[发明专利]一种大气条件下无保护气氛或保护层的料浆高速渗铝方法

说明书

技术领域

本发明涉及表面涂层技术领域，特别涉及了一种大气条件下无保护气氛或保护层的料浆高速渗铝方法。

背景技术

为提高能源利用效率特别是火力发电的效率，超（超）临界发电机组大量应于火力发电厂，锅炉管道内高温高压水蒸汽腐蚀问题越来越严峻。管道材质大多为各种牌号的耐热钢，由于通常含有较多的合金元素铬，大气中氧化可形成氧化铬保护膜。然而，在高温水蒸汽中，合金表面却容易形成含有铬的氢氧化物等挥发性产物[参见文献：M.P.Brady et al.,The development of alumina-forming austenitic stainlesssteels for high-temperature structural use,JOM,60,12(2008)]，且氧化膜易于发生剥落。氧化皮的剥落不仅使管壁减薄，还会在管道内堆积而堵塞蒸汽通道，导致过压而爆管，同时会引起汽轮机叶片的冲刷腐蚀，大大降低了设备的运行寿命。研究人员发现氧化铝在水蒸汽中的稳定性远高于氧化铬[参见文献：P.Steinmetz et al.,Volatility of CommonProtective Oxides in High-Temperature Water Vapor:CurrentUnderstanding and Unanswered Questions,Mat.Sci.Forum,461–464,765(2004)]，因此，人们一直在探索适应于锅炉蒸汽环境且具有氧化铝形成能力的合金[参见文献：Y.Yamamoto et al.,Creep-Resistant,Al₂O₃-Forming Austenitic Stainless Steels,Science,316,433(2007)]或表面涂层技术。

由于奥氏体钢具有比铁素体钢更优异的高温力学性能，因而后者在逐渐被前者取代，特别是在高压蒸汽段。研制具有氧化铝形成能力的材料要以保留奥氏体相为前提。而铝是强烈的铁素体形成元素，含量~4wt%左右的铝就可能引起奥氏体相的消失。而要达到具有氧化铝形成能力，合金中的铝要达到一定浓度才行。因而在合金研制方面首先要化解这一矛盾，比较成功的报道来自美国橡树岭国家实验室[参见文献：M.P.Brady et al.,Composition,Microstructure,and WaterVapor Effects on Internal/External Oxidation of Alumina-FormingAustenitic Stainless Steels,Oxid.Met.,72,311(2009)]。他们在所研制的合金中加入大量的镍来稳定奥氏体相，发现2wt%的铝就可以使该合金在800°C大气中形成连续氧化铝膜。在含水蒸汽条件下，800°C循环氧化1600h合金表面才出现明显的局部瘤状腐蚀，远优于普通耐热钢。但对于设计寿命数万小时的要求来说，该合金尚难以满足要求。在表面涂层技术方面，首选的是渗铝。研究者对锅炉钢管材料进行传统包埋渗铝处理后，发现合金的抗蒸汽氧化能力大大提高，氧化32000h未发现明显剥落和局部氧化现象[参见文献：A.Agüero et al.,Long exposure steam oxidation testing and mechanical properties ofslurry aluminide coatings for steam turbine components,Surf.Coat.Technol.,200,1219(2005)]。这是由于合金表面形成了铁铝金属间化合物相，具有氧化铝形成能力，因而抗蒸汽氧化能力优异。传统包埋渗铝工艺需要高温（>800°C）长时间（数小时）加热，这会引起基体合金的晶粒长大等问题而降低基材力学性能。此外，所生成的Fe2Al5或FeAl金属间化合物层较脆，且涂层中往往含有一定数量的贯穿性裂纹，这一现象在多数文献中也有报道，因而在服役过程中存在较大的安全隐患。涂层开裂及其原因在于FeAl金属间化合物的热膨胀系数大大高于基体（FeAl：~20×10^-6/°C，不锈钢：<18×10^-6/°C）[参见文献：高海燕等，FeAl金属间化合物研究现状，材料导报，22，68(2008)]，导致涂层内存在较大的张应力，这一因素引起的应是较难消除，因而涂层的这种开裂也难以克服。据文献报导，耐热钢渗铝包埋渗铝后，尽管抗蒸汽氧化能力得到大幅提高，但在冷热交替的循环氧化条件下，涂层内的贯穿性裂纹导致涂层破坏、基体氧化严重[参见文献：A.Agüero et al.,Cyclic oxidation and mechanical behaviour ofslurry aluminide coatings for steam turbine components,Surf.Coat.Technol.,201,6253(2007)]。