NiCrTi涂層抗高溫腐蝕性能與應用研究

邱質彬， 王 杰， 李 澤， 袁 霖， 王 恒

（1.華電電力科學研究院，浙江杭州3100 30；2.貴州華電桐梓發電有限公司，貴州5632 00）

0 引言

近年，高硫無煙煤已成為許多燃煤發電企業的選擇之一，高硫煤的使用給燃煤鍋爐帶來高溫腐蝕的風險，特別對于燃用高硫煤的超臨界鍋爐情況更為嚴重，所以如何選擇合理的材料對鍋爐受熱面管進行防護具有重要意義，以下主要針對NiCrTi涂層的高溫腐蝕性能在試驗室與實際工況條件下進行試驗分析，確定該涂層是否能夠滿足燃用高硫煤超臨界鍋爐抗高溫腐蝕的要求，同時針對NiCrTi涂層厚度優化選擇以及脫落機理進行了分析，可為電廠在對受熱面管進行NiCrTi涂層處理過程中提供參考。

1 試驗材料

本文NiCrTi涂層采用Excalibur 2000超音速噴涂機制備，噴涂絲材型號為45 CT，試樣基體為20鋼，采用兩遍噴砂對基體進行表面預處理，第一遍采用8目石英砂，第二遍采用16目棕剛玉，試驗室試樣未進行封孔處理，現場工況下試驗的涂層采取了封孔措施，封孔劑型號為CT 2000高溫納米無機封孔劑。

2 高溫硫酸鹽腐蝕試驗

2.1 試驗方法

根據高溫腐蝕的原理，硫酸鹽型腐蝕是鍋爐高溫腐蝕的主要形式[1]，所以本文采用高溫硫酸鹽腐蝕試驗對涂層與基體進行了測試。試驗溫度選定為650℃；涂層完全覆蓋試樣表面；將摩爾比7∶3的N a2S O4與K2S O4飽和水溶液均勻涂到試樣表面，烘干后對試樣稱重，并置于650℃熱處理爐中進行腐蝕試驗。試驗過程中，試樣在保溫到預定時間后取出，待冷卻后重新稱重，然后再涂鹽、烘干、稱重、腐蝕。腐蝕增重的數據按以下公式進行處理。腐蝕時間共計為200 h，每20 h左右進行一次試驗。最后根據試驗數據繪制出腐蝕動力學曲線，試驗選用同尺寸20鋼進行對比。

圖1 NiCrTi涂層與20鋼腐蝕試驗動力學曲線

式中 Wi—第i次腐蝕前試件稱重，mg；

Wi+1—第i次涂鹽后的稱重，mg；

Wi+2—第i次腐蝕后稱重，mg；

A—試件的總的表面積，c m2；

0.6—扣除鹽膜結晶水的系數。

2.2 腐蝕試驗結果與討論

圖1為試驗得到的NiCrTi涂層與20鋼腐蝕試驗動力學曲線。20鋼的腐蝕增重呈直線增長，而NiCrTi涂層試樣經過長時間腐蝕后，腐蝕增重曲線趨于穩定，這說明NiCrTi涂層對腐蝕環境產生了惰性。圖2為NiCrTi涂層表面腐蝕前后的的形貌與X R D衍射分析結果，經腐蝕后NiCrTi涂層表面形成了完整致密的具有優良抗高溫腐蝕能力的Cr2O3與Cr2N i O4組織[2～4]，所以使得NiCrTi涂層具有良好抗高溫腐蝕能力。同時由圖3可以看出，腐蝕后試樣表面并未生成Cr、N i的硫化物，這說明涂層本體在試驗過程中幾乎未發生腐蝕現象，進一步說明了NiCrTi涂層具有優異的抗高溫硫腐蝕的能力。

圖2 NiCrTi涂層腐蝕前后表面形貌與X R D衍射試驗結果

3 超臨界高硫煤工況下的使用情況

3.1 涂層運行情況

于2010年在西南地區某電廠#2機組（燃煤硫含量約為5%左右）超臨界W火焰鍋爐水冷壁部分區域噴涂了本文試驗用NiCrTi涂層，經過3 a的運行，對噴涂區域進行了檢查，檢查情況如圖3所示，未發現涂層脫落與腐蝕現象，且涂層厚度未發生明顯變化，說明了NiCrTi涂層可滿足燃用高硫煤超臨界鍋爐高溫防腐的要求。

圖3 使用3年后的涂層檢查情況

3.2 涂層對鍋爐性能的影響

由上文可知NiCrTi涂層具有良好的抗高溫腐蝕能力，但大面積的涂層是否會造成鍋爐傳熱效率的下降，這是大家關注的問題之一，以下對此在試驗室與實際運行狀態下進行了對比試驗。

3.2.1 熱導率測試

試驗選用F D-T D-B熱導率測試儀，噴涂NiCrTi材料于未噴砂處理過的圓形20鋼板表面，直徑取60 mm，將涂層整體揭下后，使用C.H.Lees平板法進行熱導率測試試驗。試驗結果見表1，結果顯示兩種涂層熱導率均在13 W·m-1·K-1左右，該導熱系數與不銹鋼接近，這說明涂層具有較好的導熱系數。

表1 熱導率測試試驗結果 W·m-1·K-1

3.2.2 鍋爐熱效率對比

分別于正式運行后對該廠#1、#2機組進行了性能考核試驗，其中#1機組僅對少量區域進行了NiCrTi材料的噴涂，#2機組爐膛燃燒室及燃燼室部分區域進行了大面積的NiCrTi材料的噴涂。表2為#1、#2鍋爐熱效率試驗結果，可見兩臺鍋爐實際熱效率均高于設計保證值，同時噴涂區域較多的#2鍋爐熱效率高于#1鍋爐熱效率，這說明，涂層并未對鍋爐熱效率造成負面影響。

表2 兩臺機組鍋爐熱效率試驗結果

4 NiCrTi涂層厚度優化及脫落原因分析

由上文可知NiCrTi涂層具有優良的使用性能，所以提高NiCrTi涂層應用的可靠性是確保NiCrTi涂層在應用過程中發揮作用的基礎，在確保涂層施工過程中基體處理工藝后，涂層在使用過程中面臨的破壞性作用主要來自于溫度交變導致的涂層脫落，所以對不同厚度的NiCrTi涂層進行熱循環試驗。

4.1 試驗方法

試樣尺寸為φ25.4 mm×8.3 mm，在試樣表面嚴格按工藝要求制備NiCrTi涂層，涂層厚度分別控制在300 μm、400 μm、500 μm、600 μm、700 μm左右，將試樣置于熱處理爐中加熱至650℃保溫15 min，取出后進行水淬，觀察涂層，涂層完好則繼續上述步奏，涂層出現裂紋、脫落等則停止上述操作，并記錄水淬次數，最后根據數據繪制涂層熱震次數與涂層厚度的關系曲線。

4.2 試驗結果

圖4 熱沖擊失效次數與厚度的關系

圖4為熱循環試驗結果曲線，隨著涂層厚度的增加，涂層抗熱沖擊次數明顯降低，這是由于涂層厚度增加，涂層與基體協調變形能力減弱，在反復熱沖擊的作用下，涂層與基體結合減弱從而導致涂層脫落。所以在實際使用過程中，應對NiCrTi涂層厚度進行控制，在易產生高溫腐蝕的爐膛燃燒器附近區域，溫度高，煤粉質地軟，磨損輕微，可盡量將NiCrTi涂層厚度控制在300～400 μm左右，這樣可保證在較低的成本下達到優良的抗高溫腐蝕效果。

4.3 結果與討論

圖5為失效后涂層與基體截面微觀形貌與EDS分析，可以看出涂層與基體尚未完全分離，結合界面與裂紋處產生了大量腐蝕產物，并對涂層產生了剝離作用，由此可見涂層與基體的膨脹不均的作用是涂層脫落的誘因，而涂層缺陷的出現與伴隨出現的腐蝕與氧化是導致涂層脫落的最主要原因，所以在涂層制備過程中應盡量減少先天性缺陷的產生。

圖5 熱沖擊失效涂層結構與涂層和基體界面產物EDS分析

5 結語

試驗室條件NiCrTi涂層腐蝕性能試驗結果與實際燃用高硫煤超臨界鍋爐工況下應用情況顯示，NiCrTi涂層具有優異的抗高溫腐蝕性能，能夠滿足燃用高硫煤超臨界鍋爐抗高溫腐蝕要求，且不會鍋爐傳熱造成負面影響。制備的NiCrTi涂層在應用于主要的高溫腐蝕區域（燃燒器附近）時應以300～400 μm為宜。涂層與基體的膨脹不均是涂層脫落的誘因，而由此導致的缺陷是導致涂層脫落的最主要原因，所以在制備NiCrTi涂層的過程中應盡量避免先天性缺陷的產生。

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