成效与问题：cfb锅炉防磨中的热喷涂技术
贾 永 昌
（北京廊桥表面技术发展有限公司 北京100089）
摘要：热喷涂是解决cfb锅炉磨损的有效方法。我国自上世纪90年代开始，曾对各种热喷涂方法用于cfb锅炉磨损问题进行了尝试。由于受现场施工条件的限制，电弧喷涂及超音速火焰喷涂（hvof）占据了优势。hvof喷涂nicr-cr3c2粉，涂层耐磨性较好，但因喷涂速度低及成本高等问题，不易推广应用，致使电弧喷涂几乎独占市场。
本文论及电弧喷涂在我国cfb锅炉防磨中的应用情况、相关成效及存在问题。
关键词：热喷涂 电弧喷涂 超音速火焰喷涂（hvof） 循环流化床锅炉（cfb锅炉） 抗磨损涂层 粉芯材料
success ａｎｄ problem: thermal spraying technology
for wear-resistant coatings in cfb boiler
jia yongchang
(beijing langqiao surface technology co.， ltd beijing 100089)
key words: thermal spraying， arc spraying， hvof， circulating fluidzed bed (cfb) boiler， wear-resistant coatings， flux-cored wire
1、引言：
中国是全球循环流化床（citculating fluidized bed—cfb）锅炉发电机组拥有数量最多、总容量最大的国家。总台数近3000台，总装机容量近4000万kw，其中有50台300mw级别已投入或准备投入运行。
金属受热面存在磨损，是cfb锅炉运行中一种不可避免的正常现象，如何保持磨损量处于可控状态，是cfb锅炉正常运行的保证。
业已表明，热喷涂是解决cfb锅炉磨损的有效方法。中国自上世纪九十年代开始，曾对各种热喷涂方法解决cfb锅炉磨损问题进行了尝试。由于受现场施工条件所限，hvof及电弧喷涂占据了优势。hvof喷涂nicr-cr3c2粉，涂层耐磨性较好，但其沉积效率低，喷涂速度慢及生产成本高等一系列问题，不容易得到大面积使用，在这种情况下，电弧喷涂几乎独占市场。
在十几年的发展与研究中，我国在电弧喷涂cfb锅炉工程中，积累了一定的生产经验，总喷涂面积已达数十万平米，在设备和材料的研发中也取得相应进展。本文论及到电弧喷涂在我国cfb锅炉防磨涂层的应用情况、存在问题及相关成就。
2、热喷涂方法简评
对于同一种喷涂材料而言，不同热喷涂方法会导致涂层性能出现差异。喷涂材料在喷涂时形成熔滴（或塑性态）后，被冲击到工件时的温度和速度，对所形成涂层的物理性质有直接影响。
在所有热喷涂方法中，能用于cfb锅炉喷涂的，可以是火焰粉末喷涂（包括喷焊）、火焰线材喷涂、hvof、爆炸喷涂、大气等离子喷涂、电弧喷涂及激光喷涂等。但从经济成本及现场施工条件来看，则应具体分析：
·火焰喷涂（粉末或线材）：运作成本最低，但由于喷涂熔滴速度和火焰温度均偏低，所能喷涂的材料受限制，涂层密度和结合强度都难以满足cfb高强度的磨损要求，通常很少被采用。
·火焰喷焊：火焰喷焊镍基自熔合金粉，形成冶金结合的致密焊层，耐磨耐蚀性均好，采用高频重熔法，在生产车间预制耐磨抗蚀涂层，是一种可行方法，此法在炉内施工有些困难，生产速度和炉管变形都是问题。
·等离子喷涂：等离子喷涂适用于各种材料，但由于设备庞杂，不能进入炉内施工，使用有困难。
·爆炸喷涂：操作不灵活，难以在现场施工。
·hvof：熔滴速度高，涂层致密，结合强度高，喷涂nicr-cr3c2粉被认为是耐磨与抗蚀的良好涂层，也适用于炉内喷涂，其缺点是操作费用很高，沉积效率低和喷涂速度都不理想，在我国很少使用。
·电弧喷涂：是目前中国喷涂锅炉管的主体方法，操作灵活，成本低廉，生产效率高，加之近年来电弧喷涂设备又有新的改进和发展，先后出现燃烧电弧喷枪及超音速电弧喷枪，加之粉芯线材的新进展，促使电弧喷涂不仅在我国，即使在国外电厂锅炉喷涂中，也得到空前广泛的应用。
3、hvof：问题与局限性
3.1 hvof的特点：
近十几年以来，有大量文章介绍了hvof涂层特性及其优越性[1-4]，概括起来，大体是：
·涂层与基体结合强度高，，对wcco涂层来说，可达90mpa以上
·涂层空隙率低，通常为1%以下
·涂层硬度高，wcco涂层hv0.3可达1490
·残余应力低，可喷成厚涂层
·火焰温度低，飞行时间短，喷涂碳化物粉的氧化及相变少。
无疑，这些特点对煤粉炉或cfb炉的受热件的防腐和耐磨而言，会期待良好的结果。
3.2 典型实例及相关数据：
然而，真正在工业上大规模采用hvof喷涂cfb锅炉，仍不多见。
曾有人采用mecto dj hvof喷枪喷涂metco公司的nicr-cr3c2粉(diamaloy3007)[5]，cfb炉原磨损率为1.5-2.0mm/年，喷涂后降至27.8μm/年（5点均值），如此算来，若涂层厚度0.5mm，即使工作10年，涂层仍在。
笔者曾采用同样的设备及粉末，对涂层进行耐磨对比测试，发现该涂层并不比电弧喷涂lx88a丝材更耐磨（见后文），与上述结果存有明显差异。
b.weilage等人用hvof喷涂wc10co4cr粉，涂层耐冲蚀性比等离子喷al2o3tio2粉的涂层提高30倍[6]，喷涂wc12co和nicr-cr3c2粉，耐冲蚀磨损分别是镀硬铬的5倍和2.5倍，耐磨粒磨损均为镀硬铬的5倍[7]。
s.dallaire曾对不同涂层工艺及材料的耐磨性做过比较[8]，从中发现，hvof喷涂wc10ni粉，涂层的抗冲蚀性与wcnicr的激光熔敷层相当，比fe- cr3c2堆焊层高6倍，是ni基自熔合金喷焊层的9.5倍（冲蚀角25o，温度315℃）。
从上述基本数据可断定，hvof喷wc、cr3c2等材料（含相应的金属粘合组份），涂层耐磨性优异，明显好于同类材料的堆焊和喷焊层，也好于等离子喷氧化物及镀硬铬。
3.3 实用效果不佳
近几年来，在我国不下六七家专业喷涂公司，怀有对hvof的良好期待，对cfb炉磨损部位用hvof喷枪喷涂nicr-cr3c2（或ni基合金粉加wc），在炉内施工，带有一定的试验性质。喷涂面积从数平方米到十几平方米，涂层厚度＜0.3mm，采用国产hvof枪及国产nicr-cr3c2粉。结果发现：
● 喷涂速度极慢，每平方米需数小时。
● 用粉量太大，最少12kg/m2，多者20kg/m2 左右。
● 成本太高，＞8000元/ m2，工程费＞10000元/ m2。
● 涂层工作寿命并不理想，大多只运行6-8个月，有些在锅炉厂出厂前喷，情况稍好，可达1年左右。
之所以效果不理想，初步分析缘由如下：
（1）所用设备不够规范，国产hvof喷枪处于初始阶段，在性能上与国外同类设备可能存有差异。
（2）所用nicr-cr3c2粉在质量上可能有些问题。通常cr的碳化物有cr3c2、cr7c2和cr23c2三种形式，熔点分别为1811℃、1766℃和1576℃，cr3c2为斜方晶系，最为耐磨，第三种为立方晶系，耐磨性最差。在与nicr合金的组成结构上，可分为混合型、化学或机械包覆型、混合-烧结-破碎型及新近出现的快速冷凝结构。国产nicr-cr3c2粉，属混合型，在运送、储存和使用过程中，nicr-cr3c2发生偏析，尤其在喷涂时往往cr3c2比nicr飞逸较多，涂层组成偏离原定值。
（3）施工操作不当
hvof喷涂距离应为230—250mm，喷砂粒径要小些，送粉量要严格，诸如此类操作参数，在炉内难以严格控制。
除上述这些问题外，尚有其它不当因素。
3.4 实际应用尚有困难
即使不存在上述问题，在cfb炉内大面积采用hvof喷涂工艺，依然会困难重重，这主要是基于经济因素，由于操作成本太高，让人怀疑它的性价比是否可取：
（1）沉积效率太低，对nicr-cr3c2粉而言，hvof喷涂的沉积效率通常为20—25%。
（2）生产速度太慢，若涂层厚度为0.3mm，每平米要喷数小时。
（3）生产成本太高：由于上述两种原因，粉末单耗高，燃气（或燃油）、氧气及冷却介质（气或水）耗量大。
（4）＞0.5mm厚度的涂层，究竟能抵挡多长时间的磨损（尤其在个别部位），未经工业生产上验证，仅有的试验结果，并未取得明显的效果。
4、喷熔工艺
采用喷枪喷涂合金粉末，然后对涂层加热熔化，使熔化层与基体形成冶金结合的焊层。通常采用燃烧火焰喷涂镍基自熔合金粉，然后用大功率火焰炬或高频线圈予以熔化（重熔）。所形成的焊层致密，与基体强结合。这种沉积层有相当好的耐磨性，其缺点是施工速度慢，炉管受热严重，有可能产生变形，大面积采用较困难，特殊情况下局部可采用。也可以在炉管安装前预先喷熔，但被磨损后，依然会面临炉管再修复问题。
5、电弧喷涂的优势
5.1电弧喷涂的优势
对于cfb锅炉防磨喷涂来说，电弧喷涂的优势在于机动灵活、可在现场施工、生产成本低、生产效率高、喷涂材料价廉、涂层性能可靠，尤其在粉芯丝材问世以来，为电弧喷涂材料提供了广阔的发展空间，使涂层达到高耐磨强抗蚀等卓越性能并非不可及。
市场需要又不断推动着产品的更新，几年来相继出现大功率、高电流、超音速、陶瓷喷咀、气冷电缆、双主动轮送丝及燃气加速等新技术，使电弧喷涂提高到一个新档次。
5.2 缺点与改进
对电弧喷涂设备的基本要求，应该是电弧稳定，电源动作性好，送丝流畅稳定，惯性强，从而达到过程稳定。国产电弧喷涂机的加工精度不高，电源占载率仅60%，电源功率低，尤其是送丝机采用焊机沿用的老装置，单轮主动，功率不足100w，不能满足2.0较粗的硬丝及软丝多类型要求，对传送粉芯丝问题更大。幸运的是，近些年来，已有新机型问世，采用了大电源，高功率，将送丝机改成双主动轮型，功率提高到400w，使上述问题得以改进。
6、喷涂材料
6.1 对涂层材料的基本要求
对于cfb锅炉的磨损过程，涂层材料必须满足以下要求：
● 对炉管要有很好的结合强度。
● 涂层应有足够好的耐磨性及耐高温性。
● 喷涂过程的施工条件必须与锅炉运行条件一致。
● 喷涂过程不能损害炉管。
● 涂层和炉管之间不能产生任何类型的扩散。
● 涂层不能引发炉管出现裂纹。
● 避免少量杂质导致界面生成单膜而改变界面性质。
● 涂层应有良好的导热性。
● 涂层与炉管的热胀性能大体一致。
依上述要求，带有wc、al2o3等成份，并不是理想材料，wc在＞550℃时会发生分解，al2o3涂层导热性不好。
6.2 电弧喷涂的有关耐磨涂层
如果将喷涂方法确定为电弧喷涂，则涂层的耐磨性主要取决于所采用的材料。
尽管某些硬面材料经堆焊等工艺用于耐磨工件，但到目前这些材料尚未被普遍用于电弧喷涂。一般来说较高的硬度会带来更好的耐磨性，某些奥氏与马氏体钢，以及含wc的合金钢，经堆焊后，涂层硬度可高达hrc60以上，但采用电弧喷涂还不能达到预期效果。
粉芯丝材的应用在电弧对cfb锅炉的喷涂中占绝对优势，近十几年来，粉芯丝作为解决电厂锅炉耐蚀，特别是抗磨问题，越来越受人重视。粉芯丝外皮可用铁、钢、镍、铝等金属，其内芯可做更多的选择，以达到耐磨、抗蚀、防滑、抗高温等多种功能。为了达到更优异的性能，近年来又将纳米和非晶态材料纳入粉芯丝材的制作中，并已得到实用。
用于cfb炉防磨的电弧喷涂丝，大多是铁（包括钢）基粉芯丝，粉芯构成多为crcsib/crcsinb/crcwsimn/crnimnsibmo/crbsi（非晶态）/crnib/crbmowmn（纳米）/crnbbwmn（纳米）/非氧化物陶瓷（非晶态）等。
上述材料的涂层硬度多为hrc55—66，高者可达hrc70上下。综合当前国内外此类产品及所涉及到技术性能的有关文献，可归纳以下几点：
● 涂层的耐磨性并非由含镍的多寡而定，相反，某些著名的耐磨涂层材料中并不含镍或含镍很少。
● 涂层的耐磨性与涂层材料的构成类型、微观结构、孔隙大小、硬度高低、硬质相特性及分布、结合强度、内聚强度等因素有关。
● 绝大部份耐磨材料都含cr，它往往是涂层耐磨与耐蚀的双重要素。
● 粉芯材料的最新发展是非晶态与纳米结构，它们会明显提高涂层的耐磨性及其它特性。
6.3 lx88a--实用范例
lx88a电弧喷涂丝材由北京廊桥表面技术发展有限公司研制，推向市场达七八年，已成为行业内的驰名品牌，总喷涂面积数十万平米，涉及工程项目逾千项。
lx88a丝材属铁基粉芯丝，粉芯为非氧化物特殊陶瓷及其它成份。涂层坚硬致密、hrc70，结合强度60mpa、孔隙率低、耐高温抗氧化、抗热冲、导热性及热胀系数与炉管十分接近。上述性能均为国家级检测部门测试结果。电厂客户评价良好，2005年通过国家级技术鉴定。
可从三个方面评价lx88a的耐磨性：
（1）八年来施工项目多，面积大，遍及全国各地，据250多项的追踪调查，出现质量事故不足5项工程，且事出有因。涂层工作寿命12-18个月，其中最长者为48个月（四川东河电厂，未喷涂时炉管磨损2mm/年） 最短者仅为8个月（该电厂炉管焊缝距离浇注料为0.5m，涂层在焊缝处失效）。
（2）为了客观评价其耐磨性，将lx88a电弧与hvof涂层进行了对比测定。hvof采用metco dj2700（此枪性能好于metco dj型），粉末采用metco公司的diamalloy3007 (cr3c220nicr) ， lx88a用国产电弧喷枪，各自喷涂试片，由权威检测部门测试二者的耐冲蚀性能，测试结果为：在冲蚀角为90o时，二者相同（0.57/0.57 mg/g ），在30o时，lx88a则好于前者（0.52/0.57 mg/g）。
（3）在另外的耐冲蚀对比测试中，温度为320℃，冲蚀角30o，lx88a电弧喷涂层的耐冲蚀性，是45号钢的9倍，是fe29cr合金钢的6.7倍，而在高温中的耐磨性差别更大。需要提出的是，lx88a涂层的失效几乎全是磨损，基本未发现涂层的脱落。涂层磨损程度并不均等，多发生在焊缝接口、浇注料终端处、炉膛四角及不规则区。失效面积仅占总喷涂面积的百分之几。
7、存在问题
（1）尽管热喷涂（主要是电弧喷涂）对cfb锅炉的防磨能收到一定成效，但并非十分如愿，只能起到减缓与控制的作用。
喷涂材料与喷涂方法是决定涂层性能的两大要素，为进一步提高lx88a涂层的耐磨性，应采用更高速度的电弧喷涂设备。
（2）涂层的减薄不均等，大多情况下只是局部磨损严重，补喷或修复在所难免，而补修时新旧涂层的结合部位难以做到十分平滑。
（3）旧涂层的去除十分困难，采用喷砂，砂轮打磨，化学刻蚀等方法均不如愿，旧涂层不彻底去除，难以沉积新涂层。
（4）有些电厂客户判别涂层材料耐磨性好坏的依据不够正确，往往把镍含量的多少作为判定标准。若将此改为对该材料的喷涂层性能提出要求（如涂层结合强度、硬度、金相结构、耐磨性能、孔隙率、导热性等），则更为客观一些。镍对涂层的耐腐蚀性是重要的，但对耐磨性不是必要因素。
（5）喷涂工程的收费逐年下降，每平米由前几年四五仟元降至目前的一两仟元，而材料制作成本及人工费逐年上升，造成喷涂施工企业及材料生产单位的利润空间越来越小。
（6）喷涂工程的某些从业单位，经营作风不够踏实，为追逐利润，占据市场，竟相说大话，广告语言夸大其词，无序竞争，直至施工粗劣，不讲质量，给行业名声造成不良影响。对技术的健康发展带来干扰。
（7）由于复杂的社会因素，导致某些招投标流于形式，一些不规范运作渗入其中。市场竞争的规范化，急待管理部门的有效监管及有关企业本身的严格自律。
参考文献
1、s.zimmermann et al
ｄｈｒomium carbide coatings produced with various hvof spray systems.
wear 258(2005)147-152.
2、nestler et al
hvof spraying vs.hard ｄｈｒome plating-coating ｃｈａｒac- teristics ａｎｄ aircraft applications.
itsc，1998 nice.france 1998.p1073-1078.
3、kenichi sugiyama et al
slurry wear ａｎｄ cavitation erosion of thermal-sprayed cermets.
wear 258(2005) 768-775.
4、bugian wang
erosion-corrosion of thenmal sprayed coalings in fbc boilers.
wear.199(1996) 24-32.
5、metco tech.bulletin (4.5.2000)
6、 b.wielage et al
hvof sprayed titanium carbide composite coalings for wear proteclion.
j of thermal spray tech.10(4)2001.537-542.
7、g.irons.et al
thermal spray alternatives for electroplated ｄｈｒomium.
thermal spray:practical solution for engineering problems. asm.ohio-usa 1996.
8、s.dallaire:“hard arc-sprayed coaliong with enhanced erosion ａｎｄ abrasion wear resistance”.
itsc，2000.montreal.p575-582.
作者简介：贾永昌，教授级高工，政府特殊津贴专家，从事热喷涂技术达30余年。
通信地址：北京西三环北路87号a1503
联系电话：13910861684
