揚大團隊探明Ni2Al3塗層生物質腐蝕機理

2020-09-03 科學網

作者：計紅梅 劉雨晗 嚴龍飛


近日，揚州大學機械工程學院表面強化與功能化團隊教師吳多利博士與丹麥技術大學教授John Hald合作，在生物質鍋爐受熱面高溫防護塗層方面取得重要研究進展。相關成果發表在《腐蝕科學》（Corrosion Science）雜誌。該成果首次探明了Ni2Al3塗層在生物質電廠實際服役過程中的氧化膜相結構，通過實驗研究和計算模擬相結合的方法，揭示了Ni2Al3塗層的生物質高溫腐蝕機理，為獲得具有優異抗生物質高溫腐蝕性能的塗層材料提供了科學條件。

生物質發電技術的推廣應用對於推動我國生物質資源規模化、高效清潔利用具有重大意義。然而，高溫腐蝕問題使得生物質電廠可靠性降低，維護成本增加及發電效率低下，制約著生物質能源在直燃發電和熱電聯產方面的進一步發展。因此，鍋爐受熱面高溫腐蝕已成為提升生物質燃燒發電效率和可靠性的瓶頸。

「在不鏽鋼鍋爐過熱器管道表面施加高溫防護塗層可以有效解決鍋爐受熱面高溫腐蝕的問題。」吳多利介紹道，「塗層氧化膜的相結構對塗層的生物質高溫腐蝕性能影響非常顯著，所以在鍋爐過熱器表面施加鎳鋁基塗層材料是抗生物質高溫腐蝕有潛力的一個選擇。」目前，關於鎳鋁塗層生物質高溫腐蝕的研究都是在簡單的實驗室環境下得出的，很多的研究成果都無法直接應用於複雜的實際生物質電廠環境中。

針對上述問題，吳多利與他的科研團隊於2018年開始著手研發。團隊採用Watts鍍鎳和低溫滲鋁兩步法在電廠的奧氏體不鏽鋼管道表面製備Ni2Al3塗層，隨後將帶有Ni2Al3塗層的管道焊接在生物質電廠蒸汽溫度與腐蝕速率最高的過熱器管道中服役運行7100小時。此外，團隊利用光學顯微鏡、X射線衍射、掃描電子顯微鏡、聚焦離子束、透射電子顯微鏡、能量彌散X射線譜、能量過濾透射電子顯微鏡等分析手段，觀察和分析塗層服役測試後表面和截面的形貌、相組成、晶體結構、界面結構和元素分布，利用相關軟體進行熱力學計算和模擬，最終得出Ni2Al3塗層在實際電廠服役過程中的腐蝕機理。

「實驗結果表明，Ni2Al3塗層在實際生物質電廠服役環境下能夠很好地保護基體免受高溫腐蝕，僅在局部區域發生了腐蝕破壞。」團隊成員袁子毅告訴記者。根據實驗研究結果並結合計算模擬，團隊提出了Ni2Al3塗層在實際生物質電廠服役環境下的腐蝕機理。而掌握不同相結構氧化膜的高溫腐蝕機理，可以通過特定的預處理工藝先形成理想的氧化膜相，進而建立塗層服役行為的調控手段，實現對塗層的高溫腐蝕行為更高的預期，為提升生物質燃燒發電效率和可靠性作出貢獻。

該研究工作得到了江蘇省自然科學基金、丹麥能源局技術發展示範計劃項目、江蘇省「雙創博士」項目和揚州市「綠揚金鳳計劃」項目的支持。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.108583

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