摘要
冲蚀磨损是指液体或固体以松散的小颗粒按一定的速度或角度对材料表面进行冲击所造成的一种材料损耗现象或过程。它广泛存在于多种工业生产之中，造成的设备损坏给生产带来了巨大损失。由于我国电站锅炉和工业锅炉以燃煤为主，冲蚀磨损对锅炉管壁的磨损尤为严重。为控制损失的产生及加剧，近年来国内外专家学者对此进行了多方面的研究。热喷涂技术对锅炉管道进行表面强化处理已被广泛采用。但是现有的涂层还不能满足需要，开发性能优良的涂层，需要更好测试方法来对其进行检测。 常温下冲蚀磨损的测试方法并不适用于高温环境，而在我国尚缺少一种科学的高温冲蚀磨损测试方法，从而严重影响了高性能耐磨蚀涂层的测试与研发。本文的目的便是设计并制造出一种与燃煤锅炉工况相符的新型高温冲蚀磨损试验装置，并对其进行调试，以便用其对热喷涂涂层的耐高温冲蚀性能进行测试。 试验结果表明，自行研制的高温磨粒磨损试验装置操作方便，运行稳定，数据可靠；涂层高温磨粒磨损试验中，
关键词 高温冲蚀磨损；热喷涂涂层；离心式磨损试验机
ABSTRACT
Key words
1. 绪论
1.1课题背景
冲蚀磨损是指液体或固体以松散的小颗粒按一定的速度或角度对材料表面进行冲击所造成的一种材料损耗现象或过程。 它广泛存在于机械、冶金、能源、建材、航空、航天等许多工业部门,已成为材料破坏或设备失效的重要原因之一[1] 。据有关资料统计：在所有发生事故的锅炉管道中约有1/3是由于冲蚀磨损造成的；在用管道输送物料的气动运输装置中, 弯头处的冲蚀磨损比直通部分的磨损大约严重50倍；泥浆泵、杂质泵的过流部件损坏约有50%以上是由冲蚀磨损引起的[2]。我国电站锅炉和工业锅炉以燃煤为主。动力用煤质量低劣，含灰量和含硫量均较高,特别是燃煤电厂的高温高压燃煤锅炉的水冷壁管、过热器管、再热器管、省煤器管(简称锅炉“四管”)因受高温氧化、热腐蚀和冲蚀的影响，壁厚减薄严重，极易造成泄漏和爆管事故,给锅炉的运行带来了多方面的损失。
在这其中，一些在特殊工作环境下服役的设备，如近年发展起来的循环流化床锅炉，由于循环流化床锅炉烟气中含有大量的飞灰颗粒，这些灰粒高速冲刷锅炉金属管壁，管壁的磨损减薄比传统燃煤锅炉更为严重，受其特殊的燃烧方式以及其他一些因素的影响，每年减薄约2-4mm使得停机频率增加，抢修时间延长，严重影响了电力的正常供应。有研究表明，循环流化床锅炉管壁的破坏主要是高温冲蚀和磨损造成。锅炉内受热面的高温磨蚀问题相当严重，尤其是高温冲蚀磨损给停炉维修造成了巨大的经济损失。因此,如何采取有效方法对锅炉“四管”和循环流化床锅炉管壁进行防护,防止爆管和泄漏事故的发生,延长其使用寿命,是国内外有关人员长期重点关注的问题。[3]。
为有效地控制和减少高温冲蚀磨损造成的损耗,提高设备和材料的使用寿命,近年来国内外专家学者对此进行了多方面的研究。传统的解决方法是通过更换失效的锅炉管来进行的，然而更换管子既费时又昂贵，因此很快被表面强化处理所代替。电站锅炉和循环流化床的高温磨损严重影响了锅炉管道的使用寿命。因此寻求一种耐高温磨损的材料进行防护显得尤为重要。
热喷涂技术的发展为对锅炉管道进行表面强化处理提供了技术上的保证，在国内外得到了
广泛的应用。但是现有的涂层还不能满足需要，开发性能优良的涂层，需要更好测试方法来对其进行检测。
目前采用对热喷涂涂层高温磨蚀性能的测试评价方法主要是通过常温磨蚀方法，实机测试方法，高温摩擦试验方法和高温冲蚀方法[15-18]。常温磨蚀方法来评价涂层的高温磨蚀性能不够科学，不能完全代替热喷涂涂层的高温磨蚀性能。采用实机测试方法来研制高温耐磨蚀涂层，费用极高，周期长，而且很难进行试验。高温摩擦方法与实际工况相差比较远，并且涂层试样制备要求严格，表面光洁度要求太高。冲蚀试验在评价涂层高温磨蚀方面也有很大的不足，试样为长方体，六个表面仅一个表面制备有涂层，而其他表面会因高温氧化而产生增重；为了能够减少氧化增重的影响，在试样表面需要渗铝等工艺，试样制备复杂；试验的时间比较短；并且磨砂流速和流量的稳定性也存在着一定的问题；测试中高速运动的磨砂产生的散射，也会与长方体试样的非测试表面产生冲撞，这也会给测量结果的准确性带来影响。要准确地评价在高温磨损工况条件下涂层的高温耐磨性能，为该工况下合理选材和研究新的涂层提供依据，研制能够模拟工况的高温磨损试验装置和更科学的试验方法是急待解决的问题。
而在我国尚缺少一种科学的高温冲蚀磨损测试方法，从而严重影响了高性能耐磨蚀涂层的研发。本课题在研究国内外高温冲蚀试验方法的基础上，自行研制了一种与燃煤锅炉工况相符的高温冲蚀磨损试验方法，并用其测试耐高温冲蚀磨损涂层的性能。
1.2国内外高温冲蚀试验设备及测试方法的研究现状
磨损试验方法是磨损研究中的一个复杂的问题，至今尚未就如何分类取得一致意见。磨损确切的说是一种系统性质，它取决于所有参与磨损的构件和物料相互的作用状况[15]。
实验室冲蚀设备可以根据粒子获得速度或使它达到与靶材相对速度的办法分类:即真空中自由落体式、气流喷砂式、旋转臂式、离心加速式等四类[16]。
1.2.1气流喷砂式
早期的磨损试验机的研究主要是常温条件下的，主要是针对不同的磨损试验方法，能够在常温条件下评价涂层的耐磨性能。随着试验机的发展，由原来的比较单一的磨损到现在的磨损和其他因素共同作用的情况，比如高温磨损和腐蚀磨损等。
国外科技工作者很早就设计了各种类型的冲蚀设备，以便在探索冲蚀机理的同时对发展耐冲蚀材料及工艺提供评价手段。气流喷砂式设备是目前最常用的实验方法[17]，它是利用高速气流携带砂粒完成冲蚀过程。最具代表性的是加州大伯克利分校Lawrence试验室设计使用立式喷砂式冲蚀设备，如图1所示，此设备只能在室温下工作，如将试验容器改为管式炉，可用来测定材料的高温下的冲蚀率。
此设备的特点是用电磁震动式送料器将冲蚀粒子加入主气流中。为使粒子达到一定速度并保持气流压力稳定，在喷嘴前设有一长的直管。而且粒子速度可以通过气流加以调节，采用双转盘法测定喷嘴出口处的粒子速度。这种测速装置结构简单，如图1右所示，在第一盘上设置一狭缝。当盘不旋转时，由喷嘴射出的砂粒可通过此缝在第二盘上冲蚀出一个标记。随后以高速旋转此同轴的双盘，继续作冲蚀，便可以在第二盘后得到第二个标记。如两盘相距为L，两冲蚀标记间的弧度为S，弧半径为R，转盘的角度为ω。则粒子速度为:Vp=2πRωL/S
图1 加州大伯克利分校气流喷砂式冲蚀设备 图2 GW/CS-MS高温冲蚀装置结构示意图
目前，我国使用较广的高温冲蚀设备是装甲兵工程学院研制的GW/CS-MS型垂直气-砂喷射式高温冲蚀磨损试验装置真空床[1]，参照ASTM G76-95标准进行设计，如图所示2。其特点是在大气气氛下，利用压缩气体携带磨粒对试样进行冲蚀，试样采用热电偶进行加热；冲蚀环境模拟电站锅炉受热面所受的高温冲蚀磨损的实际工况。
浙江大学的刘少光于上世纪90年代初设计并制造了一种循环式高温冲蚀磨损试验机，整个试验装置为全密封系统，采用罗茨风机提供风力，通过控制风机转速调节送风量来控制砂粒速度，试验中选用一定比例的CO2和N2作为烟气在系统中循环。此设备与燃煤锅炉省煤器管道的实际工作条件对应性好，试验数据能确切反映实际情况，但是，该试验装置过于复杂，制造成本很高，试验周期较长，运行费用也相当大[2]。因此，该作者在综合比较国内外不同结构的高温冲蚀磨损试验装置的优缺点后，又设计出增压式分段加热高温冲蚀试验设备，它由加热系统、送风系统、混合系统、冲蚀系统、控制系统五部分组成，如图3所示。
图3 增压式分段加热高温冲蚀试验设备
该高温加热器结构形式为卧式圆筒加热炉，增压式加料器由无缝钢管焊接而成，其入口装有加料密封阀门，出口有出料阀门，筒壁接入压缩空气。采用分段加热方式分别对冲蚀气流和试样加热，不仅温度控制和调节方便、准确，而且结构简单，试样可为块状或管状形式。
上述喷砂型冲蚀试验机的缺点是气砂混合不易均匀；粒子速度与气流速度有明显偏离且粒子速度不易控制；每次冲蚀试验只允许放一个试样。因此，试验效率比较低，而且无法较好地在同条件下实现对不同攻角、不同材料的样品进行冲蚀对比。
1.2.2真空自由落砂式
真空自由落砂式是利用重力使粒子作自由落体运动产生的动能对试样进行冲击。真空中粒子不受阻力的影响，而且试样不会被氧化。西安建筑科技大学的胡水等自制了一台自由落体式高温冲蚀设备，此设备中磨料的冲击速度不需要用双盘测速仪或激光测速仪等复杂仪器测定，可直接计算。磨料的流量和与试样碰撞时的能量，以及测定材料高温耐磨性的试验过程中的试样温度均可以精确测定和控制，可以模拟工业窑炉衬里耐火材料受冲蚀磨损工矿。西安建筑科技大学利用自由落体原理设计了一台自由落体式高温冲蚀设[26]，此设备简单便于操作，但由于要使粒子下落的速度足够大，输送砂粒的导管需要很长,这在实验室里很难做到。
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