噴丸與沉積稀土氧化物涂層對Fe-Cr耐熱鋼高溫氧化性能的影響.pdf

1、影響傳統(tǒng)火力發(fā)電廠效率的主要因素是蒸氣的溫度和壓力，自從二十世紀(jì)70年代的能源危機以來，全世界都在設(shè)法提高發(fā)電機組的溫度和壓力。近年來減少CO2排放的要求更加鼓勵人們提高發(fā)電廠的效率。目前，大型發(fā)電機組的蒸氣溫度已經(jīng)達到600℃左右。提高蒸氣溫度和壓力的前提是研制出能承受更高溫度和壓力的耐熱合金，而鍋爐傳熱管在高溫蒸氣中的氧化性能則是耐熱合金在高溫使用的一個瓶頸。鍋爐傳熱管內(nèi)的介質(zhì)為高溫蒸氣，管子的內(nèi)壁不可避免地與蒸氣發(fā)生氧化反應(yīng)。當(dāng)溫

2、度提高時，在一定的時間內(nèi)生成的氧化膜更厚，增厚的氧化膜帶來三個主要問題：管子金屬的厚度因氧化腐蝕迅速減薄，引起應(yīng)力增大并導(dǎo)致蠕變破裂；氧化膜的導(dǎo)熱性比金屬差，使蒸氣對管子的冷卻作用變差，引起管子金屬的溫度升高，反過來又會加速管子的氧化和蠕變破壞；當(dāng)氧化膜生長至一定厚度時，在機組停運時會發(fā)生剝落，剝落的部分氧化膜會聚集在鍋爐管的下部，在機組重新啟動后，因為剝落的氧化膜造成管子堵塞或使管子內(nèi)介質(zhì)流量減少，引起過熱爆管事故。因氧化膜剝落、堵塞

3、造成的過熱爆管是引起鍋爐管失效的第二大主要原因。
　　 本文研究的目的是通過沉積稀土氧化物涂層和噴丸處理工藝，降低Fe-Cr耐熱鋼在水蒸氣中氧化膜的生長速率，防止或減少氧化膜的剝落，減少或避免由此引起的過熱爆管事故。將電泳沉積稀土氧化物涂層(CeO2)應(yīng)用于純鐵及T91、TP304H和HR3C等Fe-Cr系耐熱鋼，將噴丸處理工藝應(yīng)用于TP304H和HR3C，在高溫水蒸氣中進行等溫氧化試驗，進行了氧化動力學(xué)測試，使用XRD，SEM

4、和EDS等手段對氧化膜進行了物相結(jié)構(gòu)分析和形貌、成分分析。試驗結(jié)果表明，稀土氧化物(CeO2)涂層在一定的試驗條件下可提高各種材料在水蒸氣中的抗氧化性能，但對鉻含量較高的HR3C效果最為顯著；對TP304H和HR3C鋼，沉積復(fù)合氧化物(CeO2+Cr2O3)涂層提高抗氧化性能的效果優(yōu)于單純CeO2涂層。噴丸處理可顯著提高TP304H和HR3C的抗氧化性能，在650℃水蒸氣中的氧化試驗表明，噴丸處理的TP304H鋼抗氧化性能優(yōu)于HR3C，

5、甚至優(yōu)于經(jīng)過噴丸處理的HR3C，180h氧化后，噴丸處理的TP304H試樣的單位面積氧化增重是未處理試樣的單位面積氧化增重的3.7％。在噴丸的基礎(chǔ)上沉積稀土氧化物涂層能進一步提高TP304H和HR3C鋼的抗氧化性能。使用自制的小徑管內(nèi)壁噴丸設(shè)備，對TP304H再熱器管進行了內(nèi)壁噴丸處理，在620-630℃服役7474h后，噴丸處理的管子內(nèi)壁氧化膜的厚度只有未噴丸管氧化膜厚度的3％，且無剝落現(xiàn)象，噴丸處理提高抗氧化性能的效果顯著。沉積稀土

6、氧化物CeO2涂層對純鐵、T91鋼和TP304H鋼的初始氧化階段產(chǎn)生明顯影響，它在金屬表面造成低的氧分壓，促進形成富鉻的氧化物、抑制鐵氧化物的生成；而對穩(wěn)態(tài)氧化階段的陰陽離子擴散無明顯影響，因而對氧化速度無顯著影響。富鈰帶位于氧化膜的內(nèi)部。對T91氧化行為的研究使用了金標(biāo)記法，以確定擴散傳質(zhì)方向。對T91氧化膜的分析表明，沉積CeO2涂層并氧化后，富鈰帶位于外層柱狀晶和內(nèi)層等軸晶之間，在富鈰帶內(nèi)側(cè)產(chǎn)生新的氧化物形核點，生成等軸狀的Fe3

7、04層，富鈰帶之外的柱狀晶的氧化物顆粒被細化，；對TP304H氧化膜的分析表明，由于沉積CeO2涂層，氧化膜的粘附性提高，富鈰帶位于內(nèi)、外氧化層之間，富鈰帶中含鈰的物相為CeO2和FeCeO3。沉積CeO2涂層對提高HR3C的抗氧化性能效果顯著。氧化膜內(nèi)的擴散傳質(zhì)由鐵離子向外擴散形成外層氧化物和氧離子向內(nèi)擴散形成內(nèi)層氧化物，轉(zhuǎn)變?yōu)橐匝蹼x子向內(nèi)擴散為主。噴丸造成的表面冷加工高能量區(qū)域及滑移帶、位錯和細小晶粒，提供了更多鉻的快速擴散通道，提