（材料加工工程专业论文）cfb锅炉水冷壁电弧喷涂工艺及耐磨材料的研究.pdf

沈阳 业大学硕士学位论文 摘要 循环流化床锅炉是近年来发展起来的一种高效、低污染的清洁燃烧技术锅炉，以其 燃料适应性广、燃烧和脱硫效率高、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点，已成 为首选的燃烧设备。然而由于该炉型的水冷壁管工作在高温、固体物料冲蚀、烟气腐蚀 的恶劣环境中，极易产生磨损和高温腐蚀，使管壁减薄甚至磨穿。这不仅严重影响锅炉 的安全运行，而且造成巨大的经济损失，已成为目前亟待解决的一个技术难题。 本论文针对循环流化床锅炉所普遍存在的水冷壁磨损问题，在深入了解循环流化床 锅炉水冷壁的工况条件、影响因素和防治措施的基础上，详细阐述了循环流化床锅炉工 作过程及水冷壁的磨损机理。通过涂层结合强度试验、常温磨损试验和冲蚀试验，对循 环流化床锅炉水冷壁电弧喷涂防磨技术进行了研究，分析了电弧喷涂工艺参数对涂层性 能的影响规律，确定了电弧喷涂工艺参数最佳水平组合。结果表明，影响涂层性能稳定 性的工艺参数主要是电弧电流，其次是喷涂距离和雾化空气压力，电弧电压影响较小。 涂层结合强度随着电弧电流变大而增强，但电弧电流过大，涂层的耐磨损性能却有所下 降。电弧电流定时，喷涂距离过大或过小都不利于涂层性能的稳定，且喷涂距离和雾 化空气压力为反向组合时涂层性能稳定性最差。 此外，通过工程应用实例沈阳皇姑热电厂y g 7 5 5 2 9 m 5 型循环流化床锅炉水 冷壁电弧喷涂防磨工程，喷涂后锅炉运行情况表明，根据本论文试验所获得的电弧喷涂 最佳工艺参数制备的涂层防磨效果良好，满足现场实际应用要求。 本论文的工作表明，具有最佳参数的电弧喷涂技术是一种有效控制循环流化床锅炉 水冷壁磨损的手段。 关键词：c f b 锅炉，水冷壁，电弧喷涂，磨损 c f b 锅炉水冷壁电弧喷涂工艺及耐磨材料的研究 a r cs p r a y i n gt c c h n i c sa n dw e a rr e s i s t a n tm a t e r i a l s f o rw a t e rw a no fc f bb o i l e f a b s t r a c t 1 1 l cc i 删l 撕n gf l l l i d i z e db e d ( c f b ) b o i l 盯，ah i g l le 伍c i 即c ya n dl o we i n i s 蚰 c 啪b u s t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p e di i lr e c e n ty e a 巧，h 嬲b e e nt l l ep 船f b 巾e dc ( m 岫i e q u i p m e n td i 抡t oi t s 瓤l v 锄舱g e ss u c h 勰b i d a da 豳p t a b i l i 够t o 向e l ，k g h 礴c i 跖c yo f c 蚴b 删o n柚dd c 轴l 细喧z a t i o n ，n e x i b kl o a dr e g i l l 缅gp e r f 0 珊锄锄dc i i l d e r s m i i l t i l n i l i ! t i e s h o 、e v 盯，t l l ew 栅w a l lt i l b e sw h i d hw o r ki l la na 仃0 c i o l l s 锄b i 胁to fh i g h 佃n p e r ；| f l l r c ，啪s i o no f t h es o l i dm a t c r i a l sa n dc o n o s i o f t l l en g 勰a r el i a b l et 0b e w e a k c n c do re v e nd a m a g c d t h ep m b l 锄n o to i i l ys e f i o l l s l ya f f 毫c t sm er u 彻缸g 鼢f 邑t yo f b o i l 盱，b i i ta i c m l s 韶h u g ee c o n 蛐i cl o s sa n dk 峪b e c o m eat e c l l l l i c a lp r o b l 锄t ob e l v e d u r g e n t l y - d i r c c 血l g 缸t h e 鲫e r a l e x i s tp m b l 锄o fw e 盯f o rw a t 盯w a l li nc f bb o i l e r ，t l 圮p 印盯 e x p a t i a t e do p e 砸n gp r j n c i p l eo fc f bb o i l c r 觚dw e a rm e c h a i l i s mo fi 协w a t e rw a l lb 私e d 伽 m ec i e 砌yi l l l d e r s t a n d m go fc f bb o i hw d r kc d i t i o n ，n 把i n f l u 即c ee 重c m e 疆t so fw e 缸a n d 龃t i w e 盯m e t h o d s i nm e p 印e r ，a r cs p m y i i l gt e c l l i l o l o g yt o 阳e n t w a t e rw a l lo f c f bb o i l c r 自d ma b r i o n 狃de r o s i o nw 邪s t l j d i e d 觚dt h ei n f l u e n o fa s p r a y i n gt e c l l i l o l o g y 脚曲潲c o a t i i l gp e 疵i m l 柚c ew a sa l s o 锄a l y z e d 锄dt l l eo p t i l n a lp a r a r n c r e 塔p 豫s 伽 a tl a s tb ye x p 盯i m e mo f b o n d i i l gs h n g t l lb e t v 吣锄c o a t s t e s to f a n t i w e a r i n ga n d a n t i 吒m d i n g a ：ti l o r m a lt e m p 粕t i l r e 。t h e 豫吼n t ss h o w e dt l l a tt b ea r cc u r r e n ti st l l ek e yp 锄m e t e rd i 跏n g t l l ep e r l o 册a n c co f m e c o a t i n g s ，s p 憾y i l l gd i s t a l l c ca n da t o i n i z i n ga i rp 他s g u r ea 咒i i lt h en e ) 【t p l a c ew h i l em e a r cv o l t a g pa f f e c t sm ep e r f o r n l 粕c es l i g h t l y t h eb o n d i n gs t r e n g t l i 豇l t l a i l c e s 勰 t h ea r cc 咄n ti 埘跚e a 靶sb l l tt l l ea t ，r ；鼬i l i t yd e c l i i 旧si f 让忙a 聆c u r 咖ci so v e r i 盯g e a ta c 嘲i na r cc u r r e n t o v e r l o n go ro v e r s l l o r ts p 豫y i n gd i s 衄n c e 鲁sa g a i 璐l 也es t a b i l i t yo ft l l e c o a t i i 培sa n dt h cw 删s t a b i l i 哆a 珥圮a 塔w h e nt h es p m y i n gd i s t a 瑚七觚da t o m i z i n ga i rp r e s s u w e f ev a r i e dr e v e r l y i i 沈阳工业丈学硕士学位论文 i na d d i t i o n ，t l 圯t e c h n o l o g yw 硒a p p i i e dt ot h e1 阿7 5 5 2 9 一m 5c f bb 0 讹ro f h l 珀n gg u 1 1 嘲m a lp o w e rp l a m 锄dt h em 咖_ i i l gr e 刚t ss h o wt h a taw e 重le 侬埘o fw e 小陀s i s t 柚tc 如b c g o tw i t l lm ec o a t i n gm a d ea c c o r d i n g l ot l l eo p 劬a lp 缸锄e t e 硌a b o v e 锄dc a i lm e e td e l 磁m d s o f s 讹删c c t i n 删 mc c i u s i ，t h ee l e c t r i ca ms p 船y i n gw i mo 砸m a lp 缸甜哪t e 硌i sp i 饥砌av a l i dw 8 t e r w a l la n t i w e a fm e 觚si l lc f bb o i l e f k e yw o r d s ：c i r c n i a 6 n gf i u i d i z e db e db o 赶e r ，w a t e rw a i l ，a ks p 恻i n g ，w e ” 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：玉坐龌日期：塑亟! ：丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：玉立= 缮导师签名：堑鱼垒日期： 州? | 冬m 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 能源与环境问题是当今社会发展的两大问题。我国是煤炭生产大国，同时也是煤炭 消费大国。我国消耗的一次能源主要是原煤。目前我国一次能源消耗中煤炭占7 5 ，而 且这种比例将在相当长的一段时期内不会有大的改变。据分析，到本世纪中叶，我国的 能源消耗总量将增长为现在的3 倍，而其中煤的比重将不少于5 0 【l 】。可见，发展高效 低污染的清洁燃烧技术，是当前亟待解决的问题。 循环流化床( c i f c u l a t i n gf l u i d i z c db e d ，简称c f b ) 燃烧技术就是近三十年来发展 起来的一种高效、低污染的新型清洁煤燃烧技术，采用该燃烧技术的锅炉称为循环流化 床锅炉( c i r c l l l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r ，简称c f b 锅炉) 。因其具有煤种适应性广， 能有效燃烧包括劣质煤和固体垃圾在内的许多低热值燃料；同时与其它类型的锅炉相 比，还具有污染物控制成本低、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点】，钝够有 效地缓解目前所面临的能源危机和环境问题，被广泛应用在电力、石油、化工以及垃圾 处理等领域。带来了巨大的经济、社会效益，并将为今后挖掘新能源做出巨大贡献，具 有重要的研究和发展价值。 从我国现阶段国情来讲，环保呼声日益升高，一批二三十年前投产的中小机组由于 自身设计制造水平的限制存在燃烧效率低、污染物排放超标等问题而面临关停的境地。 这些中小机组的关停将会造成以下三种不良影响： ( 1 ) 损失部分发电能力，加剧我国 目前电力紧张的局面：( 2 ) 使原来配备的未到使用寿命的汽轮发电机组及其辅助系统 闲置甚至处理，造成经济损失；( 3 ) 使原生产人员面临失业的危险，给社会再就业系 统增加压力。而大规模应用循环流化床技术对这部分电厂进行改造不但可以解决上述问 题，而且还能产生可观的社会效益、经济效益和环境效益，对于现阶段我国的国情具有 现实意义。 随着循环流化床锅炉的广泛应用，该锅炉在运行过程中也暴露出一些问题。主要表 现在对辅助设备要求太高、磨损问题、结焦问题等，其中比较突出的是循环流化床锅炉 的磨损，尤其是水冷壁管的磨损，影响了机组的正常运行。如表1 i 【4 】所示，某4 2 0 f ，h c f b 锅炉水冷壁电弧喷涂工艺及耐磨材料的研究 循环流化床锅炉受热面( 主要是水冷壁管) 磨损所引发的事故远远高于其它部件所引起 的事故。正是因为循环流化床锅炉可以燃烧劣质燃料，其含灰量高、飞灰粒子大且循环 燃烧，使得烟气中飞灰浓度很高且速度大，也就容易引起该炉型的水冷壁管( 炉内受热 面) 的高温磨损问题。该问题引起的停炉维修造成了巨大的经济损失。据统计，一台7 5 t m 的锅炉，每小修一次需要停炉1 0 1 4 天，每大修一次需要停炉2 0 3 0 天。每停炉一天， 将少发电近3 0 万度，若按每度电o 6 元计算，将造成直接经济损失1 8 万元天，而由于 停电给工农业生产带来的间接损失往往比直接损失还要大几十倍。因此，必须尽快寻找 一种有效的耐磨、抗磨措施，以延长循环流化床锅炉水冷壁管的使用寿命，提高电厂的 经济效益，维持工农业生产的正常运行。 表1 1 某4 2 0 t h 循环流化床锅炉事故率统计 t a b 1 1a c c i d e mr a t i os t a t i s t c so f a4 2 0 mc f bb o ；l e r 1 2c f b 锅炉简介 1 2 1c f b 锅炉的发展 c f b 燃烧技术是近三十年来发展起来的一种高效、低污染的新型清洁煤燃烧技术， 经过3 0 多年的飞速发展，其应用由小型工业锅炉发展到容量与煤粉炉大体相当的大型 电站锅炉，最大容量已达3 0 0 m w e 。 流态化技术的发展可追溯到上世纪2 0 年代，最初来源于化工生产中的流态化反应 器，德国人温克勒( f r i zw i n l 【l e r ) 于1 9 2 1 年1 2 月发明了第一台流化床。从上个世纪 6 0 年代末开始，燃煤的鼓泡流化床锅炉取得长足发展。7 0 年代后，在鼓泡流化床基础 上发展起来的循环流化床锅炉异军突起，以最经济的方式解决了能源供应和环境保护两 大难题，倍受世人关注。1 9 7 9 年芬兰奥斯龙公司( a j l i s 打o m ，现已被美国福斯特惠勒 公司并购) 研制开发出世界首台2 0 t ，1 1 循环流化床锅炉投入商业运行。随后，德国、美 国、日本等国也相继开展了循环流化床锅炉的研究。1 9 8 2 年德国鲁奇( l l l r 西) 公司开 2 沈阳工业大学硕士学位论文 发的世界上首台用于产汽与供热的5 0 恤循环流化床锅炉建成投运。目前，产品正向大 容量、高参数的方向发展，世界上容量为1 0 0 m w e 2 5 0 m w e 的循环流化床电站锅炉已 有数百台投入运行，现已运行的最大容量为3 0 0 m w e ，位于美国佛罗里达的j e a 电站【5 】。 我国对流化床研究开展的较早。自1 9 6 4 年以来，燃用劣质燃料的鼓泡床技术就有 相当的发展。在循环流化床锅炉的研究开发方面，虽然起步较晚，但发展非常迅速，各 锅炉制造厂家与中科院工程热物理所、清华大学、浙江大学、华中科技大学、西安交通 大学和西安热工研究院等各科研院校配合，从国内第一台试验型2 8 m w e 循环流化床锅 炉于1 9 8 4 年建成至今，先后开发出l o t h 、2 0 讹、3 5 讹、6 5 仇、7 5 t ，l l 、1 3 0 妇、2 2 0 讹f 6 】、 4 1 0 恤川、“o t m 【8 1 等中小型锅炉，并已有近30 0 0 台各种参数的锅炉投入商业运行。目 前，l0 2 4 讹和3 0 0 m w e 亚临界循环流化床锅炉正在安装和调试。循环流化床锅炉的投 入运行，取得了显著的经济效益和社会效益。三十多年来，循环流化床锅炉发展迅猛， 有专家预测，二十一世纪将是循环流化床锅炉的兴盛期翻。 1 2 2c f b 锅炉的技术特点 c f b 锅炉这种特殊的燃烧方式，使其具有许多传统锅炉所没有的特点【2 翔： ( 1 ) 燃料适应性广：由于床内存在大量的热物料，其热容量大，不仅可以使常规 煤粉炉燃料稳定燃烧，达到很高的燃烧效率，而且可以适应许多高灰分，高水分、低热 值、低灰熔点的煤粉炉燃烧不了的劣质燃料，如高灰煤、高硫煤，以及油页岩、垃圾等。 所以循环流化床燃烧技术近年来还在垃圾焚烧、生物质燃料等方面得到大量应用睁l 。 ( 2 ) 燃烧效率高：由于大量的物料颗粒循环及其本身存在的成团泛混现象，使颗 粒在燃烧室内停留时间较长，较大的颗粒也能完全燃烧。常规工业锅炉与流化床锅炉燃 烧效率为8 5 9 0 ，循环流化床锅炉采用了物料循环燃烧技术，其锅炉效率可达9 5 9 9 ，能与煤粉炉相媲美。 ( 3 ) 低运行成本的脱硫方式：煤粉炉炉内喷钙典型的脱硫效率一般为5 0 ，而在 循环流化床锅炉运行过程中，直接向床内加入石灰石，在适当的c “s 比( 1 5 2 ) 和石灰石 粒度下，可获得8 0 9 0 的脱硫效率f 1 2 】。 ( 4 ) 污染物排放量低：流化床燃烧是低温燃烧，所以燃烧产生的n o ) ( 远远低于煤 粉炉。 c f b 锅炉水冷壁电弧喷涂上艺及耐磨材料的研究 ( 5 ) 燃烧强度高，传热能力强：循环流化床锅炉的截面热负荷可达3 6m w ，m 3 ， 炉膛容积热负荷为1 5 2 m w ，m 3 ，是煤粉炉燃烧强度的8 1 1 倍。循环流化床锅炉内的 传热、传质和返混过程十分强烈，炉内气固两相混合物对水冷壁受热面的传热系数为 5 0 4 5 0 w ( m 2 k ) ，比煤粉炉的传热系数大得多【1 3 1 。 ( 6 ) 燃料预处理系统简单：煤粉炉所用的煤粉粒度以2 0 5 0 呻居多1 1 4 l ，而循环 流化床锅炉的给煤粒度一般s 8 姗。因此，燃料的制备破碎系统大为简化。 ( 7 ) 负荷调节性能好，调节范围大、速度快：当负荷变化时，只需调节给煤量、 空气量和物料循环量，不必像鼓泡流化床锅炉那样采用分床压火技术。正是由于床内存 在大量的高温循环物料，使低负荷下燃烧仍能保持稳定，所以负荷调节性能好，调节比 大，可在1 0 0 2 0 范围内稳定燃烧【1 5 l 。 ( 8 ) 综合利用效果好：由于燃烧温度低，灰渣不会软化和黏结，燃料的腐蚀作用 比常规锅炉小。脱硫后的灰渣含有大量的生石灰，具有一定的自硬特性，所以其灰渣可 以用作制造水泥的掺混料和其它建筑材料的原料【l “。 1 3 磨损理论 零件的失效类型主要有四种：变形、断裂、腐蚀和磨损，其中磨损是机器中最常见 一种类型，也是最大量的一种失效方式。只要两个相互接触或相对运动的表面都不免会 发生摩擦，有磨擦就会有磨损发生。据不完全统计，能源的l 3 到1 2 消耗于摩擦与磨 损；约8 0 的机器零件失效是由于磨损引起的。从一个国家的整个国民经济来看，由摩 擦磨损所造成的经济损失之巨大是惊人的：h p j o s t1 9 6 6 年向英国政府提出的调查报告 认为，因没有利用已有的摩擦学知识，英国每年约损失5 1 5 亿英镑，约占当时英国国民 经济总产值的1 ；美国1 9 7 5 年估计每年损失为l0 0 0 亿美元之巨；苏联机械制造业每 年约损失1 0 0 1 2 0 亿卢布【1 7 l ：联邦德国在1 9 7 4 年钢铁工业中约有3 0 亿马克花费在维 修上，其中由于磨损造成的直接损失占4 7 ，停机修理所造成的损失与磨损直接造成的 损失相当，如果再加上后续工序的影响，其经济损失还需加上l o 2 0 【1 3 l 。 虽然人们很早就意识到磨损的严重性，但对磨损理论的研究却开展得较晚，直到目 前磨损的机理还不十分清楚，也没有一条简明的定量定律。而且由于材料磨损问题的复 杂性，很难给磨损下一个确切的定义。目前，国内研究者普遍认为“磨损是由于机械作 沈阳工业大学硕士学位论文 用，间或伴有化学或( 和) 电的作用，物体作用材料表面在相对运动中不断损耗的现象” 【1 9 捌。磨损过程的复杂性也使人们对材料磨损的分类观点很不一致，最常见的磨损分类 方法是按机理来分类，一般可分为：粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、冲蚀 磨损、微动磨损、冲击磨损。前四种的磨损机理是各不相同的，但后三种磨损机理常与 前四种有类似之处或为前四种机理中几种机理的复合。如冲蚀磨损有时也称作磨蚀，它 不是一种独立的磨损机制，一般认为是磨粒磨损与形变两种机制共同作用的结果；冲蚀 磨损与冲击磨损的不同之处在于：前者是小的固体颗粒对表面冲击所造成的损伤，而后 者是两个固体表面相对冲击时发生的：微动磨损常包含粘着、磨料、腐蚀及疲劳等四种 或其中的三种综合而成【1 7 捌。应该指出，在实际工况下材料的磨损往往不只是一种机理 在起作用，而是几种机理同时存在，这是研究人员和工程技术人员必须引起注意的问题。 c f b 锅炉磨损问题所涉及的磨损方式主要是在腐蚀环境下的磨料磨损和冲蚀磨损， 因此，有必要对以下三种磨损类型做比较详细的探究。 1 3 1 磨料磨损 欧洲经济发展与合作组织( o e c d ) 编写的摩擦学术语词汇中，对磨料( 磨粒) 磨 损所下的定义是：“由于硬颗粒或硬微突体的作用而造成物料转移所致的磨损”。磨料 磨损的分类是比较繁多的。美国矿业系统早年根据艾弗莱( a v e r y ) 提出的矿山机械受 力特点将磨料磨损分为凿削式磨料磨损、高应力研磨式磨料磨损及低应力划伤式磨料磨 损等三种。研究者对磨料磨损的机理也还有些争论【2 0 ，2 3 1 ，但磨料磨损的机理主要包括 以下几种理论： ( 1 ) 微观切削磨损机理：磨粒作用在零件材料表面上的力，可分为法向力和切向 力。法向力使磨粒压入表面，在表面上形成压痕：切向力使磨粒向前推进，当磨粒的形 状与位向适当时，磨粒就像刀具一样，对表面进行切削，而形成切屑。 ( 2 ) 多次塑变( 犁皱或微观压入) 导致断裂的磨损机理：犁沟或犁皱后堆积在两 旁和前缘的材料以及沟槽中的材料，当受到随后的磨料作用时，可能把堆积起的材料重 新压平，也可能使已变形的沟底材料遭受到再一次的犁皱变形，如此反复塑变，导致材 料的加工硬化或其它强化作用，终于剥落而成为磨屑。 c f b 锅炉水冷壁电弧喷涂- j 二艺及耐磨材料的研究 ( 3 ) 微观断裂( 剥落) 磨损机理：对脆性材料，断裂机理可能占支配的地位。当 断裂发生时，压痕四周外围的材料都要被磨损剥落，因此，磨损量通常较大。 ( 4 ) 疲劳磨损机理：由于表层微观组织受周期载荷作用而产生的，标准的疲劳过 程常有潜伏期在此期河材料外部发生硬化但不出现任何微观破坏，当进一步发展时， 在材料表层出现硬化的滑移塑变层和裂纹。 1 3 2 冲蚀磨损 ( 1 ) 冲蚀磨损理论 冲蚀磨损主要是指流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造 成的磨损【1 8 洲。根据颗粒及其携带的介质的不同，冲蚀磨损又可分为气固冲蚀磨损、流 体冲蚀磨损、液滴冲蚀和气蚀等。在自然界和工矿生产中，存在着大量的冲蚀磨损现象。 对锅炉管道的失效分析表明，在所有发生事故的管道中，约有1 3 是由于冲蚀磨损造成 的。对于冲蚀磨损的研究，早在4 0 年代就开始了，然而关于冲蚀磨损理论的研究，则 是近二十几年才发展起来的。许多研究者提出了冲蚀磨损的理论和模型，其中影响较大 的有微切削磨损模型理论、挤压锻造成片磨损模型理论、变形磨损模型理论、磨损脱层 模型理论等。 1 ) 微切削模型理论是i f i n l l i e 最早研究塑性变形引起冲蚀时提出的理论，是研究较 小冲击角下冲蚀磨损的第一个较完整地定量表达冲蚀率和冲击角关系的理论。该理论告 诉我们，在颗粒冲击金属表面造成冲蚀的过程中，冲击角是一个十分重要的参数，冲蚀 磨损的体积随冲击角的变化呈现两种规律：当冲击角小于某一临界值时，冲蚀体积随冲 击角的增加而明显增大，但是，当冲击角大于临界值后，冲蚀体积随冲蚀角的增加而逐 渐降低。该理论在解释较小冲击角下塑性金属材料受颗粒冲蚀时是较成功的，但是用它 来解释较大冲击角下金属材料的磨损时却还存在不少缺点。 2 ) 挤压锻造成片磨损模型理论是a v l e v y 等人研究塑性材料高冲击角冲蚀时提出 的理论。冲击粒子对靶材施加挤压力，使靶材表面出现凹坑及凸起的唇片，随后的粒子 再对唇片进行锻打，靶材在经历严重变形后呈片屑从表面流失。材料的冲蚀率决定于畸 变层性质。该模型可以很好地解释微切削理论所无法解释的现象：冲蚀切削造成表面 加工硬化；硬度低而塑性好的材料冲蚀抗力更强。 6 沈阳工业大学硕士学位论文 3 ) 变形磨损模型理论是j g a b i n e r 对冲蚀磨损中颗粒冲入和被挤出两个阶段的能 力分析时提出的理论，该理论的主要出发点是冲蚀过程中的能量平衡。该理论把颗粒冲 击磨损的方式分为两种，即切削磨损和变形磨损，理想的塑性材料主要表现为切削磨损， 理想的脆性材料主要表现为变形磨损。前者磨损量将随冲击角增大而减小，后者随冲击 角增大而增大。一般金属材料则是这两种磨损的综合和叠加。 4 ) 磨损脱层模型理论是n p s l l l l 就金属滑动磨损中的微裂纹形核研究时提出的理 论。该理论对亚表面的破坏力学有了较完整的描述。 脆性材料的磨损过程是先在冲蚀坑附近产生一定的弹塑性变形。然后引起表面裂纹 的形核及扩展。表面裂纹分为径向、横向和锥状三种，其中径向裂纹的扩展长度与靶材 的性质和冲蚀压力有关。 ( 2 ) 冲蚀磨损的影响因素 冲蚀磨损的影响因素大致可分为以下几个方面： 1 ) 磨粒的影响 磨粒硬度：一般认为冲蚀磨损量是磨粒硬度的函数。用尺寸为1 2 5 1 5 0 叫l 冲蚀 速度为1 3 0 i i l s 的磨粒，冲蚀1 1 c r 钢靶材得到冲蚀磨损量与磨粒硬度之间的关系式： = k h 2 3( 1 1 ) 磨粒形状：尖角形的磨粒比圆球形磨粒在同样条件下产生更大的冲蚀磨损。 磨粒尺寸：冲蚀磨损受颗粒尺寸的影响很大，i f i n i l i e 和g l s h e l d o n 发现，对玻 璃和高硬度的工具钢，当用较大的颗粒1 2 0 5 0 0 目s i c 进行冲击时，显示脆性冲蚀； 而用很小的颗粒lo o o 目时，则表现为塑性冲蚀。同一种材料，当颗粒特性改变时，会 发生塑性冲蚀和脆性冲蚀的互相转化。研究表明：磨粒尺寸很小时，对冲蚀磨损影响不 大。随着磨粒尺寸增大，靶材的冲蚀磨损也增大，当磨粒尺寸增大到一定值时，磨损几 乎不再增加。这一现象称为“尺寸效应”。 磨粒破碎：磨粒在冲击靶材表面时，往往会产生大量碎片，由于这些碎片造成的 磨损称为二次磨损，冲蚀磨损是一次磨损与二次磨损的总和。 磨粒嵌镶：在冲蚀磨损的初期，由于磨粒嵌镶于靶材的表面，因此靶材的冲蚀磨 损量很小，甚至不是产生失重而是增重，即产生负磨损，这一阶段称为“孕育期”。经 c f b 锅炉水冷壁电弧喷涂工艺及耐磨材料的研究 过一段时间之后，随着冲蚀磨粒数量的增加，靶材的磨损量才稳定增加，这一阶段称为 稳定( 态 冲蚀期。 2 ) 冲蚀速度的影响 许多研究表明，冲蚀磨损量与磨粒的速度存在以下关系式： = k 、，l l( 1 2 ) 式中：k 常数， 、r 一磨粒的冲蚀速度， n 一速度指数，一般情况下n - 2 3 ； 塑性材料波动较小，n = 2 3 2 4 ： 脆性材料波动较大，n - 2 2 6 5 。 3 ) 冲角的影响 冲蚀磨损量与冲角的关系为： g = a ，c o s 2 吣i n 疗叶br s i n 2 a( 1 3 ) 式中：开、a 、b 为常数， 典型脆性材料a ，_ 町，在高角时冲蚀率达到最大； 典型塑性材料b ，_ 吣，( 2 a ) ，在2 0 0 3 0 0 时达到最大； 一般延性材料产生最大冲蚀磨损的冲角约为1 6 。3 0 0 ，但脆性材料约为9 0 0 。 低角度冲蚀时，磨损机制以微切削和犁沟为主，多角形磨粒尤其如此。高角度冲蚀 时，延性材料起初表现为凿坑和塑性挤出，多次冲击经反复变形和疲劳，引起断裂与剥 落。 4 ) 温度和靶材的影响 温度改变引起材料的热物理性能、力学性能等发生相应改变，从而影响冲蚀行为； 当温度过高时，材料表面形成氧化膜，提高抗冲蚀能力：此外粒子入射造成表面局部温 度升高。由于磨损问题的复杂性，迄今为止，温度和靶材对冲蚀磨损的影响还没有统一 的结论，还没有大家认可的关系表达式。 冲蚀磨损是一个非常复杂的过程，它往往是两种以上机理同时发生作用。当工况条 件发生变化，这些机理还可能发生转化。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 冲蚀磨损评定方法 磨损时零件表面的损坏是材料表面单个微观体积损坏的总和。目前对磨损评定方法 还没有统一的标准，常用的主要有三种方法：磨损量、耐磨性和磨损比1 1 8 盈l 。 1 ) 磨损量：评定材料磨损的三个基本磨损量是长度磨损量彤、体积磨损量睨和重 量磨损量阡0 。各种磨损量的评定指标见表1 2 【1 8 捌。 2 ) 耐磨性：材料耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性两种。 相对耐磨性占一是指两种材料a 和b 在相同的外部条件下磨损量的比值，其中a 是标准( 或参考) 试样，乃= 呒。 表1 2 磨损量的评定指标 t a b 1 2e v a l u 缸ei n d e xo f w e 盯l o s s 3 ) 磨损比：冲蚀磨损过程中常用磨损比( 或磨损率) 来度量磨损。 黼协裂纂器赢粥 4 ， 1 3 3 腐蚀磨损 ( 1 ) 腐蚀磨损的定义 腐蚀环境中摩擦表面出现的材料流失现象称为腐蚀磨损，简称磨蚀1 2 5 1 。它包括摩擦 副的腐蚀磨损、腐蚀性料浆冲蚀、高温腐蚀性气体的冲蚀和腐蚀性液流中的气蚀等类型。 9 一 c f b 锅炉水冷壁电弧喷涂工艺及耐磨材料的研究 材料的这些失效形式经常发生在泵、阀的过流部件，管道内壁面，以及腐蚀介质中服役 的摩擦副中。据统计，在石油化工、能源交通、农机、建材、矿山、煤的燃烧和洗选以 及冶金、水利电力等行业中，腐蚀磨损造成的损失占总腐蚀量的9 ，磨损量的5 。 ( 2 ) 高温腐蚀及其研究方法 1 ) 高温腐蚀的分类 金属材料在实际高温环境下的腐蚀行为极其复杂，涉及面很宽。为了研究方便，可 将高温腐蚀行为分为三大类四： 高温气体腐蚀：在高温干燥环境下进行的高温腐蚀，是金属材料与环境气体在界 面化学反应的直接结果。高温氧化、硫化、混合气体气氛腐蚀属于这一类。 高温液体腐蚀：液态介质对固体金属材料的高温腐蚀，通常是指热腐蚀，即金属 材料在高温含硫的液气工作条件下与沉积在其表面的盐发生反应而引起的高温腐蚀形 态。 高温固态物质腐蚀：金属材料在具有腐蚀性的固态颗粒的冲刷下发生的高温腐 蚀。在这类腐蚀中既存在固体颗粒对材料的腐蚀，又有这些颗粒对金属表面的机械磨损。 故常被称为“腐蚀”或“冲蚀”。 在循环流化床锅炉环境中，受热面材料的高温腐蚀过程中实际上是上述几种类型的 综合，并以高温热腐蚀和磨蚀为主。 2 ) 高温腐蚀的研究方法 研究反应速度和动力学规律是研究高温腐蚀的主要方法之一。常用的测定反应速度 的方法包括： 重量法：这时候最直接也是最方便的测定高温腐蚀速度的方法。可以根据具体情 况选择使用增重法和减重法。公式为： v = i g o g l i ( s t ) ( 1 5 ) 式中：v 一腐蚀速度( g m 之h - 1 ) ；g o 一试样的初始重量( g ) ： g l 试样腐蚀后的重量( g ) ；s 一试样的表面积( m 2 ) ； 卜一腐蚀时间( h ) 。 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 容量法：这种方法是在恒定压力下测量消耗反应气体的体积。该方法的灵敏度较 高，但易受到环境温度变化和杂质气体的影响。 压力法：是在恒定体积下测量腐蚀过程中反应室压力下降值的方法，较适用于单 组份气体的腐蚀试验。 除研究腐蚀动力学之外，对腐蚀产物进行观察和分析也是研究高温腐蚀的一种重要 方法。 1 4 热喷涂技术 表面工程是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处 理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得 所需要表面性能的系统工程脚7 l 。表面工程技术的最大优势是能够以多种方法制备出性 能优于基体材料性能的表面功能薄膜，其厚度一般为几微米到几毫米，仅为结构尺寸的 几百分之一到几十分之一，却使零件具有了比基体材料更高的耐磨性，抗腐蚀性和耐高 温等性能【2 8 】。 热喷涂技术是表面工程中重要的表面技术，是表面工程发展的重要基础。其热源可 是火焰、电弧、等离予等等。热喷涂技术是使用某种方式的热源，使喷涂材料加热至熔 融或半熔融状态，用高压气流将其雾化，并以一定速度喷射到经过预处理的零件表面， 从而形成涂层的表面加工技术1 。随着新型热喷涂设备的不断研制，热喷涂方法的不断 完善以及涂层性能的不断提高，热喷涂技术已广泛应用于航空、航天、机械、电子、冶 金、能源、交通、石油、化工、食品、轻纺、广播电视、兵器工业等各个领域，并不断 向高新技术领域渗透和发展。 1 4 1 热喷涂技术的发展 热喷涂技术的开发和使用是从2 0 世纪初开始的。1 9 l o 年，瑞士人m u s c h o o p 博 士发明了金属熔液式喷涂，以后制成了线材火焰喷枪，又提出了电弧喷涂的设计。这 一发明创造了熔融金属喷涂的最基本形式，具有重要的启蒙作用。2 0 世纪3 0 年代美国 和英国相继研制出在钢铁防护的喷锌、喷铝技术中应用的新喷枪。上个世纪3 0 年代至 4 0 年代，火焰和电弧线材喷涂设备与工艺不断完善，并出现了金属粉末喷涂，热喷涂技 术有较大改进。5 0 年代初期，自熔性合金粉末的研制成功，使热喷涂技术有了重大突破， c f b 锅炉水冷壁电弧喷涂工艺及耐磨材料的研究 改变了涂层的多孔性结构，并实现了涂层与基材的冶金结合，极大地扩展了热喷涂技术 的应用领域。5 0 年代后期，空间技术的发展迎来了陶瓷喷涂的迅速发展，并成功研制了 爆炸喷涂和等离子喷涂。6 0 年代，火焰喷涂、电弧喷涂和等离子喷涂技术日趋完善，工 艺上的进步和材料的发展，使热喷涂技术应用领域及规模有了奇迹般的变化。6 0 年代末 期，继氧乙炔火焰粉末爆炸喷涂技术发明之后，又研制成功了脉冲放电线爆喷涂，使 内表面可喷涂的圆筒直径小至1 0 l n m 。7 0 年代以来，热喷涂技术向着高能、高速、高效 发展，研制成功了高能等离子喷涂设备、低压等离子喷涂设备和液稳等离子喷涂设备等， 等离子喷涂法实现了工业化，并形成了一个新的领域。美国现在正在开发活性等离子喷 涂工艺，用于形成复合材料、陶瓷和金属间化合物【2 ”。8 0 年代，超音速火焰喷涂研制 成功，激光喷涂出现，电子计算机应用于热喷涂设备中，从而使热喷涂技术向着更高的 质量和精密化、智能化方向发展。 我国自4 0 年代开始引进热喷涂技术，5 0 年代开始研究和应用该项技术1 2 9 l 。6 0 年代 研制等离子喷涂设备和工艺，7 0 年代研制成自熔合金粉末，8 0 年代开始大力推广应用， 1 9 8 1 年国家计委、国家科委在北京召开全国热喷涂交流推广大会，极大的促进该技术在 我国的发展推广应用。 目前，热喷涂技术已经越来越受到人们的重视。国外学者预测，在二十世纪末全世 界的热喷涂市场每年将超过3 0 亿美元脚】。 1 4 2 热喷涂原理及特点 热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热熔化或软化，靠热源的动力或外加的压缩气 流，将熔滴雾化并推动熔粒成喷射的粒束，以一定的速度喷射到基体表面形成涂层的工 艺方法。尽管热喷涂技术方法很多，但是喷涂过程、涂层形成和涂层结构基本相同。一 般认为，热喷涂过程经历四个阶段，即喷涂材料加热熔化阶段、熔化的喷涂材料雾化阶 段、雾化颗粒飞行阶段和喷涂层形成阶段。涂层是经过冲击、碰撞、变形和凝固收缩四 个阶段而形成的f 3 i 3 钉。 热喷涂技术是表面工程技术的重要组成部分，是材料表面改性的重要手段，和其他 表面技术相比有其自己与众不同的特点，上要包括以下几个方面f 2 2 1 ： ( 1 ) 热喷涂方法多样 沈阳工业大学硕士学位论文 热喷涂具体方法有十几种，可以选择合适的方法对零件进行热喷涂。 ( 2 ) 热喷涂涂层材料种类广泛 金属及其合金、陶瓷、塑料、尼龙以及它们的复合材料等都可以作为喷涂材料。 ( 3 ) 基体材料使用范围广 几乎所有的固体材料表面都可以热喷涂，如金属材料、无机材料( 玻璃、陶瓷) 、 有机材料( 包括木材、布、纸类) 等。 ( 4 ) 基体材料受影响小 喷涂时可使基体控制在较低温度，所以基体变形小、组织和性能变化小，保证了基 体质量基本不受影响。 ( 5 ) 涂层厚度可以控制 涂层厚度从几十微米到几微米，可以根据要求确定。 ( 6 ) 设备简单、操作灵活 施工对象的尺寸和形状不受限制，也不受场地限制，既可以大面积喷涂，也可以进 行局部喷涂。并且操作程序较少，施工时问短，效率高。因此适用于多种领域。 1 4 3 热喷涂的种类 作为新型的实用工程技术，热喷涂目前还没有标准的分类方法，一般按照热源的种 类、喷涂材料的形态及涂层功能来分。按照涂层的功能分为：耐磨、耐腐、隔热等涂层。 按照加热和结合方式分有喷涂和喷熔：前者是机体不熔化，涂层与基体形成机械结合： 后者则是涂层再加热重熔，涂层与基体互熔并扩散形成冶金结合。平常接触较多的一种 分类方法是按照加热喷涂材料的热源种类来分圈，主要有：火焰类：包括火焰喷涂、 爆炸喷涂、超音速喷涂；电弧类：包括电弧喷涂和等离子喷涂；电热法：包括电爆 喷涂、感应加热喷涂和电容放电喷涂：激光类：激光喷涂。 几种典型的热喷涂技术介绍： 1 ) 电弧喷涂 电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，分别接通电源的正负端，在喷 枪喷嘴处，利用两金属丝短接瞬间产生的电弧为热源熔化自身，借助压缩空气雾化熔滴 c f b 锅炉水冷壁电弧喷涂r 艺及耐磨材料的研究 并使之加速，喷射到基体材料表面形成涂层。电弧喷涂是高效率、高质量、低成本的一 项工艺，是目前热喷涂技术中最受重视的技术之一。 2 ) 等离子喷涂( a p s ) 等离子喷涂技术是以高温高速的等离子射流为热源，以氮气或氦气做保护性气体进 行喷涂。其射流高温区的温度可达l oo o o k 以上，几乎能熔化所有的固体物质，尤其适 合制备难熔金属、陶瓷、金属陶瓷复合材料涂层以及其它特殊功能涂层。近十几年来， 等离子喷涂技术有了飞速发展，己相继开发出高能等离子喷涂、低压等离子喷涂、水稳 等离子喷涂、超音速等离子喷涂；以及一系列新的喷涂用粉末材料和功能涂层。等离子 喷涂的喷涂材料范围广，涂层组织细密，氧化物夹渣含量和气孔率都较低，气孔率可控 制到2 5 ，涂层结合强度较高，可达6 0 m p a 以上 3 ) 火焰喷涂 火焰喷涂是最早得到应用的一种喷涂方法。它以氧气燃气火焰作为热源，喷涂材 料以一定的传送方式送入火焰，并加热到熔融或软化状态，然后依靠气体或火焰加速喷 射到基体上。火焰喷涂根据喷涂材料的不同，又分为丝材火焰喷涂、粉末火焰喷涂和棒 材火焰喷涂几种。火焰喷涂具有设备简单，操作容易，工艺成熟，投资少等优点。但涂 层中含较多的氧化物和气孔，而且混有变形不充分的颗粒，使得涂层结合不够致密。并 且火焰温度一般为3o o o ，只适用于低熔点的金属，应用范围较窄。 4 ) 热喷焊技术 热喷焊技术是将自熔性合金粉末先喷涂到基材上，然后对涂层进行加热重熔，获得 与基材呈冶金结合的喷焊层。这种方法消除了喷涂层中的气孔和氧化物夹渣，并与金属 基材形成冶金结合面，从而大幅度提高了涂层的致密度和结合强度：与喷涂层相比，喷 焊层厚度可在较大范围内控制，但喷焊材料受到限制，一般只能喷焊自熔性合金粉末。 喷焊要对工件进行加热，存在较大的变形问题。热喷焊技术一般包括火焰喷焊技术和等 离子喷焊技术，其中等离子喷焊层中几乎没有孔隙，较火焰喷焊层更致密，结合强度更 高，但等离子喷焊有一定的熔深和冲淡率，会改变基材的组织性能。 5 ) 高速火焰喷涂( h v o f ) 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 高速火焰喷涂目前主要指超音速火焰喷涂，有时人们也将爆炸喷涂认为是高速火焰 喷涂的一种。高速火焰喷涂技术，将燃气( 丙烷、丙稀或氢气) 和氧气输入并引燃于燃 烧室，借助于气体燃烧时产生的高温和高压形成的高速气流，加热熔化喷涂粉末并形成 一束高速喷涂射流，在工件上形成喷涂层。高速火焰喷涂的特点：气体燃烧膨胀形成的 热气流使喷涂粒子达到极高的飞行速度。火焰喷射速度为音速的2 倍以上，而喷涂熔粒 的速度可达3 0 0 lo o o m s 一；喷涂粉粒在火焰中加热时间长，受热均匀，能形成良好的 微小熔滴：喷涂粉粒主要在喷涂枪中加热，离开喷枪后飞行距离短，因而和周围大气接 触时间短，在喷涂过程中几乎不和大气发生反应，喷涂材料不受损害，微观组织变化小， 这对喷涂碳化物材料特别有利，可避免分解和脱炭。高速火焰喷涂获得的涂层光滑，致 密性好，结合强度高。涂层空隙率可小于0 5 ，结合力可达1 0 0 m p a 以上。被广泛用于 制各高致密性、高结合强度、低孔隙率要求的涂层。但是，由于高速火焰喷涂设备及喷 涂材料等成本太高，不适合我国国情，限制了其在我国的应用。 6 ) 爆炸喷涂( d g u n ) 爆炸喷涂是利用氧气和可燃性气体的混合气，经点火后在喷枪中爆炸，利用脉冲式 气体爆炸的能量，将被喷涂的粉末材料加热、加速轰击到工件表面而形成涂层。爆炸喷 涂优点涂层致密，与基体的结合强度高，缺点是噪音大且效率低。 7 ) 激光喷涂 激光喷涂是将从激光器发出的激光束聚焦在喷枪喷嘴近旁，喷涂粉末由压缩气体从 喷嘴喷出，由激光束加热熔化，压缩气体将