轻点太紧了太大了太深了好疼

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    瀏覽:- 發布日期:2021-06-23 13:57:29【

    李柏濤,師 瑋,喬 磊,吳玉萍

    (河海大學力學與材料學院,南京211100)

    摘 要:采用高速電弧噴涂技術在20G鋼基體上制備了FeGCrGBGCGAl涂層.采用光學顯微鏡、掃描電鏡、能譜儀、X射線衍射儀、萬能材料試驗機以及硬度計研究了涂層的微觀組織結構和力學性能;然后在650℃條件下進行了涂層的高溫腐蝕試驗,并與20G鋼進行了對比,研究了涂層的耐高溫腐蝕機理.結果表明:高速電弧噴涂FeGCrGBGCGAl涂層呈典型的層狀結構,與基體的結合力較強,涂層內氧化物和孔隙較少;在650℃腐蝕100h后,20G 鋼的腐蝕增重約為涂層的13倍;在高溫腐蝕過程中,涂層表面生成了具有保護作用的氧化膜,提高了涂層的耐高溫腐蝕性能.

    關鍵詞:高速電弧噴涂;FeGCrGBGCGAl涂層;組織結構;高溫腐蝕

    中圖分類號:TG174.44   文獻標志碼:A   文章編號:1001G4012(2017)04G0240G04

    收稿日期:2016G12G02

    作者簡介:李柏濤(1991—),男,碩士,主要從事金屬涂層制備及

    其性能研究.

    通信作者:吳玉萍(1964—),女,教授,主要從事材料表面研究,

    wuyphhu@163.com.

    MicrostructureandHighGtemperatureCorrosionBehaviorofFeGCrGBGCGAlCoatingPreparedbyHighVelocityArcSprayingLIBaiGtao,SHIWei,QIAOLei,WUYuGping

    CollegeofMechanicsandMaterials,HohaiUniversity,Nanjing211100,China)

    Abstract:TheFeGCrGBGCGAlcoatingwaspreparedon20Gsteelsubstratebyhighvelocityarcspraying(HVAS)

    technology.Themicrostructureand mechanicalpropertiesofthecoatingwereanalyzedbyopticalmicroscope (OM),

    scanningelectionmicroscope (SEM),energydispersivespectrometer (EDS),XGraydiffractometer (XRD),universal

    tensiletestingmachineandVickershardnesstester.Thehightemperaturecorrosiontestwasdoneat650℃andcompared

    with20GsteeltostudythehighGtemperaturecorrosionresistanceofthecoating.TheresultsshowthattheHVASFeGCrGBG

    CGAlcoatinghadthetypicallamellarstructureandcombinedwellwiththesubstrate.Therewerefewoxidesandporesin

    thecoating.Aftercorrosionat650℃for100h,themassgainofthe20Gsteelwasabout13timesofthatofthecoating.

    IntheprocessofhighGtemperaturecorrosion,theprotectiveoxidefilm wasformedonthesurfaceofthecoating,which

    improvedthehighGtemperaturecorrosionresistanceofthecoating.

    Keywords:highvelocityarcspraying;FeGCrGBGCGAlcoating;microstructure;highGtemperaturecorrosion


        燃煤電廠的鍋爐部件在運行過程中經受嚴重的高溫腐蝕,不僅會影響發電廠的安全運行,而且還會帶來巨大的經濟損失[1G2].目前國內外對鍋爐的高溫腐蝕機理和防護技術進行了大量的研究[3G5].熱噴涂技術是解決這一問題的一個經濟有效的手段[6G10].其中,高速電弧噴涂(HighVelocityArcSpraying,HVAS)技術由于具有成本低、生產效率高、涂層質量好和便于現場施工等優點而被廣泛應用[11G12].徐維普和徐濱士等[13G14]用高速電弧噴涂制備的FeGAl和FeGAl/Cr3C2 涂層具有優異的耐高溫腐蝕性能和耐磨損性能.張忠禮等[15]采用電弧噴涂方法在鋼鐵基體表面制備的FeCrAl/Al復合涂層提高了鋼鐵材料的耐高溫硫化腐蝕性能.20世紀80年代,美國的TAFA,METALGSPRAY等公司推出的一種典型的電弧噴涂制備的45CT涂240等:高速電弧噴涂FeGCrGBGCGAl涂層的組織結構及其高溫腐蝕行為層,被用到鍋爐管道腐蝕的防護技術中,但是由于制作成本極高,該涂層沒有得到廣泛應用[16].馬世寧等[17]研制出了高速電弧噴涂SL30+高溫封孔劑體系的涂層,起到了很好的防腐蝕效果,并證實該涂層性能與45CT涂層性能相當.為了降低電廠生產成本,提高運行安全性,筆者采用高速電弧噴涂技術制備了FeGCrGBGCGAl涂層,并模擬鍋爐運行工況,研究了該涂層在650 ℃條件下的高溫腐蝕行為,并與20G 鍋爐用鋼進行對比,探索涂層的高溫腐蝕機理,為涂層在鍋爐防腐蝕方面的應用提供參考.

    1 試樣制備與試驗方法

    1.1 試樣制備

    采用高速電弧噴涂技術制備FeGCrGBGCGAl涂層,噴涂所用粉芯絲材化學成分(質量分數/%)如下:45.17Fe,37.44Cr,6.12Ni,5.13Si,4.55B,0.43C,1.16Al. 基體材料選用20G 鋼,基體尺寸為30mm×10mm×8mm.在噴涂前先用棕剛玉對基體的6個面進行噴砂處理,然后使用SB10GH 型電弧噴涂設備對基體的6個面進行噴涂(噴涂工藝參數如下:噴涂電壓36V,噴涂電流180A,噴涂距離200 mm,霧化空氣壓力0.65 MPa,噴涂時間30min),制備出涂層試樣,并選用20G 鍋爐用鋼作為對比試樣.

    1.2 試驗方法

    試驗采用Na2SO4 和K2SO4 (物質的量比為7∶3)的混合硫酸鹽溶液作為腐蝕介質,將其涂刷于樣表面,每個試樣表面的涂鹽量為3mg??cm-2.采用增重法測試涂層的腐蝕速率,在650 ℃的條件下進行循環腐蝕試驗,每次腐蝕5h后取出,冷卻至室溫并用天平稱量試樣質量,累計試驗100h.采用HXDG1000TC型維式硬度計測試涂層的硬度,加載荷為2.94 N(0.3kgf),保載時間為15s.依據GB/T8642-2002«熱噴涂抗拉結合強度的測試»中規定的對偶試樣拉伸法,采用REGERG50型微機萬能材料試驗機測試涂層的結合強度。

    采用Bruker公司的D8Advance型X 射線衍射儀(XRD)分析高溫腐蝕前后涂層的物相組成.采用精度為0.1mg的AL204型分析天平稱量涂層試樣的腐蝕增重. 采用BX51M OLYMPUS型金相顯微鏡(OM)和PhilipsXL30型掃描電鏡(SEM)分析高溫腐蝕前后涂層的表面和截面形貌,并結合腐蝕產物能譜(EDS)分析,探討涂層的高溫腐蝕機理。

    2 試驗結果與討論

    2.1 涂層的組織結構和力學性能

    圖1為高速電弧噴涂FeGCrGBGCGAl涂層的截面形貌,可見涂層比較均勻,平均厚度為785μm;涂層呈現出典型的層狀結構,涂層中存在著少量的灰色氧化物,涂層較為致密,涂層的平均孔隙率為4.76%(體積分數);基體與涂層的結合處呈波浪形,涂層的結合強度為31MPa。

    高速電弧噴涂FeGCrGBGCGAl涂層截面OM 形貌

    圖1 高速電弧噴涂FeGCrGBGCGAl涂層截面OM 形貌

    Fig.1 SectionalOM morphologyoftheHVASFeGCrGBGCGAlcoating

    圖2 高速電弧噴涂FeGCrGBGCGAl涂層的 XRD譜

    圖2 高速電弧噴涂FeGCrGBGCGAl涂層的XRD 譜

    Fig.2 XRDpatternofHVASFeGCrGBGCGAlcoating


    圖2 為高速電弧噴涂FeGCrGBGCGAl涂層的XRD 譜,可見涂層主要由FeGCr 固溶體、CrB,Fe2B,FeB組成.這些在噴涂過程中產生的固溶體相和硼化物交錯分布于涂層中,提高了涂層的硬度.

    2.4.1

    李柏濤,等:高速電弧噴涂FeGCrGBGCGAl涂層的組織結構及其高溫腐蝕行為圖3為高速電弧噴涂FeGCrGBGCGAl涂層的顯微硬度分布曲線,可見涂層的平均硬度達到830HV0.3.

    圖3 高速電弧噴涂FeGCrGBGCGAl涂層的顯微硬度分布曲線

    圖3 高速電弧噴涂FeGCrGBGCGAl涂層的顯微硬度分布曲線

    Fig.3 MicroGhardnessdistributioncurveofHVASFeGCrGBGCGAlcoating


    2.2 涂層的高溫腐蝕性能

    圖4 為高速電弧噴涂FeGCrGBGCGAl涂層和20G鋼在650 ℃條件下的熱腐蝕動力學曲線. 由圖4可見,20G鋼基體的腐蝕速率高,腐蝕動力學曲線基本呈直線趨勢增長,增重迅速,說明20G 鋼的耐高溫腐蝕性能較差.20G鋼經高溫腐蝕后發生嚴重層狀脫落,出現松脆現象.腐蝕產物主要為一些紅色和黑色的Fe2O3,Fe3O4 以及鐵的硫化物等[18G20].FeGCrGBGCGAl涂層在腐蝕試驗開始后前5h內腐蝕增重速率較高,5h之后基本呈現小幅度的增長趨拋.在腐蝕100h之后,20G 鋼的腐蝕增重約為FeGCrGBGCGAl涂層的13倍,說明FeGCrGBGCGAl涂層的耐高溫腐蝕性能良好。

    圖4 650 ℃下高速電弧噴涂FeGCrGBGCGAl涂層

    圖4?。叮担?℃下高速電弧噴涂FeGCrGBGCGAl涂層和20G 鋼的腐蝕動力學曲線

    Fig.4 CorrosionkineticcurvesofHVASFeGCrGBGCGAlcoatingand20Gsteelat650 ℃

    2.3 涂層的高溫腐蝕機理

    圖5是FeGCrGBGCGAl涂層在經過100h高溫腐蝕試驗之后的XRD 譜,可以看到熱腐蝕試驗后涂層表面的腐蝕產物主要為FeCr2O4,Cr2O3,Fe2O3,

    高速電弧噴涂FeGCrGBGCGAl涂層截面OM 形貌

    圖5 高速電弧噴涂FeGCrGBGCGAl涂層高溫腐蝕試驗后的XRD 譜

    Fig.5 XRDpatternofHVASFeGCrGBGCGAlcoatingafterhighGtemperaturecorrosiontest


    Al2O3,FeS.涂層在650℃熱腐蝕后表面生成了具有保護作用的鐵、鉻和鋁的氧化物以及鐵鉻尖晶石,阻礙了腐蝕介質的侵入,提高了涂層的耐高溫腐蝕性能.另外,涂層經高溫腐蝕后還產生了FeS這種腐蝕產物,FeS的結構疏松不致密,會給硫、氧等元素的入侵提供通道,不利于涂層的耐高溫腐蝕性能[21].經高溫腐蝕后涂層中仍存在αG(Fe,Cr)相,說明涂層表面的氧化層較薄,X 射線衍射檢測到了涂層內部的物相組成.

    FeGCrGBGCGAl涂層中含有鋁元素,鋁元素相對于其他元素而言具有優先與硫元素結合的趨勢,減弱鐵與硫之間的反應,同時Al3+ 的存在會阻礙Fe2+的擴散[22],使鐵向外擴散的阻力增加,從而減少FeS的生成,降低腐蝕速率。

    圖6為FeGCrGBGCGAl涂層在650 ℃腐蝕100h后的表面和截面SEM 形貌.從圖6(a)可以看到,

    腐蝕后的涂層表面附著白色腐蝕產物,并且存在少量的凸起.從圖6(b)可以看到,高溫腐蝕100h后涂層與基體的結合依然良好,且涂層組織結構完整,中間出現部分微裂紋,表面處形成一層氧化膜.腐蝕介質和氧氣能通過涂層表面的孔隙到達涂層的內部,從而發生內部氧化.結合表1中的EDS分析結果和圖5可知,涂層表面的氧化膜主要為Cr2O3,Fe2O3,FeCr2O4,Al2O3.在腐蝕初期,鉻、鐵、鋁元素首先被氧化成Cr2O3,Fe2O3,FeCr2O4,Al2O3 附著在涂層表面,能形成連續致密的保護膜阻止腐蝕介質的侵入,提高了涂層的耐高溫腐蝕性能.隨后,由于在高溫熔融狀態的鹽膜中會產生活性的硫,此時生成的氧化物是溶解在熔融鹽當中的.氧化物的生成產生了內應力,使剛生成的氧化物呈疏松多孔的結構,硫元素通過裂縫或孔隙滲入.隨著時間的延長,產生的Cr2O3的量逐漸增加,但是鉻元素向外擴

    242

    圖6 高速電弧噴涂FeGCrGBGCGAl涂層高溫腐蝕試驗后的SEM 形貌

    圖6 高速電弧噴涂FeGCrGBGCGAl涂層高溫腐蝕試驗后的SEM 形貌

    Fig.6 SEM morphologyofHVASFeGCrGBGCAlcoatingafterhightemperaturecorrosiontestasurfacemorphology b sectionalmorphology


    表1 圖6(a)中A 區域的EDS分析結果(質量分數)

    Tab.1 EDSanalysisresultsoftheregionAinFig.6 amassfraction %元素O Al Si Cr Fe Ni S K Na

    表1 圖6(a)中A 區域的EDS分析結果(質量分數)

    含量41.35 2.53 1.84 33.73 10.14 0.76 2.41 3.25 3.99

    散的速率遠大于氧元素向內擴散的速率,所以生成的Cr2O3 氧化膜存在于靠近涂層表面區域[23G24].鉻和氧的相互擴散及新的氧化物在氧化膜內的生成,使氧化膜除了垂直金屬表面生長之外還會橫向生長,隨著時間的延長,最終覆蓋整個涂層,對硫的擴散起到相當大的阻礙作用.所以致密的氧化物薄膜不僅阻礙了硫元素的進入,還有效阻礙了鐵原子向外擴散,提高了涂層的耐高溫腐蝕性能.

    3 結論

    (1)采用高速電弧噴涂技術制備FeGCrGBGCGAl涂層,涂層中的氧化物及未熔顆粒較少,結構致密,涂層與基體結合良好.涂層內部存在少量孔隙,平均孔隙率為4.76%. 涂層的平均顯微硬度為830HV0.3,涂層與基體的結合強度為31MPa.

    (2)涂層的耐高溫腐蝕性能優良,650 ℃腐蝕100h后20G鋼的腐蝕增重約為FeGCrGBGCGAl涂層的13倍.

    (3)在650℃腐蝕條件下涂層表面覆蓋氧化膜層,其主要腐蝕產物為Cr2O3,Fe2O3,FeCr2O4,Al2O3,連續的氧化膜保護了涂層和基體,阻隔了腐蝕介質的滲透,因此涂層具有優良的耐高溫腐蝕性能.


    2.4.3

    (1)非等溫DSC法研究環氧樹脂/空心玻璃微珠體系固化動力學

    (2)固化反應中吸熱,同時HGB具有空間位阻效應,兩者均使固化體系的放熱焓變降低.

    (3)固化體系添加HGB后,其表觀活化能較未加入時的下降6.12%.

    (4)通過Crane方程計算,添加HGB后固化體系的反應級數與EG54/DDM固化體系的相同,均為0.91.

    (文章來源:材料與測試網)

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