AC-HVAF 喷涂工艺在电站设备中的应用探讨
王勇，崔占仓
热 喷 涂 技 术2011 年 3 月
摘 要:活性燃烧高速燃气（AC-HVAF）喷涂工艺是近年发展起来的超音速火焰喷涂的一种新技术，其主要特点是涂层氧化物低、涂层致密，具有优越的耐磨损和耐腐蚀能力。本文主要介绍了 AC-HVAF工艺涂层的各项优异性能，并指出 AC-HVAF 工艺应用于电站设备具有广阔的前景。
关键词：热喷涂；电站设备；AC-HVAF；耐高温腐蚀；耐冲蚀
电力工业是国民经济的基础，承担着为各行各业和人民生活提供高效、清洁能源的重要任务。随着电力工业的发展，电站设备、部件的工作条件日趋恶劣，因此对部件的耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗氧化等性能提出了更高的要求。电厂设备中的燃煤汽轮发电机组锅炉磨煤制粉系统设备的磨损、送粉装置的磨损、锅炉水冷壁、过热器、再热器、省煤器的高温腐蚀和磨损、汽轮机及所有转动机械轴的磨损、叶片的冲刷与腐蚀、水泵壳体的冲刷与磨损、各类管道系统、阀门弯头等管件的冲刷与腐蚀等，都会给电站设备带来安全隐患和事故[1]。热喷涂技术作为一种较好的金属材料表面防护和强化技术，以其独特的优势，在电站设备的维护，锅炉管道的耐磨，耐蚀防护均有广阔的应用前景。活性燃烧高速燃气（AC-HVAF）喷涂工艺是近几年发展起来的超音速火焰喷涂的一种新技术。其特点是通过压缩空气与燃料燃烧产生高速气流加热粉末，但并未使之完全熔化，同时将粉末加速至700ｍ/ｓ以上，撞击基体，形成极低氧化物含量和极高致密度的涂层。这种喷涂工艺过程对喷涂材料的热退化影响非常低，制备的涂层表现出卓越的耐磨损及耐腐蚀特性；此技术另一个突出的特点是生产效率高，所有这些特点使 AC-HVAF 喷涂工艺在很大程度上降低了涂层的加工成本，更有利于超音速喷涂技术的推广应用[2]。
1 AC-HVAF 喷涂特点及研究现状
1.1 粒子温度和速度
美国 UniqueCoat 公司[3]用 SprayWatch 2i 热喷涂光学在线监测系统测量热动能喷涂系统在喷涂距离内喷涂粒子的表面温度和速度，燃料为丙烷，空气助燃，喷涂粉末为合金 625 和 WC-10Co-4Cr。测量数据详见表 1。喷涂粉末粒子的表面温度比所用的金属合金的熔点低 200～250℃，这主要是使用燃烧温度相对较低的丙烷燃料的结果。从表中可以看出这两种粉末的粒子速度均比已知的常规 HVOF喷涂工艺显著提高。通过理论计算得知，气体焰流速度仅为 900m/s，但却提供了极高的喷涂粉末加速效率，这正是 AC-HVAF 喷涂工艺的显著特点。
1.2 涂层氧化物含量与孔隙率
AC-HVAF 喷涂过程中，喷涂粒子的加热温度低于材料的熔点，而且速度极高，缩短了粒子在AC-HVAF 焰流中的停留时间，在工艺中的喷涂材料的氧化反应受到了抑制，涂层的氧化物含量非常低。例如，在标准喷涂条件下喷涂合金 671 材料（Ni-45Cr-1Ti）使用 AC-HVAF 喷涂工艺喷涂后的氧化物含量仅为 0.20%。作为比较，在不同的常规HVOF 喷涂工艺中，使用同样的粉末喷涂后的氧化物含量在 0.95%～2.0%之间[3]。
通常情况下，在 AC-HVAF 喷涂工艺涂层的金相照片中很难检测到可见的金相孔隙，涂层与基体结合状态非常好，界面处也看不出缺陷，图 1 为利用 AC-HVAF 喷涂工艺制备的 Fe 基非晶纳米晶涂层，可以看出涂层非常致密，孔隙率非常低，利用专业的金相分析软件，计算出涂层的孔隙率仅有1.8%[4]。
1.3 涂层结合强度及抗裂性能
由于 AC-HVAF 喷涂粒子的冲击速度极高，在金属基材上，AC-HVAF 工艺涂层可达到极高的结合强度，在碳钢上，碳化物金属陶瓷涂层的结合强度超过 70～84MPa，金属涂层的结合强度在47～84MPa 之间。AC-HVAF 金属涂层可用榔头敲到而不开裂，有些涂层甚至可以经受焊接的热冲击而不产生退化和脱落现象，而且涂层的结合强度几乎不随其厚度的增加而变化，这说明涂层的残余应力极低。
因为 AC-HVAF 涂层的残余应力极低，涂层的抗裂性能会显著提高，脆性材料的抗裂系数 K1c的测量方法之一是测量维氏硬度是将锥形载荷加载至涂层表面，然后测量所产生裂痕的长度。因为K1c正比于（a/c）3/2,其中 a 是压痕对角线，c 是产生的裂痕长度，当 a>c 时，a/c 值就可体现其抗裂能力。试验结果表明，不同的 HVOF 喷涂工艺喷涂制备的WC-基和 Cr3C2-基涂层器抗裂系数为 1～4 之间，而在相同的测试条件下，AC-HVAF 工艺制备的涂层的抗裂系数在 100～200 之间，说明 AC-HVAF 涂层的抗裂性能非常高，可以制备出厚度更高的涂层，在涂层应用中，表明温度变化对 AC-HVAF 涂层的影响更小，实际上增加了涂层质量的稳定性[3]。
1.4 涂层耐高温腐蚀性能
在电站锅炉运行过程中，由于燃烧煤种硫及其它有害杂质的存在，锅炉“四管”特别是水冷壁管很容易遭受高温腐蚀。参与高温腐蚀的危害物有燃烧过程中产生的 SO2、SO3、H2S、HCl、碱化物及钒盐类，是多种化学物在各种温度下共同对管壁进行的复杂的动态腐蚀过程，其中，硫化物是锅炉高温腐蚀的主要因素，一是烟气中的硫化氢与管壁金属作用产生的腐蚀，含硫物在金属高温下产生单原子硫，硫与管道的铁反应生成硫化铁；二是由不可燃硫在高温作用下生成硫酸盐混入灰分熔敷于管壁表面，但不再具有水冷壁管所要求的各种良好的高温机械性能，实际上导致水冷壁管有用壁厚的减薄，从而其有效承载能力不断下降，由此形成腐蚀，长期运行就很容易产生爆管泄漏[5]。因此，锅炉“四管”的防护，必须要求涂层具有非常好的抗高温腐蚀性能及抗氧化性能。
利用 AC-HVAF 喷涂工艺低熔点、高速度的特点，选择合适的喷涂材料，能够制备出极低氧化物含量和极高致密度的纳米结构涂层，相关研究表明，纳米结构涂层在适当的结构和成分条件下，具有远优于常规晶粒尺寸涂层的抗氧化性能和耐高温腐蚀性能。北京科技大学新金属材料国家重点实验室[6-7]利用AC-HVAF喷涂工艺在20G钢基体上制备高铬镍基合金纳米结构涂层，通过模拟锅炉“四管”的使用环境，研究了纳米结构涂层在不同温度下的热稳定性及抗热腐蚀性，并与常规微米结构涂层进行了性能对比，其实验结果表明利用AC-HVAF 喷涂工艺制备的纳米结构涂层具有更为优异的热稳定性及抗热腐蚀性能。
AC-HVAF 涂层极低的氧化物含量和极高的致密度，使其在高温腐蚀环境下表现出优秀的性能。对比电弧喷涂、常规超音速火焰喷涂（HVOF）和AC-HVAF 喷 涂 制 备 的 671 合 金 涂 层 在N2-1%H2S-1%HCl 气态环境中，在 400℃温度下，经过 1440h 之后的增重，结果表明，电弧喷涂层的增重为 5.64mg/cm3、常规超音速火焰喷涂涂层的增重为 5.28mg/cm3，而 AC-HVAF 喷涂涂层的增重只有 3.98mg/cm3。由此可知，AC-HVAF 工艺涂层的耐硫化腐蚀性能优于其他工艺制备的涂层。利用电弧喷涂、常规超音速火焰喷涂和 AC-HVAF 喷涂制备 625 合金和 671 合金涂层，然后在空气中、700℃高温下氧化 1000h。625 合金及 671 合金涂层的氧化增重分别为：电弧喷涂层增重为 3.50mg/cm3和 3.25mg/cm3，常规超音速火焰喷涂层的增重为2.90mg/cm3和 1.80mg/cm3，而 AC-HVAF 喷涂层的增重只有 0.60 mg/cm3和 0.70 mg/cm3，由此可知使用 AC-HVAF 工艺喷涂的 625 合金和 671 合金涂层相对于电弧喷涂层和常规超音速火焰喷涂层表现出更加优异的抗高温氧化性能[3]。
综上所述，AC-HVAF 喷涂涂层具有比传统火焰喷涂及电弧喷涂更为优异的抗高温腐蚀及抗高温氧化性能，在锅炉“四管”防护方面具有更为广阔的应用前景。
1.5 涂层耐冲蚀磨损性能
在燃煤电厂中，炉膛内燃煤烟灰的冲刷腐蚀也是造成锅炉“四管”爆管的重要原因之一，美国UniqueCoat 公司[3]研究人员利用喷砂冲蚀测试仪进行了相关的试验，在 AISI 1018 碳钢（锅炉水冷壁用材料）表面分别利用HVOF喷涂工艺和AC-HVAF喷涂工艺制备涂层，研究不同热喷涂工艺制备的涂层的耐冲蚀性能。试验所使用的冲蚀材料是从硫化床锅炉中收集来的炉床灰（平均硬度 780HV0.1，平均粒子尺寸 0.3mm）。测试条件：腐蚀剂速度60m/s，样品温度 300℃，冲击角度 30（°），测试时间 5h，炉床灰总量 0.375Kg，测试环境接近于炉膛内燃烧时实际环境，试验结果见表 2。
试验结果表明，使用 AC-HVAF 喷涂工艺的涂层在喷涂 Cr3C2-25%Ni-Cr 粉末时，相同测试条件下，其抗蚀能力与 HVOF 相近，而 WC-10Co-4Cr粉末涂层的抗蚀能力要优于 HVOF，具有更为优异的耐冲蚀性能。
水电站的水轮机因汽蚀与泥沙磨损破坏的快速修复已成为许多电站运行维护管理的重要问题。水轮机的快速破坏主要发生在水轮机的过流部件表面，过流部件结构和汽蚀磨损情况复杂，导致了尺寸修复的难度较大和要求表面强化材料选用的科学性。Ni 基涂层因其良好的耐磨、耐蚀性在修复和强化水轮机叶片上受到人们的广泛关注，北京科技大学腐蚀与防护中心马光[8]等人利用 AC-HVAF喷涂工艺在水轮机材料 0Cr13Ni5Mo 基体上制备了Ni60/WC 涂层，涂层与基体结合良好，涂层呈层状分布，孔隙率较低，对涂层和基体进行冲蚀磨损对比试验，表明涂层的磨损失重仅为基体的 1/5，且涂层的冲蚀磨损失重曲线很平缓，失重随试验时间的增加变化很缓慢。该研究应用 AC-HVAF 喷涂涂层成功修复了磨损严重的水轮机叶片，并在河北易县水电站进行了真机试验，经过三个月汛期使用涂层良好。
2 结论
综上所述，AC-HVAF 喷涂涂层具有高的结合强度高和抗裂性能、良好的热稳定性、抗热腐蚀性能、高温抗氧化性能及抗冲蚀磨损性能。随着电厂锅炉运行参数的不断提高，电厂各部件的工作条件越来越苛刻，设备的腐蚀、磨损情况更加严重，对表面防护领域的需求也随之增加，而 AC-HVAF 喷涂涂层的优异性能必将使 AC-HVAF 喷涂工艺在电站设备防腐、防磨及设备修复上有着广阔的应用前景。
参考文献略
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