超音速电弧喷涂粉芯丝材在电厂锅炉受热面上的重要应用
北京瑞达安喷涂技术开发中心总工程师 刘广海（102600）
高温腐蚀磨损一直是工业锅炉普遍存在问题，给生产带来危害极大。仅以火力发电厂为例，燃煤锅炉是重要的能量转换装置。有专家预测到2050年，我国燃煤锅炉仍占50％。燃煤锅炉“四管”（水冷壁、过热器、再热器、省煤器）对流受热面受高温烟气中飞灰的冲击磨损，高温氧化和含硫介质高温腐蚀作用，使“四管”壁减薄，经常发生“四管”爆裂事故，造成电厂非计划停炉，据有关资料报导，在电厂锅炉事故中“四管”爆裂事故占40－60％。350 MW机组每停机1天造成的损失折合人民币为60万元，因此不断寻求更好的方法，避免锅炉受热面产生故障，对于经济效益和社会效益来说意义十分巨大。超音速电弧喷涂技术是电厂锅炉受热面防磨、防腐的一种行之有效的方法，具有广泛的应用前景。
1. 粉芯丝材的出现使电弧喷涂技术发展到了崭新阶段
1.1电弧喷涂技术的发展过程
电弧喷涂技术是热喷涂技术一个重要组成部分，它既是一种古老的喷涂技术，但又是一种崭新的喷涂技术。该技术产生于二十世纪初，当时由于受喷涂设备性能的限制，只能喷涂一些低熔点的金属材料来防止钢铁表面锈蚀。随着热喷涂技术的发展与提高，电弧喷涂技术也在不断进步。到了二十世纪中期，电弧喷涂技术已经占据了重要地位。后来由于等离子、爆炸等喷涂技术的出现，能满足航空、航天、火箭等尖端技术的需要，在某种程度上限制了电弧喷涂技术的发展。70年代以来，由于粉芯丝材的出现，给电弧喷涂技术带来了生机。粉芯丝材既克服了高合金成分难以拔丝的困难，同时还能使一些不导电的颗粒材料（陶瓷及碳化物），填充到粉芯丝材中，在电弧喷涂上得以应用。如，Al2O3 ，TiO2，TiB2，Cr3C2等。由于粉芯丝材成分易调节、生产周期短、选材便利、成本较低等优点，因此促进了电弧喷涂技术的发展。
1.2电弧喷涂技术进入了崭新时代
随着电弧喷涂材料的品种不断增加性能不断提高。进入80年代以后，电弧喷涂设备又向精密化、自动化方向发展。如，超音速电弧喷涂、高速脉冲电弧喷涂、复合电弧喷涂、保护气体电弧喷涂、真空电弧喷涂等，这些新的电弧喷涂工艺技术的出现，大大的提高了喷涂效率，改善了涂层质量，拓宽了电弧喷涂技术的应用领域。当前这项技术很受青睐，在国民经济许多部门发挥了重要作用。使古老的电弧喷涂技术焕发了青春。
2.粉芯丝材的研制与应用
2.1粉芯丝材的研制与开发推广应用
北京工业大学自1994年，在国内率先开展了电弧喷涂用粉芯丝材的研究和开发工作。初始阶段得到北京市自然科学基金（项目：含稀土元素耐磨耐腐蚀热喷涂金属粉芯线材的研究）和全军装备维修表面工程研究中心(项目：耐磨耐蚀热喷涂粉芯线材的研究)的资助。于1999年完成北京市政管理委员会项目：市政及施工机械等用耐磨热喷涂粉芯线材的研究；2003年完成青年基金：稀土在热喷涂粉芯线材中的应用效果。并于2004年获国家自然科学基金资助：电弧喷涂制备纳米硼化物陶瓷复合涂层及其特性研究。2006年获北京市自然科学基金资助：电弧喷涂制备纳米陶瓷复合涂层及其特性的研究。
我公司自1999年以来协助并参与该项目的研制与开发推广应用，开发了三十余种Fe基、Ni基、Al基和Zn基热喷涂粉芯丝材，并进行广泛的推广应用，取得显著成效应用。
2.2粉芯丝材的特点及应用
2.2.1粉芯丝材的特点
热喷涂粉芯丝材是由金属外皮包裹着一定粒度的不同类型的金属、合金粉末或陶瓷粉末等构成的，兼备实心丝材及合金粉末喷涂材料的优点，具有合金成分调节容易、调节范围广、可获得特殊合金成分表面涂层和提高涂层质量等独特的优越性，是一种非常有发展前景的热喷涂材料，在国内外锅炉受热面防磨、防腐工程上得到了重要应用已得到成功应用。
2.2.2粉芯丝材的重要应用
采用超音速电弧喷涂技术，喷涂不同性能的粉芯丝材，已在电厂锅炉受热面、钢厂转炉烟道、水泥行业、石化行业、轻工、国防等部门的防磨、防腐涂层中得到重要应用。
3.几种粉芯丝材的性能简介
（1）含稀土元素马氏体不锈钢（7Cr13)
电弧喷涂层结合强度：>50MPa，涂层硬度：>43-48HRC(维氏硬度411-490HV0.1换算值)。可用作热喷涂耐磨、耐蚀涂层。磨粒磨损试验相对耐磨性为3Cr13的1.5倍。涂层致密。主要用于燃煤电站锅炉普通煤粉炉“四管”抗高温腐蚀-冲蚀磨损。钢厂转炉烟罩及烟道防腐耐磨。各种轴类、曲轴、柱塞、造纸烘缸等修复。
（2）含稀土元素马氏体不锈钢型热喷涂粉芯线材
电弧喷涂层结合强度：>55MPa，涂层硬度:35-39HRC(维氏硬度329-366HV0.1换算值)。涂层低收缩率低膨胀系数，可喷较厚涂层，具有良好的自粘合性能，可做热喷涂打底层用，取代铝青铜(或价格昂贵的NiAl丝材)，无毒、高效、低成本。涂层有良好的耐磨性能，也可做耐磨层用。
（3）含稀土元素低碳奥氏体不锈钢 型热喷涂粉芯线材
电弧喷涂层结合强度：>50MPa。可做热喷涂耐腐蚀层用(在具有氧化性的介质中效果良好。注意选择合适的封孔剂。因喷涂层为奥氏体不锈钢型，线膨胀系数大，喷涂层厚度不宜过厚)。
（4）高硬度耐磨型热喷涂粉芯线材
电弧喷涂层结合强度：>50MPa，涂层硬度：65-70HRC(维氏硬度857-1393HV0.1换算值，部分区域高达1807HV0.1)，孔隙率3.9%。涂层中的氧化物极少。磨粒磨损试验相对耐磨性为3Cr13的9倍，为20号钢的16倍。作高高耐磨防护涂层用。适于锅炉内吹灰口、燃烧器附近和循环流化床锅炉受热面、风机叶片等耐冲蚀磨损防护涂层。
（5）耐高温冲蚀金属陶瓷型热喷涂粉芯线材
电弧喷涂层结合强度：>50MPa，涂层硬度：50-57HRC(维氏硬度518-642HV0.1换算值)。抗热震性能好以及抗高温冲蚀磨损能力强。作为燃煤电站锅炉普通煤粉炉“四管”抗高温腐蚀-冲蚀磨损涂层。
（6）不锈钢高硬度耐磨型热喷涂粉芯线材
电弧喷涂层结合强度>55MPa，涂层硬度:67-70HRC(维氏硬度949-1362HV0.1换算值)，涂层中的氧化物极少，孔隙率3.2%。抗热震性能好（800℃，热震20次，涂层完好），抗高温冲蚀能力强。磨粒磨损试验相对耐磨性为20G钢的18倍以上。作高耐磨层用。适于锅炉内吹灰口、燃烧器附近和循环流化床锅炉受热面、风机叶片、钢厂转炉烟罩及烟道等耐磨耐蚀防护涂层。
（7）高硬度高耐磨型（SAM）热喷涂粉芯线材
①熔点：1300℃，可长期在900℃环境下工作；
②线膨胀系数12.2～14×10-6/℃，与20＃锅炉钢基本相近（20G＃钢线膨胀系数为11.16～13.95×10-6/℃）；
③涂层与基材结合强度≥50Mpa；
④涂层硬度：维氏硬度HV949～1362 ，HRC≥67（换算值）；
⑤涂层耐磨度相当于Q235#钢18倍以上；
⑥涂层抗高温氧化性：6.3mg/cm2(750℃氧化250小时)；
⑦涂层孔隙率<1％；
⑧喷涂时控制基材温度≤120℃，基体不发生变形。
（8）抗高温氧化-磨蚀热喷涂材料的特性及防护机理
该材料为粉芯丝材，即不锈钢为外皮，内含耐磨、耐蚀元素，主要成分(wt.%):Cr40-42, 少量添加元素（Ni、稀土<5），Fe余量。电弧喷涂结合强度>50MPa。
涂层平均显微硬度645HV，折合洛氏硬度57HRC。
涂层的抗热震性能较好：850℃，30次，涂层完好。具有较好的抗高温氧化能力，可在600-900℃工况条件下使用。
涂层抗蚀能力强：高铬含量（Cr40-42％）,涂层氧化曲线稳定，增重少，具有较好的抗氧化性能。由于Cr在过热器高温环境下，在涂层表面形成了连续的Cr2O3氧化膜，可有效的抑制腐蚀过程的持续进行，是抗高温、耐腐蚀最佳涂层选择。特别适于电站锅炉“四管”抗高高温氧化-磨蚀防护部位（过热器部位）。以及钢厂转炉烟罩及烟道防腐耐磨部位。
涂层经北京工业大学材料学院考核涂层的试验，具体参数如下：
（1）喷涂层的抗热震性测试：参照JB/T7703-95(热喷涂陶瓷涂层技术条件，第5.1.6条－热震性)规定进行。加热设备：SX2-5-17箱式电阻炉。试样：基材为Q235钢，尺寸为50×30×5mm，表面涂层厚度为0.3-0.5mm。试验方法：试验时将试样置于加热炉中，加热温度分别选择600℃、800℃，到温后保温10分钟取出，放入常温的清水中激冷。观察试样表面涂层有无裂纹、剥离或翘起等。然后再进行加热、保温，如此反复完成加热－冷却－再加热的热循环过程，以此检测涂层的抗热震性能。
（2）高温氧化性能测试：高温氧化试验试样基体材料选用低碳钢Q235，尺寸为25mm×16mm×5mm。先对试样各个面进行清洗和喷砂处理，然后对试样各个面进行喷涂，涂层厚度约为0.5mm ~0.6mm。喷涂后试样表面未作任何机械加工处理。
加热设备是上海电炉厂生产的SX2-5-17 箱式电阻炉，试验温度为600-800℃。质量测量采用的是北京塞多利斯仪器公司的BS2202S电子天平，精确到0.0001g。制备好的试样放进在经800℃×1h脱气处理后的坩埚内，一起称重，记录该值，然后将坩埚和试样放在600-800℃的电阻丝炉内进行高温处理，每隔24h取出试样，冷却到室温后测量并记录试样和坩埚质量，至288h。
（3）热腐蚀试验：采用加热设备为SX-5-17箱式电阻炉，试样基体为20钢，涂盐实验所选用的热喷涂材料试件尺寸为25´16´5mm。对试样进行六面喷涂后不作机械加工处理，涂层厚度为0.4~0.5mm。涂盐实验中，采用坩埚来承载试件。实验时在试件表面涂覆盐层，该盐层的成分组成与锅炉管道钢工作时灰分所沉积的熔融盐膜相似。摩尔比为7:3的Na2SO4+K2SO4的饱和水溶液刷涂到试件表面，并保证涂盐量达2.0-3.0mg/cm2，烘干，取出称重，然后将刷涂后的试件放置在7500C的箱式电阻炉内加热，保温，取出，冷却称重；涂盐、烘干、冷却称重；再涂盐如此不断循环进行实验¼¼。总腐蚀时间为36个小时，以6小时为一次循环。每种涂层有三块试样，得到涂层腐蚀增重与时间的关系曲线
4. 热喷涂粉芯线材推荐喷涂参数
4.1推荐电弧喷涂参数
电压 (V)：28 ～ 32
电流 (A) ：150 ～ 200
喷距 (mm) ：100 ～ 200
压缩空气气压 (MPa) ：0.50 ～ 0.65
4.2推荐火焰喷涂参数
氧气压力 (MPa) ：0.55
乙炔压力 (MPa)： 0.085
压缩空气气压 (MPa)：0.50 ～ 0.60
喷距 (mm) ：100 ～ 150 .
5.结语
（1）粉芯丝材的出现使电弧喷涂技术发展已经达到崭新阶段。
（2）粉芯丝材既克服了高合金成分难以拔丝的困难，同时还能使一些不导电的颗粒材料（陶瓷及碳化物），填充到粉芯丝材中；由于粉芯丝材成分易调节、生产周期短、选材便利、成本较低等优点，因此在电弧喷涂上得以广泛应用。促进了电弧喷涂技术的发展。
（3）采用超音速电弧喷涂技术喷涂耐磨、耐蚀涂层，已在电力、冶金、石化、煤炭、水泥、国防许多等重工业部门得到了广泛以欧能够用，取得了显著经济效益。我公司应用此技术已获得显著成效。