1 前 言
热能和石化工业的许多设备系统运行时, 其内部不仅含H2S、 SO2 等腐蚀介质, 而且气流中还携带大量的细微颗粒( 如催化剂、 煤粉等) 。 这类腐蚀气体和颗粒的混合物在高温下以很高的速度通过设备系统时,会对许多零部件产生严重的冲蚀磨损,因而研究、 开发和合理应用高性能、 低成本的耐冲蚀腐蚀材料是现代工业中的一个重要课题。
Fe3Al 金属间化合物( 以下简称 Fe3Al 基合金)是一种具有DO3 有序结构的金属间化合物。这类材料的比重小、 比强度高、 抗高温氧化和耐腐蚀性能好,而且它是以铁和铝这两个基本工业元素作为主要原料,成本低廉,因此作为未来的高温结构材料具有一系列潜在的性能优势[ 1]。80 年代中期以来,国内外材料科学工作者先后采用合金化、 热机械处理和表面处理技术, 成功地改善了 Fe3Al 的室温塑性[ 2, 3],从而大大推动了Fe3Al 的实用化进程。最近,作者在对Fe3Al 基合金的加工性能研究中发现, 这类合金不仅耐热腐蚀,而且具有优良的耐磨损性能,因而进一步对它的耐高温冲蚀磨损性能进行试验研究。结果表明, Fe3Al 在含硫气氛中的耐冲蚀磨损性能优于其它高温材料,这为Fe3Al 基合金在这个领域中的应用展现出光明的前景。
2 试验材料和方法
试验所用 Fe3Al 基合金采用中频感应炉熔炼合金成分为: Fe- 16Al- 5Cr - 1. 0Mo- 1. 0Nb- 0. 01Ce铸锭在 1 000 ℃均匀化退火 10 h 后,热锻成截面积为90 mm×50 mm 的锻坯,始锻温度为1 100 ℃, 终锻温度为850 ℃。用于高温冲蚀试验的试样直接在锻坯上切取。为了便于作性能比较,本文中除Fe3Al合金外, 还选择了几种典型的耐高温腐蚀磨损材料加工成相同尺寸的试样,在同等条件下进行冲刷磨损对比试验。对比材料包括: 高铬镍铁基耐热合金FeCr28Ni7( 由青岛铸造厂生产, 文中简称青铸合金)。 这是新型沸腾流化床燃烧系统中采用的一种耐高温腐蚀材料; 钴合金CoFe15Cr25Si7, 这是石油催化裂化装置中滑阀导轨上采用的涂层材料, 用它来提高导轨表面耐催化剂颗粒的冲蚀性能, 以延长导轨的使用寿命; 喷涂合金Ni60,燃气轮机叶片上喷涂这种合金, 其目的是提高叶片耐冲蚀能力;耐热铸铁RT- Si5, 这是一般工业设备中常用的一种廉价耐高温冲蚀材料。除耐热铸铁RT - Si5 外, 上述对比材料的成本都高于本文所用的Fe3Al 合金。
本研究的高温冲蚀试验在东南大学热能研究所的PFBC—CC 燃气轮机叶片动态腐蚀试验中进行。图1 为该装置的结构示意图。 燃油和空气在燃烧室1燃烧产生燃气。用固体、 液体和气体加料子系统2～4 分别加入磨料 SiO2 粉、 腐蚀液( NaCl、 Na2CO3 和K2CO3 的水溶液)和腐蚀性气体SO2。气流经高温稳定段5后燃气进入高温试验区6,冲刷高温试片。然后在混合器7 中和空气混合, 降低温度,并经低温稳定段8 进入低温试验区冲刷低温试片,从 9 排出的气体经混合器10 掺入冷风,再经旋风除尘器排入大气。该装置长11 m,从高温稳定段到混合器10 的气流通道截面积为0. 12 m×0. 04 m。整个系统主体部分均用不锈钢制成,通道外用硅藻土保温砖保温。
用于高温冲刷试验的试样尺寸为: 20 mm×18mm×2. 5 mm,固定在试验区(图1 中6和9) 的转轮上,每个转轮可装两组(每组12 个) 试样, 并在高温区和低温区的转轮上各装了一组试样。 恒速电机( 图
1 中13 和14)通过变速装置和转轴使转轮低速( 3 r/min)转动。这样,每个试片受气流冲刷基本相同。图1 中12 为碱金属测量子系统。该装置的详细结构见文献[ 4]。1 中13 和14)通过变速装置和转轴使转轮低速( 3 r/min)转动。这样,每个试片受气流冲刷基本相同。图1 中12 为碱金属测量子系统。该装置的详细结构见文献[ 4]。表1 列出本冲刷磨损试验的各项参数。
3 试验结果
表2 列出高温段和低温段试样在试验前后的重量和厚度变化。由于各种试样的比重不同,因而重量
变化不能准确反映试样受腐蚀的程度,而厚度的变化则能比较直观地反映试样的耐冲蚀性能。由表可见,在各种试验材料中,以Fe3Al 基合金的耐冲蚀磨损性能最好,而球墨铸铁性能最差, 各种材料按平均减厚程度排序为: Fe3A l, 青铸合金, 钴合金, 喷涂合金,球铁。一般说来在相同的环境介质中, 材料在高温下经受的腐蚀磨损比低温时剧烈。但本研究中各试样在高温区和低温区的腐蚀磨损都基本上属同一数量级, 不过这并不说明温度对各种试样的腐蚀磨损没有影响, 而主要是由于以下两方面原因所致: 在低温区,由于压入冷空气,气流速度升高;在低温区的转轮( 试样架) 上试样间距比高温区大, 以致。使试样表面能充分经受气流的冲蚀磨损。然而将低温区内各种材料的腐蚀磨损数据比较后, 不难发现在低温段Fe3Al 基耐冲蚀磨损的性能优势比高温段更为显著。这主要是因为在 550～600 ℃温度区间,Fe3A l的综合力学性能处于最佳状态。
对Fe3Al 冲蚀试样表面的SEM 观察发现,试样经冲刷后, 表面出现大量的冲刷凹坑, 如图2( a) 所
示。 在凹坑的周围有隆起的凸缘,这是典型的冲刷磨损特征。在喷涂合金和其它试样表面还出现了一些
如图2( b) 所示的空洞。 在本试验条件下,由于气流中石英砂磨粒的浓度很高, 而 SO2 的浓度相对较低[ ( 440～600) ×10- 6vol . %] ,因而在试样表面未观察到热腐蚀产物。 也未探测到硫的残留和富集。 试样的减厚(或失重) 主要是石英砂颗粒的冲蚀磨损, 而SO2 和其它腐蚀介质的热腐蚀作用并不明显。
图3 是经冲蚀磨损后各种残留试样横 截 面 的[图3( b) ] ,试样表面的侵蚀层也很薄,但和基体的结
合不如Fe3Al试样的表面层紧密。从图3( b) 中还可以看到表面侵蚀层脱落的痕迹。其它几种试样的残
留表面均有较厚且组织疏松的侵蚀层, 分别见图 3( c)、 ( d)。
4 讨 论
根据 Hutchings 提出的残留冲刷磨损疲劳模型[ 5],密度为 b 的磨粒冲击金属材料时, 每单位厚度的磨粒造成的体积磨损量为
本研究中球墨铸铁的耐冲蚀磨损性能最差, 虽然在有润滑条件下的滑动摩擦过程中,石墨的存在有助于提高合金基体的耐磨性能,但在冲蚀过程中,由于石墨和基体的结合力较弱, 石墨易发生破碎脱落而形成空洞, 出现空洞后的冲蚀过程类似于上述喷涂合金的破坏方式。此外,由于球铁基体强度较低,故冲蚀磨损速率更高。
Fe3Al 基合金之所以呈现良好的耐冲蚀磨损性能,主要是由于以下几个因素: Fe3Al 是一种金属间化合物 , 原子间的结合键较强; Fe3Al 基合金具有较高的高温强度,它的屈服强度0. 2随温度上升而提高[ 1]。 当温度近600 ℃时,其0. 2达到峰值。 这也是为什么在低温区( C、 D 两道) Fe3Al 基合金抗冲蚀磨损的优势比高温区更显著( 见表1)的原因; Fe3Al基合金中加入了Nb、 Mo 等元素,其显微组织中形成大量弥散分布的第二相颗粒[ 6, 7],如图 3( a) 所示, 这种颗粒的存在显著提高了材料的抗磨性能; 在高温下, Fe3Al 表面易形成一层致密的高硬度氧化膜,X 射线衍射光电子分析结果表明, 这层表面的氧化膜主要由Al2O3 组成, 它在 1 000 ℃以下十分稳定,并且和基体结合紧密。因此当颗粒冲刷试样时,起到有效的保护作用。从图3( a)可见, Fe3Al 冲刷试样表面平整,没有剥落和蚀坑
5 结 论
在含细微硬质颗粒和 SO2 的气流中, Fe3Al 基合金具有良好的抗冲蚀磨损性能。和钴基合金、 高镍铬耐热钢(青铸合金)、 耐热铸铁以及表面喷涂 Ni60的高温合金相比, Fe3Al 的抗冲蚀磨损性能具有明显的优势。由于Fe3Al 基合金主要由铁和铝这两种基本工业元素为原料,成本低廉, 因而作为新一代的耐高温冲刷磨损材料,具有良好的应用前景。
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