張500 倍涂層斷面背散射電子SEM照片對噴涂態(tài)涂層的孔隙率進行了統(tǒng)計;采用能譜分析(EDS)對腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分進行了分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 HVAF噴涂Inconel625 合金涂層的顯微組織

優(yōu)選參數(shù)下噴涂態(tài)Inconel625 合金涂層的斷面組織如圖2 所示。如圖2(a)所示,涂層的厚度約為1.1 mm,涂層內(nèi)部無明顯的孔隙和裂紋等缺陷。涂層與基材結(jié)合良好,界面處無開裂, 夾砂等缺陷。涂層內(nèi)無明顯的氧化物夾雜形成。圖像法孔隙率測試結(jié)果顯示該涂層的孔隙率僅為0.72%。如圖2( b) 中的箭頭所示,在高放大倍數(shù)下依然可以觀察到涂層中的顆粒界面,能譜分析結(jié)果表明界面處的深色物質(zhì)為氧化鉻。

圖2 HVAF Inconel625 涂層的斷面組織

硬度測試結(jié)果顯示,HVAF噴涂制備的Inconel625 合金涂層的顯微硬度為475±37 HV0.3, TP347H耐熱鋼的顯微硬度為184 ± 8 HV0.3,Inconel625 涂層的硬度顯著高于TP347 耐熱鋼基材,約為基材的2.6 倍。研究表明,常規(guī)Inconel625 管材的硬度約為210 HV0.3,遠低于HVAF噴涂涂層的硬度。 HVAF制備的Inconel625 合金涂層高的硬度主要與熱噴涂過程中熔滴高的冷卻速度及高的顆粒撞擊速度有關(guān)。高的冷卻速度有利于Inconel625 合金顆粒獲得細小的晶粒,強化細晶強化效果 [12-13]。高的顆粒撞擊速度可引起已沉積顆粒的劇烈塑性變形,導(dǎo)致已沉積顆粒內(nèi)部的位錯密度顯著提高、加工硬化效果顯著增強 [12-13]。因此,與常規(guī)冶金塊材相比,盡管高的冷卻速度不利于形成彌散析出物, 但細晶強化和加工硬化的協(xié)同強化作用使得HVAF噴涂Inconel625 涂層的硬度顯著高于同成分冶金塊材。

2.2 HVAF噴涂Inconel625 涂層的高溫腐蝕行為

無涂層TP347H耐熱鋼與HVAF Inconel625 合金涂層涂覆后的TP347H耐熱鋼在550℃的氣體與堿金屬鹽耦合腐蝕環(huán)境下放置169 h后的表面宏觀形貌如圖3 所示。如圖3(a)所示,無涂層TP347H耐熱鋼樣品表面發(fā)生了大量的材料剝落,表明其發(fā)生了較為嚴重的腐蝕。如圖3( b) 所示,制備HVAF Inconel625 涂層后,樣品表面顏色發(fā)生了變化,表明其也發(fā)生了表面腐蝕,但涂層未出現(xiàn)明顯的剝落現(xiàn)象,表明其腐蝕程度低于無涂層的TP347H耐熱鋼。

圖3 169 h高溫腐蝕后無涂層TP347H耐熱鋼與HVAF噴涂Inconel625 涂覆TP347H耐熱鋼的表面形貌

無涂層TP347H耐熱鋼與HVAF制備Inconel625 合金涂層后的TP347H耐熱鋼在550℃氣體與堿金屬鹽耦合腐蝕環(huán)境下增重量隨腐蝕時間變化關(guān)系如圖4 所示,圖中同時給出了無涂層TP347H耐熱鋼在單純腐蝕氣氛下的增重曲線。可以發(fā)現(xiàn),所有樣品的增重量均與腐蝕時間呈線性關(guān)系,且無涂層TP347H耐熱鋼的腐蝕速率遠高于采用HVAF制備Inconel625 合金涂層后的TP347H耐熱鋼管材,通過HVAF制備Inconel625 涂層可使TP347H耐熱鋼的腐蝕速率降低7.6 倍,耐腐蝕性能顯著提高。另一方面,對比單純氣氛腐蝕和氣氛腐蝕與堿金屬氯化物耦合腐蝕的TP347H耐熱鋼增重曲線可以發(fā)現(xiàn),耦合腐蝕條件下TP347H耐熱鋼的增重約為單純腐蝕氣氛條件下增重的76 倍。這一結(jié)果表明,堿金屬鹽與腐蝕氣氛的耦合可使TP347H耐熱鋼的腐蝕速率提高近兩個數(shù)量級。通常條件下,以腐蝕介質(zhì)擴散主導(dǎo)的腐蝕過程,由于擴散距離與擴散時間呈拋物線關(guān)系,因此腐蝕速率與時間通常也呈拋物線關(guān)系,主要表現(xiàn)為隨腐蝕時間的延長腐蝕速率逐漸降低[14-15]。線性關(guān)系表明,已產(chǎn)生的腐蝕層不能對腐蝕介質(zhì)起到良好的物理阻隔效果,導(dǎo)致后面的腐蝕進程不受前期腐蝕產(chǎn)物的影響。

550℃ 腐蝕500 h所有涂層樣品的涂層完整,均未發(fā)生涂層的開裂及剝落現(xiàn)象。為了進一步揭示腐蝕過程及腐蝕機理,采用掃描電鏡和能譜分析對腐蝕后涂層的表面形貌、斷面組織以及腐蝕產(chǎn)物成分進行了系統(tǒng)分析。 500 h熱腐蝕后無涂層TP347H耐熱鋼的斷面組織如圖5 所示。如圖5(a)中的箭頭所示,TP347H耐熱鋼表面產(chǎn)生了大量的材料剝落,這與樣品的宏觀形貌觀察結(jié)果一致。由圖5( b) 中的高倍組織可以發(fā)現(xiàn), 腐蝕前沿的腐蝕機制主要為沿晶腐蝕,深色的腐蝕產(chǎn)物沿TP347 耐熱鋼的晶界呈網(wǎng)狀分布,整個腐蝕前沿的深度約為150 μm。沿晶腐蝕現(xiàn)象主要與含Cr鋼材中晶界的貧Cr有關(guān)。由于Cr的氯化物熔點較高,比較穩(wěn)定,因此Cr含量越高、耐腐蝕性能越好[2,14]。晶界處較低的Cr含量使得堿金屬氯化物中的Cl與Fe發(fā)生反應(yīng),腐蝕沿晶界優(yōu)先發(fā)生,使得發(fā)生腐蝕的總界面增大,腐蝕速率加快,管道壽命降低。

圖4 TP347H管材HVAF Inconel625 涂層前后腐蝕增重量

500 h腐蝕后,帶Inconel625 涂層TP347H耐熱管材的斷面組織結(jié)果如圖6 所示。如圖6(a)中的箭頭所示,腐蝕后的涂層可分為兩層,即腐蝕影響區(qū)和腐蝕未影響區(qū)。腐蝕并不是發(fā)生在涂層的最表面, 腐蝕影響區(qū)的深度約為100 μm,即腐蝕發(fā)生在深度為100 μm的范圍內(nèi)。完整的腐蝕產(chǎn)物厚度僅約20~70 μm,遠小于涂層的整體減薄量,說明腐蝕產(chǎn)物在長期腐蝕過程中發(fā)生了剝落。

圖5 500 h熱腐蝕后無涂層TP347H耐熱鋼管材的斷面組織

圖6 500 h腐蝕后HVAF Inconel625 涂層的斷面組織

為了進一步對腐蝕過程進行深入理解,對腐蝕影響區(qū)內(nèi)布局進行了放大,結(jié)果如圖6( b) 所示。如黑色箭頭所示,深色的腐蝕產(chǎn)物呈連續(xù)網(wǎng)狀分布在原始Inconel625 合金顆粒的界面,這說明盡管HVAF噴涂制備的金屬涂層表現(xiàn)出極低的孔隙率,顆粒界面依然難以達到完全的冶金結(jié)合,是腐蝕介質(zhì)的快速通道,HVAF噴涂Inconel625 合金涂層內(nèi)部顆粒弱結(jié)合界面的存在使腐蝕前沿的面積較冶金塊材大幅度增加。

從圖6( b) 中還可以發(fā)現(xiàn),對于腐蝕影響區(qū)內(nèi)的每一個顆粒,腐蝕由顆粒界面向顆粒內(nèi)部逐漸發(fā)生。對于同一個顆粒,顆粒上部的腐蝕發(fā)生區(qū)深度比下部更大,這主要是由于上部距離腐蝕介質(zhì)更近所致。同時可以發(fā)現(xiàn),在每個顆粒中的暗色腐蝕產(chǎn)物呈連續(xù)的點狀分布,每個點的尺度介于0.1~10.3 μm,這主要是因為堿金屬氯化物和氣體耦合腐蝕在Inconel625 合金中的腐蝕機制主要為沿晶腐蝕,即腐蝕優(yōu)先沿著Inconel625 合金的晶界發(fā)生。由于HVAF噴涂Inconel625 合金涂層中的晶粒極小,通常為5 μm以下量級, 因此晶界密度較大,晶界處優(yōu)先形成的腐蝕產(chǎn)物尺寸較小,且距離較近,因此整體呈現(xiàn)為點狀分布。

為了進一步對腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分進行深入理解,采用EDS面掃描方式對樣品斷面的腐蝕影響區(qū)局部進行了表征,S元素用于標定腐蝕介質(zhì)和可能的腐蝕產(chǎn)物,Ni、Cr元素主要用于標定涂層的主要成分,O元素用于標定腐蝕產(chǎn)物,結(jié)果如圖7 所示?？梢园l(fā)現(xiàn),S元素僅在圖7(a)中的表層,即腐蝕介質(zhì)中的濃度相對較高,涂層內(nèi)的Ni元素僅在如圖7(a)箭頭所示的涂層內(nèi)腐蝕產(chǎn)物處少量出現(xiàn),其他區(qū)域分布較為均勻,Cr和O元素的分布高度重合,均在圖7(a)中箭頭所示的箭頭處出現(xiàn)了偏析的現(xiàn)象,進一步分析表明, 腐蝕產(chǎn)物內(nèi)未出現(xiàn)Cl元素的富集,上述結(jié)果表明,腐蝕產(chǎn)物的主要成分為金屬元素的氧化物, 這與其他人的研究結(jié)果一致[5, 17-18]。除Cr2O3 外,點掃描分析結(jié)果顯示, 顆粒界面還存在NiCr2O4 尖晶石結(jié)構(gòu)復(fù)合氧化物。 Cr2O3 與NiCr2O4 尖晶石均具有致密組織,可在一定程度上防止液態(tài)腐蝕介質(zhì)的浸入,因此Inconel625 合金涂層的耐腐蝕性能較好。同時可以發(fā)現(xiàn)盡管腐蝕介質(zhì)中存在大量Cl、S元素,但最終腐蝕產(chǎn)物中并未檢測到這些元素,主要是由于Cl、S與Ni、Cr形成的化合物在腐蝕條件下為亞穩(wěn)態(tài),在有氧存在的條件下,這些亞穩(wěn)態(tài)的中間產(chǎn)物將會進一步與氧氣反應(yīng)轉(zhuǎn)變成更穩(wěn)定的氧化物[5, 17-18]。

生物質(zhì)發(fā)電服役環(huán)境下熱腐蝕產(chǎn)物中不存在Cl元素主要與其熱腐蝕機理有關(guān)[14-16]。在腐蝕最初階段、堿金屬氯化物沉積物較少,金屬表面暴露在富氧腐蝕氣氛中,可形成金屬氧化物。隨著腐蝕產(chǎn)物的增厚,腐蝕產(chǎn)物表面依然處于富氧環(huán)境,但腐蝕產(chǎn)物對外界氣氛的物理隔離使腐蝕前沿處的金屬表面處于貧氧環(huán)境。腐蝕前沿處的金屬元素主要與堿金屬氯化物中的Cl元素反應(yīng)生成金屬氯化物。金屬氯化物的熔點和沸點遠低于相應(yīng)的金屬氧化物。 Fe、Ni氯化物的沸點分別僅約為315 和987℃,Cr的氯化物熔點約為1150℃。金屬氯化物與堿金屬鹽形成的共晶化合物熔點更低,氯化鐵與氯化鈉的共晶化合物熔點僅為156℃。

圖7 500 h高溫腐蝕后HVAF噴涂Inconel625 涂層橫截面顯微組織和淺表層的EDS面掃描結(jié)果

上述結(jié)果表明,腐蝕前沿處的金屬與堿金屬氯化物界面在腐蝕溫度下存在液相,液相的存在使腐蝕介質(zhì)的活性和與金屬的接觸面積顯著增大,腐蝕速率加快。同時氯化物在服役溫度下較高的蒸氣壓會使金屬氯化物發(fā)生顯著的蒸發(fā)或升華現(xiàn)象。氣相的金屬氯化物在到達腐蝕產(chǎn)物表面與富氧環(huán)境接觸后,會與氧氣發(fā)生反應(yīng)形成更加穩(wěn)定的氧化物,同時生成氯氣,進一步參與腐蝕反應(yīng),因此最終的腐蝕產(chǎn)物均為金屬的氧化物。盡管Cl、S元素不出現(xiàn)在最終產(chǎn)物中,但含Cl、S中間產(chǎn)物(金屬氯化物、金屬硫酸鹽) 的存在會使金屬元素的活性顯著提高,進而使腐蝕速率大大加快。結(jié)合文獻[4,17-18] 可以發(fā)現(xiàn),TP347H耐熱鋼的腐蝕產(chǎn)物主要為Fe的氧化物,或者Fe、 Cr復(fù)合氧化物。另一方面,金屬氯化物的在服役環(huán)境下的穩(wěn)定性是決定金屬耐堿金屬氯化物腐蝕性能的關(guān)鍵因素。 Fe、Ni、Cr這3 種金屬在550℃條件下形成氯化物的吉布斯自由能分別為-232.1、-274.2 與-286.0 kJ/mol [14],依次提高,同時熔點依次升高,導(dǎo)致其耐堿金屬氯化物腐蝕性能依次升高,因此高Cr耐熱不銹鋼的耐腐蝕性能高于常規(guī)結(jié)構(gòu)鋼,高Cr鎳基高溫合金的耐腐蝕性能高于高Cr耐熱不銹鋼。同時Fe的氧化物具有結(jié)構(gòu)疏松、體積膨脹量大的問題,疏松結(jié)構(gòu)不能有效隔離后續(xù)液態(tài)的腐蝕介質(zhì)的浸入, 大的體積膨脹趨向于使已形成的腐蝕產(chǎn)物層剝落和開裂,有利于液態(tài)腐蝕介質(zhì)滲入。因此氧化物的本征屬性差異,導(dǎo)致TP347H耐熱鋼的耐腐蝕性能遠低于Inconel625。

2.3 HVAF噴涂Inconel625 涂層的耐沖蝕性能

生物質(zhì)燃燒發(fā)電機組受熱面中的再熱管以腐蝕失效為主,同時還存在微量灰份的沖蝕磨損,因此在室溫條件下對TP347H耐熱鋼在噴涂HVAF Inconel625 涂層前后的耐沖蝕性能進行了對比評價,結(jié)果如圖8 所示。

可以發(fā)現(xiàn)TP347H的失重曲線與沖蝕顆粒質(zhì)量呈單一的線性關(guān)系,而Inconel625 涂層的失重呈現(xiàn)為沖蝕速率截然不同的兩個線性階段,開始階段沖蝕速率極高,約為TP347H耐熱鋼的5.5 倍,后一階段的沖蝕速率與TP347H耐熱鋼相當(dāng),由于再熱管主要以腐蝕失效為主,生物質(zhì)燃燒后形成的輕質(zhì)灰份微粒引起的沖蝕磨損較為微弱,與TP347H耐熱鋼相當(dāng)?shù)哪蜎_蝕性能不會導(dǎo)致HVAF Inconel625 涂層由于沖蝕磨損而發(fā)生快速減薄。

圖8 TP347H耐熱鋼管材HVAF噴涂Inconel625 合金涂層沖蝕前后失重量對比

盡管HVAF Inconel625 合金涂層的硬度顯著高于TP347H耐熱鋼基材,但涂層耐沖蝕性能較低,這主要與涂層內(nèi)粒子界面的存在使涂層表現(xiàn)為脆性有關(guān)。粒子界面的存在使涂層在受到?jīng)_蝕顆粒垂直沖擊時容易出現(xiàn)Inconel625 合金粒子的整體剝落,從而導(dǎo)致涂層材料去除較快, 表現(xiàn)為單次數(shù)沖蝕試驗后涂層失重較多。 HVAF噴涂Inconel625 合金涂層不同沖蝕階段的典型形貌如圖9 所示。

涂層表面存在的凸起的Inconel625 合金顆粒粗糙結(jié)構(gòu)容易被沖蝕顆粒沖擊剝落是導(dǎo)致Inconel625 合金涂層開始階段沖蝕速率極高的主要原因。隨著沖蝕的進行,表面粗糙結(jié)構(gòu)逐漸被去除,如圖9(a)箭頭所示的整個沉積顆粒被沖擊剝離的幾率降低,但依然存在,因此沖蝕速率降低,耐沖蝕性能提高,但依然低于同成分的冶金塊材。由于表層顆粒僅占整體涂層厚度的5%左右,因此不顯著影響涂層的平均耐沖蝕性,HVAF Inconel625 合金涂層的制備不降低TP347H耐熱鋼管材的耐沖蝕性能。另一方面,測試過程中沖蝕角度在高角度范圍(75°~90°),這也會對涂層的耐沖蝕性能測試結(jié)果產(chǎn)生影響。對于類似HVAF Inconel625 合金涂層的脆性材料,沖蝕角度越大,越容易出現(xiàn)表面開裂剝落,沖蝕磨損率越高;對于塑性材料,沖蝕角度越小,越容易出現(xiàn)材料表面由于沖蝕顆粒剪切而出現(xiàn)的材料去除,沖蝕速率越高。同時,本文中所采用的SiO2 沖蝕顆粒密度及粒度均大于生物質(zhì)灰分,更低的密度和粒度可能不會引起Inconel625 合金中整個顆粒的剝離,因此在真實服役條件下,HVAF Inconel625 合金涂層的耐沖蝕性能有望進一步提升,硬度優(yōu)勢有望得以體現(xiàn)。

圖9 HVAF噴涂Inconel625 合金涂層沖蝕前期與穩(wěn)定期表面形貌

3 結(jié)論

(1) 在優(yōu)化的噴涂參數(shù)條件下,通過HVAF涂層獲得組織致密,孔隙率低于1%的Inconel625 合金涂層,涂層內(nèi)無明顯成分偏析,涂層與基體結(jié)合良好。

(2) 在550℃ 的堿金屬氯化物、硫酸鹽與HCl、SO2、氧氣與水蒸汽耦合腐蝕條件下, HVAF噴涂Inconel625 合金涂層的耐腐蝕性能約為TP347H耐熱鋼的7.6 倍。顆粒間弱結(jié)合界面與腐蝕產(chǎn)物層剝落的現(xiàn)象,導(dǎo)致腐蝕增重與腐蝕時間呈線性關(guān)系,腐蝕速率恒定。探索可提高顆粒間結(jié)合的方法可使HVAF噴涂Inconel625 涂層的腐蝕防護性能進一步提高。

(3) 以粒徑為 Φ50~100 μm SiO2 顆粒作為沖蝕介質(zhì)時,HVAF噴涂Inconel625 合金涂層的耐沖蝕性能表現(xiàn)為沖蝕速率顯著不同的兩個階段,最初階段沖蝕速率極高,穩(wěn)定階段的沖蝕速率降低,與TP347H耐熱鋼相當(dāng)。

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