摘要
将日常生活和工业生成中产生的垃圾集中送入锅炉中进行高温焚烧，并通过发电机组将其转化成可以利用的电能资源是解决垃圾污染问题的关键举措。然而垃圾中的各种混合物在焚烧过程中会产生烟气污染物等，锅炉过热器等热端部件在长期运行过程容易受到严重的腐蚀损伤，引起零部件的失效，导致发电效率降低，运行安全也有极大隐患。为了有效避免或减少此类事件的发生，可以采用表面防护的手段。锅炉过热器管常用的耐热型不锈钢无法满足垃圾焚烧环境中的耐高温腐蚀性能需求，镍基高温合金具有良好的抗高温氧化和耐高温腐蚀性能，然而整体材料的替换成本过高。综合考虑，采用镍基合金粉末在不锈钢基体表面制备一层薄而致密的涂层既能有效控制成本，又可以提高材料的高温性能。因此，本文选用304不锈钢作基体，采用激光熔覆技术在其表面制备Ni60A合金熔覆层，并添加不同含量的稀土Y2O3作为强化相，全面探究涂层的高温防护性能，具体研究内容如下： 本论文结合正交试验法，以激光功率、扫描速度、送粉速率为变量，宽高比、稀释率为响应指标，摸索出激光熔覆Ni60A单道熔覆层的最优工艺参数组合。采用最优工艺参数组，选取35%、40%、45%、50%、55%、60%六种不同的搭接率进行四道搭接实验。实验结果显示，当激光功率为1.3 kW，扫描速度为300 mm/min，送粉速率为0.6 r/min时，Ni60A单道熔覆层成型质量最佳，内部孔隙数量较少，无裂纹、夹杂、变形等缺陷，晶粒组织细化。六种不同搭接率下涂层的物相组成基本一致，均检测出Ni3Fe、γ-(Ni, Cr)、Ni2.9Cr0.7Fe0.36、CrB相，其中Ni3Fe是主要相。Ni60A熔覆区的硬度值均在350 HV0.1以上，最高可达450 HV0.1左右，平均硬度值约407.58 HV0.1，约为304不锈钢基体的2倍，且远远高于锅炉过热器管常用材料TP347H钢。当搭接率为50%时，熔覆层的成型质量好，相邻单道熔覆层之间的间距合适，顶部之间无凹陷区。熔覆层的底部主要是由胞状晶和粗大的柱状晶所构成，中部主要有胞状枝晶和树枝晶，顶部由枝晶和细小的等轴晶所组成。 在电厂实际服役过程中，材料长期遭受高温熔盐腐蚀，而腐蚀的初期主要发生的是氧化反应。因此，本研究采用对比实验法，在空气气氛中分别对TP347H钢和Ni60A涂层在600℃、700℃、800℃三种不同温度下进行为期240 h的循环氧化测试。TP347H 钢表面的氧化增重量远低于同一温度下的Ni60A涂层。实验结果显示，TP347H钢表面的氧化增重量远低于同一温度下的Ni60A涂层。在TP347H钢中Mn、Cr元素的还原性较强，与氧的亲和力大。在氧化过程中，一部分的Cr元素会通过选择性氧化与O2直接反应生成Cr2O3，还有一部分Cr元素容易与Mn和O元素反应生成CrMn1.5O4， Cr2O3与CrMn1.5O4作为钝化膜协同作用，在一定程度上阻碍O2向内部加速扩散，从而对基体形成保护。而Ni60A涂层中氧化形成的SiO2硬质相颗粒会破坏氧化层结构，使其无法对基体形成良好的保护屏障。 单一合金粉末对于材料高温性能的提升有限，多种材料复合的研究是当前的热点方向。适量添加稀土氧化物可以增加熔池流动性，细化晶粒，达到强化效果。本研究采用激光熔覆技术制备了Ni60A+xY2O3（x=0、1、3、5 wt.%）复合熔覆层，研究了复合熔覆层在KCl:Na2SO4=3:1沉积盐条件下耐高温腐蚀性能，腐蚀试验温度为600℃，周期为168 h。实验结果表明，Y2O3的添加会在晶粒边界处引入一些障碍，限制晶粒的长大，导致晶粒细化，晶界面积增大。Cr元素更容易以晶界作为通道扩散到涂层表面形成具有保护性作用的Cr2O3，进而阻止更多的O2向涂层内部扩散。晶界面积的增大还会导致向内部扩散的O2在距涂层表面不远处就耗尽，从而使得内部腐蚀深度有所降低。宏观上，在腐蚀层中的Ni含量非常低，基本没有形成Ni的氧化物，而是以尖晶石的形式存在，涂层内部未受到腐蚀的区域含有大量的Ni元素。高倍率下，可以发现晶粒中的Ni含量非常高，在高温腐蚀后依然保持稳定的结构，表现出优异的耐高温腐蚀性能。虽然晶粒的细化能够起到表面强化的作用，但并不代表Y2O3掺杂量越大，涂层性能就越好。Y2O3含量过高的情况下，腐蚀层变得疏松，更多的O2可以穿透腐蚀层到达涂层与腐蚀层的界面，并持续向内部扩散，致使涂层的耐高温腐蚀性能显著降低。
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