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循环流化床锅炉水冷壁的高温冲蚀是运行过程中相当重要的问题。在系统分析水冷壁失效的基础上,以提高CFB锅炉的高温冲蚀性能为主要指标,研制了FeB系、CrB系和FeTi/CrB系三种粉芯丝材。并通过高温氧化、热腐蚀以及高温冲蚀实验等。研究了三种涂层的抗高温氧化性能和耐高温冲蚀磨损性能,分析了其失效机理。主要结果如下:
FeB和CrB系粉芯丝材电弧喷涂层的制备和性能评价表明,CrB涂层在高温下具有较好的抗全攻角冲蚀能力,在650℃和30°攻角条件下的相对冲蚀磨损抗力为20g的2.88倍,高于FeB涂层的2.02倍。接近涂层设计的目标要求。FeB在高温下以塑性冲蚀为主,表面冲蚀形貌主要为细窄的犁沟。CrB涂层以脆性冲蚀为主,表面冲蚀形貌主要为微小的冲击坑。涂层中的硬质相粒子较好抵抗了冲蚀粒子的冲击。涂层高温冲蚀磨损过程是由萌生裂纹、裂纹扩展和断裂并从涂层基体分离三阶段组成。不同的冲蚀形态下,裂纹产生的形式和机理都是相同的,而涂层是塑性冲蚀为主导还是脆性冲蚀为主导则取决于涂层本身的组织结构与性能。涂层的高温氧化实验证明封孔涂层具有优良的抗氧化性能。CrB涂层中的Cr元素在高温下生成了致密的Cr2O3,起到抗氧化作用。涂层的热腐蚀实验证明在涂层表面局部盐膜中形成了K-Na-Fe三元低熔点熔融共晶熔盐,从而引起了热腐蚀。CrB涂层具有优良的抗热腐蚀性能。
FeTi/CrB涂层的孔隙率和结合强度指标明显高于CrB涂层和市售的SH-SAM涂层。其组织均匀,基体相是FeCr固溶体,同时,含有一定量的氧化物夹杂(如FeO等)和硼化物等硬质相(如FeB和CrB等),是一种典型的颗粒增强金属基陶瓷涂层(MMC涂层)。在长时间的高温氧化环境下,FeTi/CrB的抗氧化性能优于市售的SH-SAM涂层和CrB涂层。在全攻角下和在整个实验温度范围内,FeTi/CrB涂层都具有最好的冲蚀磨损性能。在650℃和30°攻角条件下的相对冲蚀磨损抗力为CrB涂层的1.75倍,相当于20g的5.02倍。FeTi/CrB涂层中FeB、CrB和氧化膜同涂层粒子之间的界面结合良好,并具有较高的协同变形能力及在磨粒冲击载荷作用下的热流变能力,对复合涂层具有良好的保护作用。FeTi/CrB涂层具有良好的抗高温氧化能力和抗氧化膜及硬质相的剥落抗力,这是其具有优良的抗高温冲蚀磨损性能的主要原因。
通过两轮的粉芯成分设计,成功开发出FeTi/CrB系颗粒增强铁基复合涂层,有望作为性价比较高的循环流化床锅炉高温冲蚀磨损防护涂层推广应用。