编号：TLHY00018

篇名：无机高温耐磨防腐涂料的研究

原文： 电站锅炉受热面管爆管失效问题一直是影响机组安全的主要因素之一，本文针对水冷壁管的高温腐蚀问题，提出一种新的防护措施。即采用表面技术手段，在受热面管外表面涂覆无机高温防腐涂层，防止管壁的高温腐蚀和磨损，达到延长受热管寿命的目的。涂层材料为耐高温陶瓷材料，另外，以价格低廉且与粉体混合后形成的浆料固化容易的硅溶胶作为胶粘剂。因此在部件表面涂覆抗高温氧化性能优异的防护涂层，是提高热端部件的性能和延长寿命的经济、简便、有效的措施之一。这将为电站锅炉水冷壁等结构复杂的受热部件，提供一种既经济又便于施工的有效措施，有效地延长了受热管的使用寿命，值得在电力行业推广使用。 1涂层的制备 以Al2O3,SiO2, ZrSiO4,SiC, ZnO,BC以及合金粉末为原料，均匀混合，颗粒细度为3~5µm，液体溶胶为硅酸钠溶胶，按1ml（液）：1.9克（固）的比例混合，并用电动搅拌机搅拌均匀，然后用毛刷涂覆到钢管表面，室温放置48小时，进入烘箱80℃保温24小时，然后升温到700℃，形成涂层。 2 试验及结果分析 2.1涂层的物相组成 图 1是涂层的X射线衍射图。由图可以看出，涂层的主晶相为α-SiO2，ZrSiO4，和少量的ZnO，α-Al2O3，SiC，而未见其它添加物的衍射峰。说明涂层在凝胶过程中，大量的SiO4四面体在空间形成网状结构，一些填料被嵌定、缠结、包裹进去，因此一些物相的衍射峰很弱，另外一些物相未见到衍射峰，但通过凝胶过程所形成的涂层具有很高的强度。 2.2 涂层的结合强度实验 将粉体在QM-ISP高能球磨机上球磨3h，然后制成浆料，涂覆与基体表面，做成如图2所示的拉伸试样，试样经150℃处理。实验结果见表1。 表1 结 合 强 度 Mpa 编号 试样1 试样2 试样3 平均值 结果 3.771 3.387 2.941 3.366 涂层与基体的断裂，是涂层本身断裂，个别试样断裂在涂层与基体的结合面处，表明涂层与基体的结合强度高于试验测定值。球磨3h后的涂料制成涂层后，与基体的结合强度达到3.366 Mpa，远远高于穆柏春等人研究的陶瓷涂层与基体的结合强度1.89~1.92 Mpa[1]。说明球磨过程中粉体表面积迅速增大，表面能也迅速增大，粉体活性增加，吸附也变得容易，有利于粉料的成形和提高涂层的致密度。 2.3 涂层的抗磨损实验 耐磨试验在MLD_10型动载磨料磨损试验机上进行，称重在万分之一天平上进行。磨料为标准沙：SiO2≥96%，其粒度为0.65mm，筛余量<3%；0.40mm筛余量5%~15%；0.25mm筛余量>94%。试样的尺寸为50mm×10mm×2mm，试样有一定的曲率。实验机可同时安装4个试样。在实验过程中，试样埋入石英砂中固定不动，而转盘旋转带动石英砂，实现试样与石英砂之间的相对滑动。实验比较了相同条件下涂层与钢管的耐磨性（结果见表2），以及经不同温度处理的涂层的耐磨性（结果见表3）。表中编号A代表20G钢试样，B代表经过200℃热处理的带有涂层的20G钢试样，C代表经80℃固化后的试样，D代表经80℃保温后，然后升温至200℃的试样，E代表经80℃保温，再升温到200℃保温后，升温至700℃的试样。 表2 相同条件下涂层和钢的磨损数据 试样编号 磨损时间（h） 个别试样失重（克） 平均值（克） 耐磨性 15 0.0332,0.0401,0.0294,0.0368 0.0349 / A 20 --------------------------- / / 30 0.0732,0.0701,0.0699,0.0728 0.0715 / 35 0.0743,0.0701,0.0713,0.0744 0.0725 1 15 0.0025,0.0047,0.0015,0.0078 0.0041 / B 20 0.0027,0.0051,0.0018,0.0079 0.0044 / 30 -------------------------- / / 35 0.0089,0.0078,0.0063,0.0080 0.0078 9 实验结果表明：相同条件下，带涂层的20G试样的耐磨性是不带涂层的20G钢9倍，而已有研究指出，相同条件下，20#渗铝钢与20#钢比较，相对耐磨性只有2.18[2]。由此可看出，在钢管表面涂覆此涂料，能使大大提高其耐磨性，能够对钢材表面起到较好的保护效果，从而可以提高水冷壁管的使用寿命。经不同温度热处理后的涂层的磨损实验结果见表3。 从不同温度处理的试样的磨损数据得出：浆料涂覆在钢材表面后，经80℃保温处理后，涂层的耐磨性很差，说明涂层在80℃还没有完全固化，凝胶过程没有完成，还需要提高固化温度条件。经过200℃保温处理，涂层已经完全固化，耐磨性有了明显的提高。有研究指出[3]：水玻璃基涂膜在250~300℃烘烤1h后，可提高其耐水性，即加热可加速涂层的固化速度。涂层升温700℃后，涂层已经完全硬化，耐磨性进一步提高。并发现涂层表面发黑现象，涂层磨损不明显，而磨料的细小碎粒却有部分吸附到涂层表面，这种吸附是靠分子之间引力形成的，具有比较弱的结合键。硬度是衡量耐磨性的重要指标，所以要求表面涂层要有较高的硬度，经实验测定，涂层的莫氏硬度为6级。当然性能优越和质量稳定的涂层，还需要可靠的工艺来保证。 表3 经不同温度处理的涂层的磨损数据 编号 磨损时间（h） 个别试样失重（克） 平均值（克） 耐磨性 试样处理温度（℃） 20 0.0985,0.0155,0.0960,0.0883 0.0746 / C 30 ---------------------------- / / 80 35 0.1023,0.6451,0.1164,0.0996 0.2409 0.3010 20 0.0027,0.0051,0.0018,0.0079 0.0044 / D 30 ---------------------------- / / 200 35 0.0089,0.0078,0.0063,0.0080 0.0078 9 20 0.0071,0.0004,0.0000,0.0042 0.0030 / E 30 ---------------------------- / / 700 35 0.0075,0.0065,0.0072,0.0052 0.0066 11 2.4 涂层的耐温和耐热冲击实验 涂层的抗热震性能可反映涂层与基体间的结合强度，而涂层与基体间的结合强度又是衡量涂层好坏的重要指标。热震性能试验采用急冷急热法测定。将试样加热到某一温度，保温10分钟，取出后淬于20℃左右的水中，并摆动30~40s，观察试样的状况，以无裂纹或脱落现象作为一次热冲击循环。以涂层经历加热循环冷却的次数来衡量涂层的抗热震能力，测定结果见表4。 表 4.5 涂层的热震性能 试样 实验温度（℃） 实验条件 循环次数 涂层状况 M-1 500 保温10min，水淬 15 涂层完好 M-2 700 保温10min，水淬 15 涂层完好 M-3 950 进950℃炉，保温2min,水淬 7 涂层完好 M-4 / 1200℃以上火焰烧烤 1 涂层完好 实验结果表明，涂层在各种实验温度下，均有较好的抗热震性能，显示出涂层与钢管之间具有高的结合强度。涂层在加热冷却过程中会引起内应力的产生，在热震循环条件下，其涂层的收缩应力超过涂层本身的粘结强度，涂层就会开裂甚至剥落。