【摘要】本試驗(yàn)?zāi)M了生物質(zhì)鍋爐過(guò)熱器管材在沉積飛灰中的高溫腐蝕環(huán)境，通過(guò)比較兩種試驗(yàn)材料（純鈦和TC4合金）的腐蝕進(jìn)程與結(jié)果，進(jìn)而評(píng)定兩種材料在試驗(yàn)環(huán)境中的耐腐蝕性。試驗(yàn)通過(guò)繪制兩種材料的腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線，以及借助掃描電鏡對(duì)腐蝕試樣微觀組織的微區(qū)分析，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)?zāi)M的腐蝕介質(zhì)中，TC4試樣表現(xiàn)出比純鈦試樣更好的耐腐蝕性，其原因是TC4合金試樣腐蝕層中產(chǎn)生了具有保護(hù)性的Al2O3和鈦鋁型化合物（Ti3Al），正是由于它們的存在，阻礙了氯原子及堿金屬等腐蝕產(chǎn)物在基體金屬中的快速擴(kuò)散，從而減緩了基體金屬的腐蝕程度。

【關(guān)鍵詞】氯腐蝕；腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線

1、引言

近些年來(lái)生物質(zhì)能因其自身具有的綠色環(huán)保、可持續(xù)等特點(diǎn)，得到了世界各國(guó)的重視。我國(guó)生物質(zhì)能的發(fā)展與利用更是潛力巨大。但是相較于傳統(tǒng)化石燃料，生物質(zhì)中氯元素以及堿金屬元素含量較高，由氯及堿金屬元素帶來(lái)的腐蝕破壞，一直都阻礙著國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)能的發(fā)展利用，特別是在生物質(zhì)發(fā)電鍋爐過(guò)熱器管材的高溫腐蝕問(wèn)題。在我國(guó)，一些建成投運(yùn)的生物質(zhì)發(fā)電鍋爐上已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的管材金屬腐蝕失效問(wèn)題，特別是腐蝕介質(zhì)在過(guò)熱器管上選擇性的沉積所形成飛灰沾污，這些飛灰沉積在過(guò)熱器管壁上，會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，從而對(duì)過(guò)熱器管造成嚴(yán)重的腐蝕破壞，嚴(yán)重影響了生物質(zhì)鍋爐發(fā)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，限制了生物質(zhì)能的發(fā)展利用[1]。純鈦具有良好的耐蝕性，鈦在氧化性、中性和弱還原性等介質(zhì)中都表現(xiàn)出較好的耐腐蝕性，同時(shí)鈦在海水中（含氯環(huán)境）抗腐蝕性也是很好的，鈦是一種具有強(qiáng)烈鈍化傾向的金屬，會(huì)在其表面形成較致密的鈍化膜，從而保護(hù)基體金屬不被腐蝕[2]。而TC4合金是一種（α+β）雙相合金，該合金在純鈦中添加了Al、V元素，使TC4合金具有較純鈦更好的耐腐蝕性能和高溫穩(wěn)定性[3]。本文通過(guò)對(duì)比兩種材料在試驗(yàn)?zāi)M的高溫腐蝕環(huán)境下腐蝕結(jié)果，研究其腐蝕進(jìn)程，從而評(píng)定兩種材料在試驗(yàn)?zāi)M環(huán)境下耐蝕性。設(shè)計(jì)本試驗(yàn)的目的是一方面尋求解決生物質(zhì)鍋爐過(guò)熱器管材的高溫腐蝕問(wèn)題，另一方面也嘗試尋找替代現(xiàn)役過(guò)熱器管材的材料或涂層材料。

2、鈦及TC4合金在生物質(zhì)過(guò)熱器管沉積飛灰中的耐蝕性試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方法與設(shè)備

首先利用線切割機(jī)分別將純鈦及TC4合金樣品制成矩形塊狀各5個(gè)的試樣，并用砂紙打磨試樣使其具有相同的表面狀態(tài)。而后放入超聲波清洗儀中進(jìn)行清洗，去除表面雜質(zhì)，試樣經(jīng)清洗吹干后借助千分尺對(duì)其原始厚進(jìn)行測(cè)量并記錄。再分別用生物質(zhì)過(guò)熱器管沉積飛灰將試樣填滿并置于五個(gè)坩堝中。即試樣分成5組，每組中放入純鈦和TC4試樣各1個(gè)。將坩堝放入箱式電阻爐中恒溫加熱，模擬高溫腐蝕環(huán)境，恒溫加熱總時(shí)長(zhǎng)為120小時(shí)，且每隔24小時(shí)取出一個(gè)坩堝。

將坩堝中取出的腐蝕試樣，先用毛刷將其所粘附的腐蝕介質(zhì)刷干凈，并對(duì)腐蝕后的試樣表面形貌進(jìn)行宏觀觀察分析。而后將試樣用牙托粉、牙托水進(jìn)行鑲嵌，經(jīng)打磨、拋光制樣后利用JEOL-649OLV掃描電鏡對(duì)腐蝕層的剖面結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析，并借助軟件測(cè)量其腐蝕減薄的程度。

2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

2.2.1試驗(yàn)結(jié)果

將試樣表面處理完畢后，其原始厚度用千分尺量取，其腐蝕后厚度待試驗(yàn)終了后，借助掃描電鏡量取，量取原則為：去除試驗(yàn)表面最外層的氧化皮，再以腐蝕凹坑最深處為基面。

2.2.2結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分別繪制出純鈦和TC4合金的腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線，其中純鈦的曲線呈陡坡線型，即隨著腐蝕時(shí)間的增加，試樣的腐蝕程度隨之加劇，而TC4合金的曲線則呈現(xiàn)平緩的拋物線型，即隨著腐蝕時(shí)間的增加，試樣的腐蝕程度隨之趨于平緩，以上說(shuō)明純鈦試樣在腐蝕環(huán)境下形成的表層氧化膜并沒(méi)有對(duì)基體金屬起到保護(hù)作用，而TC4合金試樣表層所形成的氧化膜則對(duì)基體金屬起到了一定的保護(hù)作用減緩了腐蝕進(jìn)程。深入研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)純鈦腐蝕試樣進(jìn)行微區(qū)線掃描時(shí)，發(fā)現(xiàn)在基體金屬和腐蝕表層之間出現(xiàn)了氯元素及堿金屬元素的富集現(xiàn)象，而在TC4合金試樣中的富集現(xiàn)象不很明顯。此現(xiàn)象驗(yàn)證了堿金屬元素、氯元素會(huì)參與腐蝕進(jìn)程，特別是氯原子會(huì)起到催化劑的作用，加速基體金屬的腐蝕破壞，此外高溫時(shí)金屬氯化物易揮發(fā)且蒸汽壓較大，從而使已經(jīng)生成的氧化膜層中產(chǎn)生裂隙，變得疏松多孔，從而又增加了活性腐蝕性介質(zhì)（堿金屬熔融鹽等）與金屬基體接觸的機(jī)會(huì)，加速了腐蝕進(jìn)程，使得腐蝕會(huì)以較大的速率循環(huán)進(jìn)行，此過(guò)程在純鈦試樣中作用較明顯，而在TC4合金試樣中，由于生成了具有保護(hù)性的Al2O3以及鈦鋁型化合物（Ti3Al），從而在一定程度上減輕了氯原子的擴(kuò)散，減緩了基體金屬的腐蝕程度。

3、結(jié)論

（1）腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線顯示，純鈦試樣和TC4合金試樣都隨氧化時(shí)間的增加，其腐蝕程度都會(huì)加重，但純鈦試樣在550℃試驗(yàn)介質(zhì)中的腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線呈直線型，即腐蝕加快。而TC4合金試樣的腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線則呈平緩拋物線型，即腐蝕速率趨于穩(wěn)定平緩，說(shuō)明TC4合金試樣的腐蝕減薄程度更小，在試驗(yàn)介質(zhì)中的耐蝕性要優(yōu)于純鈦試樣。

（2）借助組織微區(qū)的成分分析，TC4合金中的Al元素會(huì)形成具有保護(hù)性的氧化膜Al2O3+Ti3Al從而起到保護(hù)基體金屬的作用，其原理是形成的保護(hù)膜會(huì)減輕氯原子及堿金屬擴(kuò)散的腐蝕催化作用。

參考文獻(xiàn)

[1]李廣風(fēng)，郭士賓，趙旭.生物質(zhì)燃燒鍋爐中的高溫氯腐蝕.新能源，2009，11-0044-02

[2]李慶，宋軍政，聶志鋼.130t/h燃生物質(zhì)鍋爐過(guò)熱器管子腐蝕原因分析

[3]張喜慶，趙永慶，白晨光.鈦合金及應(yīng)用化學(xué)工業(yè)出版社，2005