北極星固廢網訊:目前，針對垃圾焚燒爐換熱部件管壁的熱腐蝕問題，研究或採用的表面防護技術主要包括陶瓷貼片、堆焊、雷射熔覆以及熱噴塗等。
（1）陶瓷貼片
高SiC或Al2O3含量的陶瓷片，具有非常好的高溫性能，化學性質穩定，是用於熱腐蝕防護的理想材料。將其排布安裝於熱交換管壁的向火面，可以有效抵禦高溫燃氣的熱腐蝕和衝蝕磨損，從而延長管材的使用壽命。該技術已在一些垃圾焚燒爐中進行了測試或實際應用，並取得了一定的成效。但是，陶瓷材料固有的脆性本質，以及腐蝕環境的複雜性，使得陶瓷貼片在應用中對材料組分設計、製備工藝、產品形態及安裝方式等均有極為嚴格的要求，其實際性能表現和使用壽命也存在著較大的不可預測性，一旦個別貼片開裂或剝落則會導致整體防護層的快速失效。此外，陶瓷材料熱導率較低，阻隔了熱能的有效傳導，也降低了能源轉化效率；同時，阻礙傳熱會導致爐內氣體溫度的升高，從而加劇氣體通路上其它構件的熱腐蝕。因此，該技術並未得到大範圍的實際推廣應用。
（2）堆焊
採用堆焊技術在管壁表面製備耐熱腐蝕的熔敷層是較為有效的技術手段之一，從上世紀90年代開始已被採納並沿用至今，在早期垃圾焚燒爐水冷壁和部分過熱器的應用中均體現出了較好的防護效果。其中，應用最為成熟的是堆焊Inconel625合金(Ni-21Cr-9Mo-3.5Nb)、C-276M(Ni-18Cr-14Mo-4W)、HC-2000(Ni-23Cr-16Mo-1.6Cu)等。相比於熱噴塗塗層和陶瓷貼片等技術，堆焊熔覆層可以與基材形成牢固的冶金結合，組織較均勻，厚度可達幾釐米，在適當使用條件下其性能穩定性和持久防護效果具有明顯的優勢。
然而，實際施工時對焊接設備和技術的要求較高，需嚴格控制熱輸入以避免焊穿或管材變形等問題，其施工效率較低，也導致成本較高。同時，原位修復也是堆焊技術難以克服的問題，在進行二次堆焊修復時容易引起原始熔覆層組織脆化，產生裂紋並擴展至基材造成整體失效，這也造成了材料的大量浪費和使用成本的進一步提高，因此堆焊復修並不被廣泛推薦使用。
此外，研究表明Inconel625合金熔覆層的性能表現與服役溫度密切相關，在400℃以下時，其抗熱腐蝕性能較為優異且穩定；而當服役溫度達到400-420℃以上時，熔覆層則基本失去防護效果[16];若使用溫度超過540℃，熔覆層腐蝕速率甚至高達0.2μm/h。這極大地限制了堆焊Inconel625合金的應用，尤其是面對環境溫度較高的過熱器更是難以滿足使用需求。而隨著垃圾焚燒技術的不斷發展，對提高能源轉化效率、限制二次汙染排放等需求也越來越高，進一步提高燃燒溫度以及降低施工成本已成為主流趨勢，因此，開發更為適宜的高性能低成本堆焊材料是該技術所面臨的迫切需要解決的問題。
（3）雷射熔覆
雷射熔覆是近些年來發展極為迅速的一項表面技術，已在諸多實際工程領域得到了廣泛應用。相比於堆焊技術，雷射熔覆技術對母材的熱影響較小，能夠有效改善管材焊接變形的問題。同時，熔敷稀釋率較低，可以在有限塗層厚度下實現所設計的合金成分，在降低材料使用的同時也提高了熱交換效率。而雷射熔覆極高的冷卻速率往往能夠得到晶粒極為細小均勻的熔敷層組織，有利於提高熔敷層的抗熱腐蝕性能。此外，雷射熔覆的施工效率高，能夠顯著改善工時和勞動強度。對雷射熔覆CoCrW系的Stellite6L合金進行研究發現，熔敷層表層產生均勻的細晶組織，組織細化在提高強度的同時也有效改善了高溫性能。儘管雷射熔覆技術在解決垃圾焚燒爐管壁熱腐蝕方面體現出了較為獨特的優勢，但仍然有一些難題限制了其實際應用，如高昂的設備投入、複雜的施工工藝、現場施工困難等。因此，目前該技術在本領域仍然以研究為主，並未投入實際應用。
（4）熱噴塗
熱噴塗技術是材料表面工程領域中一個十分活躍的學科分支，在解決實際構件的熱腐蝕問題方面具有其較為獨特的技術優勢，因此獲得了廣泛的應用。尤其是熱噴塗塗層在燃煤電站鍋爐「四管」上的成功應用，為同樣以燃燒發電為目的的垃圾焚燒爐熱交換管壁的熱腐蝕防護提供了較好的借鑑思路。近些年，針對熱噴塗技術和材料在垃圾焚燒爐中的研究開發及應用已成為本領域關注的熱點，也被認為是解決管壁熱腐蝕問題最為有效和適宜的技術手段之一。其中超音速火焰噴塗、大氣等離子噴塗、爆炸噴塗和電弧噴塗是幾種較為有代表性的技術方案。
①超音速火焰噴
超音速火焰噴塗(Highvelocityoxygenfuel，HVOF)具有焰流溫度相對較低、粒子飛行速度快等特點，在製備高緻密度低氧含量的金屬合金和金屬陶瓷塗層方面有較為明顯的技術優勢。而塗層緻密性和塗層組織均勻性對塗層的抗熱腐蝕能力影響顯著，正是由於超音速火焰噴塗在製備高質量金屬塗層方面的優勢，使得其成為國外研究垃圾焚燒爐管壁防護的首選和主推技術。在取得大量研究成果的同時，也在實際工程中獲得了較大範圍的推廣應用，大幅提高和延長了垃圾焚燒爐中水冷壁和過熱器等熱交換部件的服役穩定性和維修更換周期，尤其是在過熱器等高溫部件的表面防護方面表現較為優異，有效解決了傳統表面堆焊技術在高溫熱腐蝕防護中的不足。
目前，研究開發和使用的噴塗材料同樣以Ni基合金為主，包括Ni80Cr20、Ni50Cr50、Ni-18Cr-5Fe-5Nb-6Mo、Ni-17Cr-4Fe-3.5B-4Si、Cr3C2-NiCr等。其中，Cr是最主要的合金元素，服役時塗層表面生成的Cr2O3在該類腐蝕環境和溫度下具有較高的化學穩定性及保護性，能夠有效阻礙腐蝕介質向塗層內部的滲透，而生成的尖晶石結構相(NiCr2O4)也對塗層耐蝕性起到了有益的促進作用。然而，儘管超音速火焰噴塗在塗層性能方面表現較為出眾，但其工藝成本也極為昂貴，包括設備投入較大、耗損配件更換頻繁、氣體消耗量驚人、粉末質量要求較高以及塗層沉積率較低等，這在很大程度上限制了其在實際使用中的進一步推廣，尤其是成本要求更為苛刻的國內市場。因此，在難以改變超音速火焰噴塗工藝成本高昂的現狀下，尋求適宜的替代技術也是垃圾焚燒爐管壁熱腐蝕防護的發展趨勢之一。
②大氣等離子噴塗
大氣等離子噴塗(Atmosphericplasmaspray，APS)作為熱噴塗最具代表性的技術之一，具有束流溫度高、塗層質量好、材料適應性廣等優勢，可以製備金屬、合金、陶瓷及其複合材料等多種多樣的塗層，這就為管壁熱腐蝕的防護提供了更為寬泛的設計思路，包括引入化學性質更為穩定的陶瓷相等。針對這一方面國內外也開展了大量的研究工作，包括等離子噴塗NiCr、NiCrSiB、NiCrAlY、NiCr-Cr3C2、ZrO2/Alloy625等，對塗層組織與熱腐蝕行為的研究表明，在適宜噴塗參數下可以得到高質量的表面塗層，其性能表現與超音速火焰噴塗塗層相近，能夠對垃圾焚燒爐熱交換部件管壁起到有效而穩定的防護作用。
但是，該技術在向實際推廣時也同樣面臨相當大的阻力，如設備昂貴、耗能大、工藝複雜度高等，研究表明等離子噴塗過程中影響塗層質量的因素可達上百個，這也對設備穩定性和操作人員的技術經驗等提出了極高的要求。因此，等離子噴塗技術在垃圾焚燒爐管壁熱腐蝕方面目前仍然以研究為主，並未得到大範圍的實際應用。
③爆炸噴塗
爆炸噴塗(Detonationgun，D-gun)是熱噴塗技術中極具特色的一種噴塗技術，高速爆轟波的產生賦予粉末粒子極高的飛行速度，可以形成非常緻密的塗層組織，降低塗層缺陷，有利於塗層耐熱腐蝕性能的提高。同時，其間歇性的噴塗方式對基體熱影響很小，可以保證管材的力學性能不受影響。因此在相似條件下，採用爆炸噴塗製備的塗層往往可以獲得比超音速火焰噴塗層更為優異的耐蝕性能，從而能夠對垃圾焚燒爐熱交換部件管壁起到更好的防護作用。目前針對這一方面也開展了部分研究工作，包括爆炸噴塗NiCr、NiCr-Cr3C2、Cr/Ni50Cr50等。不過該技術實用性較低，尤其是在國內，主要原因來源於Praxair公司對高效爆炸噴塗技術的封鎖，國內在此方面投入的研究也較為有限，導致國內現有裝備的穩定性和工作效率較低，難以滿足大規模工程應用需求和保證穩定的塗層質量。
④電弧噴塗
電弧噴塗(Arcspray，AS)憑藉其設備簡單、操作靈活、沉積效率高、成本低廉等特點，成為最適宜進行現場大面積施工的噴塗方法之一。目前，在燃煤電站鍋爐「四管」的防護領域，電弧噴塗Fe基、Ni基抗熱腐蝕和抗衝蝕塗層已成為最主要的表面防護方法之一，大量應用於國內外實際工程中。然而由於工藝特點所限，與前述幾種噴塗方法相比，電弧噴塗塗層往往孔隙率和氧化物含量相對較高，同時受制於拔絲工藝其塗層合金成分調整空間也相對較小，這就導致電弧噴塗技術在腐蝕更為嚴苛的垃圾焚燒爐中的應用受到了較大的限制，也是相關研究人員未引起足夠重視的主要原因。近年來，藉助於粉芯絲材技術的快速發展為塗層的成分設計提供了更大的選擇性，而在大量系統性研究的基礎上發現，通過向絲材中添加適量「脫氧」元素，可顯著降低噴塗態氧化物的生成，並有效改善塗層抗熱腐蝕的能力。
如本課題組率先開發的NiCrB系粉芯絲材，就是在NiCr基材料的基礎上添加了適量有利於脫氧的B元素，從而使噴塗態NiCrB塗層的氧含量降低到2%以下，顯著低於商用NiCrTi(45CT)塗層的9%。對比研究表明，儘管NiCrB塗層中的Cr含量(25%～30%)低於NiCrTi塗層(Cr：43%～45%)，但氧化物的降低卻顯著提高了其在類似垃圾焚燒爐工況下的抗熱腐蝕性能，如圖1所示。此外，進一步的對比研究還發現，電弧噴塗NiCrB塗層的抗熱腐蝕性能甚至接近或優於超音速火焰噴塗製備的Ni80Cr20和NiCrSiB塗層，這使得電弧噴塗也逐漸成為在該領域應用的可行性技術。
因此，隨著合金成分設計的不斷優化以及新型噴塗絲材的不斷開發，有望進一步提高電弧噴塗塗層的抗熱腐蝕性能。同時，充分發揮電弧噴塗成本低廉和適於原位施工的特點，該技術必將成為垃圾焚燒爐熱交換管壁防護的重要方法之一。
垃圾焚燒爐熱交換部件管壁的熱腐蝕防護需要從塗層性能、工藝便利性和施工成本等多方面綜合考慮。通過對現有幾種表面防護方法的分析，超音速火焰噴塗和電弧噴塗技術將是未來該領域發展的主要趨勢。在腐蝕極為嚴苛的環境中，超音速火焰噴塗製備高質量塗層是較為可靠的技術方案；而在可接受的範圍內，電弧噴塗在塗層性能與工藝成本等方面的綜合優勢會使其具備更大的競爭力。
圖1塗層與基材在800℃、(Na2SO4+10%NaCl)塗鹽介質中的熱腐蝕動力學曲線
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