涂层开裂对几种热喷涂涂层抗蚀效果的影响
徐润生,徐滨士,刘晓明
表面技术
[摘 要] 研究了涂层开裂对高速火焰喷涂Ni-Cr/Cr3C2、高速火焰喷涂Ni60B/WC、高速电弧喷涂Fe-Al/Cr3C2、高速电弧喷涂FeCrAl四种涂层抗蚀效果的影响。研究结果表明,涂层开裂导致不同涂层的抗蚀效果有不同程度的下降;基体暴露在外进而被腐蚀是抗蚀效果下降的主要原因;基体被暴露的面积不同是抗蚀效果下降程度不同的直接原因。和涂层开裂和涂层抗蚀效果的影响的研究有待于进一步深入。
[关键词] 涂层开裂;热喷涂;涂层;抗蚀效果；热喷涂粉末
0 引 言
近年来,热喷涂方法以其高效率、低成本、无污染的特点成为治理火电站受热面管道(水冷壁、过热器、再热器和省煤器)最主要的方法[1-2]。然而,利用热喷涂治理受热面管道在实际操作和运行中,与治理其他部件相比有很大特殊性,这些特殊性表现在:
1)约束条件 电站锅炉的受热面管道是在全约束条件下运行的,对其喷涂后,涂层所承受的应力比非全约束条件下大。
2)试样表面制备质量 电站的炉膛有几十米高,实际操作时需要把工人吊在空中对管道表面进行表面处理,很难保证管道的锈、油污以及水气全部除去。这样,就使得对受热面管道喷涂面表面处理的质量更难保证。
3)喷涂面积 电站受热面管道的面积有几百平方米乃至上千平方米,而且管道与管道之间的间隙很小。喷涂的方向不可能与被喷涂面全部垂直,有时甚至喷涂方向与被喷涂面的角度很小,这样,就大大削弱了雾化粒子对基体的冲击速度,降低了涂层与基体的结合强度。
4)喷涂时间受到限制 受热面管道的治理工作要保证在电站的大修期内完成,延误工期将给电站带来严重的经济损失。在很短的时间内完成全部受热面管道的喷涂工作,难免有疏漏之处。再加上受热面管道的一些“死角”无法喷涂,就会使部分基体暴露在外。
5)工作环境 受热面管道是在高温、高压以及高磨损的状态下进行的。
由上述可以看出,涂层在实际应用过程中,由于实际操作和运行的特殊性,更容易在局部产生剥落。甚至喷涂工作刚完成,就有基体暴露在外面。暴露在外的基体的抗腐蚀能力相对涂层较弱,容易在该区域造成管道的爆裂。锅炉管道是承受高温、高压的部件,一旦一点出现泄漏,整个机组就可能停机,所有的治理成绩将付之东流。因此,研究涂层局部开裂、剥落对整个喷涂效果的影响是研究人员不可回避的问题,具有重大的实际意义。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
选择20G钢作为基体材料,材料的化学成分应满足表1的要求。喷涂材料选择目前人们治理火电站受热面管道主流喷涂材料中的Ni-Cr/Cr3C2、Ni60B/WC、Fe-Al/Cr3C2和FeCrAl。其中Ni-Cr/Cr3C2和Ni60B/WC为粉材,利用高速火焰喷涂,Fe-Al/Cr3C2和FeCrAl为丝材,利用高速电弧喷涂。喷涂材料的成分如表2所示。
效果的影响是研究人员不可回避的问题,具有重大的实际意义。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
选择20G钢作为基体材料,材料的化学成分应满足表1的要求。喷涂材料选择目前人们治理火电站受热面管道主流喷涂材料中的Ni-Cr/Cr3C2、Ni60B/WC、Fe-Al/Cr3C2和FeCrAl。其中Ni-Cr/Cr3C2和Ni60B/WC为粉材,利用高速火焰喷涂,Fe-Al/Cr3C2和FeCrAl为丝材,利用高速电弧喷涂。喷涂材料的成分如表2所示。
为在试样上模拟涂层开裂及剥落,每种喷涂材料在已经喷涂好的试样中选择其中3个车制如图1的“V”形槽,深度以刚刚接触基体为宜。
采用摩尔比为7:3的Na2SO4+K2SO4饱和水溶液[4]刷涂于试样表面。将试样表面刷涂均匀的盐膜后,放置在KSY-12-16型箱式电炉内加热至650℃,保温,保温温度达±5℃。同时,试验要求在富氧的条件下进行,因此电炉不要求封闭处理。采用TG328A型电光分析天平称量试样的重量,称量精度达±0.1mg。
采用增重法定量地评定涂层的腐蚀速度。进行热腐蚀试验过程中,试样在保温预定时间后取出,待冷却后重新称重,然后再涂盐、烘干、称重、腐蚀等。腐蚀增重按下面公式计算。
ΔWi=[(Wi+2-Wi)/A-[(Wi+1-Wi)/A]×0.6 (1)
式中:Wi———第i次腐蚀前试件称重;
Wi+1———第i次涂盐后的称重;
Wi+2———第i次腐蚀后称重;
A———试件总的表面积;
0.6———扣除盐膜结晶水的系数。
采用Leica91 476型金相显微镜对试样涂层开裂处的金相组织进行观察。
2 结果与分析
2.1 试验结果
为方便起见,高速火焰喷涂Ni-Cr/Cr3C2、Ni60B/WC,高速电弧喷涂Fe-Al/Cr3C2、FeCrAl涂层完整试样与涂层开裂试样被简称为试样A和试样A′,试样B和试样B′,试样C和试样C′,试样D和试样D′。
以腐蚀时间和采用不连续称重法所测得的试样的增重分别为横、纵坐标轴可绘制出试样的腐蚀动力学曲线如图2所示。腐蚀增重量的大小和腐蚀动力学曲线的形状可以反映出试样的腐蚀程度及腐蚀规律[5]。从图2可以看出,试样的腐蚀增重量随时间的增加逐渐增高,即腐蚀程度逐渐加深。同时,从图2的腐蚀动力学曲线上还可以看出,涂层开裂将导致各涂层的抗蚀效果有不同程度地下降。各涂层抗蚀效果受涂层开裂影响由大到小的顺序为:高速电弧喷涂FeCrAl涂层>高速火焰喷涂Ni60B/WC>高速电弧喷涂Fe-Al/Cr3C2>高速火焰喷涂Ni-Cr/Cr3C2。
2.2 试验结果分析
涂层开裂后,部分基体直接与腐蚀介质相接触。而基体的抗腐蚀能力较差,最终导致涂层整体的抗蚀效果下降。不同涂层开裂后,抗腐蚀效果下降的程度不同。其主要原因是涂层开裂后,被暴露出来进而被腐蚀的基体范围不同。比较而言, Ni-Cr/Cr3C2涂层和Fe-Al/Cr3C2涂层只是在涂层开裂处基体被腐蚀。而沿涂层与基体的结合处见图5(a)、图5(c)中箭头所指,没有出现明显的腐蚀。Ni60B/WC、FeCrAl涂层除了在开裂处基体被腐蚀外,涂层沿结合部见图5(b)、图5(d)中箭头所指发生了剥离。这样,使更大面积的基体暴露在外而被腐蚀,抗蚀效果下降比较显著。而且,随着腐蚀时间的增加,涂层可能会更大面积地剥落,涂层的抗蚀效果下降的更为明显。
高速火焰喷涂Ni-Cr/Cr3C2,高速火焰喷涂Ni60B/WC,高速电弧喷涂Fe-Al/Cr3C2,高速电弧喷涂FeCrAl涂层是目前治理火电站受热面管道腐蚀问题较为成熟的4种涂层。人们做了大量的试验证明,这4种涂层的抗蚀效果都非常好。但是,如果这4种涂层在实际应用过程中产生了开裂(实际运行情况表明,开裂几乎不可避免地发生),抗蚀效果就会不同程度地产生下降。目前人们对开裂影响涂层的抗蚀效果方面的研究几乎处于空白,因此,在该方面的研究有待于进一步深入。
3 结 论
1)涂层开裂对涂层抗蚀效果的影响由高到低的顺序是:高速电弧喷涂FeCrAl涂层>高速火焰喷涂Ni60B/WC>高速电弧喷涂Fe-Al/Cr3C2>高速火焰喷涂Ni-Cr/Cr3C2。
2)涂层开裂后,基体暴露在外进而被腐蚀是抗蚀效果下降的主要原因。
3)涂层沿涂层与基体的结合部位进一步开裂导致暴露在外的基体的面积不同,是导致抗蚀效果下降程度不同的直接原因。
4)涂层开裂对涂层抗蚀效果的影响的研究有待于进一步深入。
图略
参考文献略
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