羅靖川，楊冠軍，陳 林

(西安交通大學材料科學與工程學院 金屬材料強度國家重點實驗室，陜西 西安 710049)

0 前 言

垃圾焚燒是一種重要的垃圾處理方法，通過高溫加熱使垃圾中的各類物質充分分解，采用余熱鍋爐凈化回收焚燒過程產生的大量高溫煙氣，從而獲得具有一定溫度和壓力的熱蒸汽，將蒸汽送入發(fā)電機組使熱能轉化為電能實現垃圾焚燒發(fā)電，可以將廢物資源循環(huán)利用[1-4]。焚燒處理具有減容減重效果好、消毒滅菌徹底、占地面積小等優(yōu)點，在能源和土地資源日益減少的背景下，符合我國循環(huán)經濟發(fā)展要求[5, 6]。垃圾焚燒的產物與垃圾的種類關系密切，通常與季節(jié)等因素相關。但總體而言，垃圾有發(fā)熱值低、含水量高的特點，其中還存在多種高濃度的腐蝕性介質，因此垃圾焚燒爐的金屬受熱面更易遭受腐蝕而導致損傷。垃圾焚燒爐不僅處于多元混合腐蝕氣氛中，管壁的表面還往往會留下富含重金屬、堿金屬硫酸鹽和氯鹽的低熔點混合沉積物，特別是在燃燒堿金屬硫酸鹽和堿金屬氯化物含量高的垃圾時，在管壁金屬溫度較高的受熱面上常出現腐蝕，導致其使用壽命縮短[7-10]。垃圾中沙土成分較多，在較高的煙氣流速下，焚燒產物中的飛灰對受熱面的磨損較為嚴重。為保證焚燒設備的安全穩(wěn)定工作和長期服役，需要就其沖蝕磨損問題開展針對性的研究并提供有效防護措施[11, 12]。

以往的防護實踐表明，通過熱噴涂技術在高溫部件表面制備涂層來開展防護是最有效、最經濟、應用最普遍的方法[13-15]。熱噴涂金屬涂層用于解決燃煤電廠鍋爐管在高溫腐蝕及沖刷磨損方面的問題已經有20多年的歷史，并且取得了顯著成效。目前國內使用最多的噴涂材料包括鎳鋁合金、鎳鉻鋁合金和鐵鉻鋁合金等。垃圾焚燒發(fā)電受熱面防腐用熱噴涂涂層主要有NiCr、NiCrSi合金涂層，但由于垃圾焚燒電站特殊的氯化腐蝕特性，使得該類涂層的抗腐蝕性能大大降低[16-19]。加入Cr3C2硬質顆?？梢蕴岣逳iCr涂層的耐磨性能，因此Cr3C2- NiCr涂層在高溫耐磨和高溫防腐蝕領域具有良好的應用前景。但是目前關于Cr3C2- NiCr涂層在高溫沖蝕條件下的失效行為，特別是涂層制備工藝對涂層抗高溫沖蝕性能的影響研究較少。本工作圍繞生活垃圾焚燒電站鍋爐腐蝕與防護關鍵技術問題，開展含Cr3C2硬質顆粒的NiCr涂層研究，采用超音速火焰噴涂(High Velocity Oxy - Fuel Spraying，HVOF)制備金屬陶瓷涂層，并研究了涂層在不同工藝參數下的微觀組織和抗高溫沖蝕性能。

1 試 驗

1.1 Cr3C2 - NiCr涂層制備

試驗所用粉末為在鎳基合金NiCr中加入硬質顆粒形成的Cr3C2- NiCr金屬陶瓷粉末，并將其噴涂在304不銹鋼基體上。采用HVOF工藝制備的Cr3C2- NiCr金屬陶瓷涂層厚度為300 μm左右，HVOF工藝參數見表1。

表1 HVOF制備Cr3C2 - NiCr金屬陶瓷涂層工藝參數

1.2 涂層表征

采用高分辨率場發(fā)射掃描電鏡(SEM，Tescan Mira 3，Czech)觀察涂層的表面形貌和斷面組織，獲得不同倍數的涂層表面和斷面組織顯微形貌。采用圖像分析法定量分析不同噴涂距離制備涂層的孔隙率。

1.3 高溫沖蝕試驗

采用自行設計的高溫沖蝕裝置開展高溫沖蝕試驗，通過對比涂層的沖蝕率Er來評價涂層的抗沖蝕性能，如式(1)所示：

(1)

式中：Er為沖蝕率，mg/g；Δm為質量變化量，mg；mP, T為磨料粒子質量，g。在進行抗高溫沖蝕試驗時，選取450 ℃和550 ℃ 2種沖蝕溫度來測試涂層在不同溫度下的抗沖蝕性能，沖蝕磨料粒子選取具有多角形狀的Al2O3顆粒，其粒徑約為150 μm，沖蝕時間為1.5 min，沖蝕角度為90°。

2 結果與討論

2.1 涂層組織

分別選取225，235，245 mm 3種噴涂距離來制備金屬陶瓷涂層，以研究HVOF的噴涂距離對Cr3C2- NiCr金屬陶瓷涂層組織的影響。不同噴涂距離下Cr3C2- NiCr金屬陶瓷涂層的表面SEM形貌如圖1所示。從圖1可以看出，225 mm噴涂距離下的涂層表面基本上全部由完全熔化的粒子鋪展而成，表面較為平滑；而235 mm噴涂距離下的涂層，其表面未熔化顆粒的數量開始變多；當噴涂距離增加至245 mm時，涂層表面存在大量的未熔化顆粒，顯得較為粗糙。顯然涂層表面沒有完全熔化的粒子數量隨著噴涂距離的增加而逐漸增加。在采用HVOF工藝制備涂層時，噴槍設備會形成具有一定長度的焰流，噴涂粉末被送入焰流中受高溫加熱呈熔融態(tài)，并加速沖向基體表面。當高溫焰流沖向基體時，其溫度將會逐漸下降，在此過程中，處于焰流內的粒子在向基體方向飛行時，所受到的加熱溫度也逐漸下降。隨著噴涂距離的增加，在靠近基體處焰流的溫度將隨之變低，焰流對粉末的加熱效果也會變弱，最后粉末到達基體表面時還能維持熔融狀態(tài)的數量減少，在涂層表面未熔化顆粒的數量增加。

在225，235，245 mm 3種噴涂距離下制備的Cr3C2- NiCr金屬陶瓷涂層的斷面組織結構如圖2所示。從圖2可以發(fā)現，3種噴涂距離制備的Cr3C2- NiCr金屬陶瓷涂層都不是完全致密的，其表觀孔隙率較高。此外，觀察涂層截面中物相的形貌可以發(fā)現一些粉末以顆粒的形式存留下來，即尚未完全熔化的那部分粉末。這主要是由于HVOF噴涂時火焰溫度并不是很高，噴涂粒子中僅有部分金屬相得以熔化，而大部分穩(wěn)定陶瓷相得以保留。隨著噴涂距離的增加，涂層內部未完全熔化的粒子數量逐漸增加。采用圖像分析法定量統計了不同噴涂距離下Cr3C2- NiCr金屬陶瓷涂層的孔隙率，其結果見表2。從表2可知，隨著噴涂距離的增加，涂層的孔隙率隨之升高，但是總體差別不大，這與其SEM形貌的觀察結果相一致。

表2 不同噴涂距離下制備的Cr3C2 - NiCr金屬陶瓷涂層的孔隙率

2.2 噴涂距離對涂層高溫沖蝕性能的影響

在進行高溫沖蝕試驗時，為考察制備涂層時噴涂距離對涂層高溫沖蝕性能的影響，對比了3種不同的噴涂距離下制備涂層的抗沖蝕性能。圖3為不同噴涂距離下制備涂層分別在450 ℃和550 ℃沖蝕溫度下的沖蝕率。從圖3可知，隨著噴涂距離由225 mm增加至245 mm，制備的Cr3C2- NiCr涂層在經受高溫沖蝕后的沖蝕率逐漸增大，但是550 ℃條件下245 mm噴涂距離制備的涂層的沖蝕率略為下降。涂層的孔隙率對涂層的抗腐蝕性能有影響[20]。隨著噴涂距離增加，涂層的孔隙率和沖蝕率都增加，表明孔隙率也會影響涂層的抗沖蝕性能。

制備涂層時，隨著噴涂距離的增加，涂層斷面的表觀孔隙率逐漸增大，內部未完全熔化的粉末顆粒數量也逐漸增多。在高溫沖蝕試驗中，高溫高速粒子對涂層的沖擊主要表現為錘擊和犁削，分別對應粒子沖擊的垂直分速度和水平分速度。本工作采用了90°的沖蝕角度，高速粒子對涂層的犁削作用較小，主要為對涂層的錘擊。粒子的錘擊使涂層產生內部疲勞應力，當其到達一定臨界值時產生裂紋，并最終剝落。涂層中的孔隙增加了裂紋出現和擴展的可能性，而大量半熔粒子的存在削弱了沉積粒子間的結合強度，因此在高溫沖蝕過程中，具有較大孔隙率和更多數量半熔粒子的Cr3C2- NiCr涂層的沉積單元更容易剝落，也使得涂層具有較大的沖蝕率，反之亦然。但是在較短的時間內，粒子錘擊導致涂層脫落的現象并不明顯，這也可能是245 mm噴涂距離制備的涂層在550 ℃時的沖蝕率反而下降的原因。Cr3C2- NiCr涂層在450 ℃條件下高溫沖蝕后的表面SEM形貌如圖4所示。從圖4可知，隨著噴涂距離的增加，沖蝕后涂層表面沖擊形成的凹坑逐漸增多，表明結合相對較差的涂層更易產生沖擊凹坑。

2.3 沖蝕溫度對涂層高溫沖蝕性能的影響

為了分析沖蝕溫度對試樣的高溫沖蝕性能的影響，比較了不同溫度下涂層的沖蝕率，其結果如圖5所示。從圖5可知，當在225 mm和235 mm的噴涂距離下制備涂層時，隨著沖蝕溫度的增加，涂層的沖蝕率均增加。但在245 mm的噴涂距離條件下制備的涂層，隨著溫度升高，涂層的沖蝕率反而下降。隨著沖蝕溫度的提高，沖蝕粒子的溫度升高，對涂層表面造成的損傷也增大，其沖蝕率也升高。由于試驗中所選用的沖蝕角度為90°，粒子對涂層的沖擊主要以錘擊的形式，加之3種噴涂距離制備的涂層在450 ℃和550 ℃下的沖蝕率都較低，表明所制備的Cr3C2- NiCr涂層具有良好的高溫沖蝕距離。因此涂層因沖蝕試驗而產生的脫落需要較長的時間，這可能也是噴涂距離為245 mm的涂層在溫度升高以后沖蝕率反而下降的原因。

圖6和圖7分別為噴涂距離為235 mm制備的Cr3C2- NiCr金屬陶瓷涂層在450 ℃和550 ℃下高溫沖蝕后的表面SEM形貌。由圖6、圖7可以看出，在450 ℃和550 ℃不同溫度下，涂層沖蝕后的形貌變化不大，這主要是因為導致2種噴涂距離制備的涂層脫落的原因都是沖蝕粒子的錘擊。

3 結 論

(1)采用HVOF方法在不同的噴涂距離下制備了Cr3C2- NiCr金屬陶瓷涂層。隨著噴涂距離的增加，所制備涂層的表觀孔隙率隨之升高，未完全熔化的顆粒數量也逐漸增加。在噴涂距離為225 mm時，涂層具有最低的孔隙率，未完全熔化的顆粒數量最少。

(2)對HVOF方法制備的Cr3C2- NiCr涂層進行高溫沖蝕試驗，結果表明所有涂層的沖蝕率都較低，均具有良好的抗高溫沖蝕性能。

(3)噴涂距離增加，所制備涂層的沖蝕率增大，抗高溫沖蝕能力下降。當沖蝕溫度由450 ℃提高至550 ℃時，涂層的抗高溫沖蝕性能下降。