复合添加耐蚀元素对700℃级超超临界锅炉用Ni-Fe基合金烟气腐蚀性能的影响及腐蚀机理研究

Coal-ash corrosion resistance must be considered when the design material is used for superheater/reheater tubing in Advanced Ultra- supercritical boiler (A-USC). Among the candidate materials, Ni-Fe based superalloys attract great attention because of its high performance/cost and workability. However, coal-ash corrosion behaviors concerning these alloys in A-USC boiler are still unclear. There is no report on the interaction effects and synergy mechanisms of the corrosion elements in alloys. In the present research,coal-ash corrosion behaviors including the formation and evolution of the corrosion layer in various of flue gas and coal-ash component environments for newly developed Ni-Fe based alloys with optimum consistent of Cr, Al, Si and RE will be investigated by a variety of analytical methods (X-ray diffraction, scanning electron microscopy, spectroscopy, transmission electron microscopy, etc.). The candidate materials including Inconel 740H, CCA617 and GH2984 are also investigated. The synergy effect of anti-corrosion elements against high temperature corrosion performance of Fe-Ni based alloys will be studied. The interaction effect, synergy mechanism and equivalent conversion mode of the anti-corrosion elements will be revealed. The equivalent relationship between the necessary content and type of anti-corrosion elements will be clarified for Ni-Fe based alloy used for 700℃-level A-USC boiler. The present results will provide a theoretical basis and new way for the design of alloy used in this area.

抗烟气腐蚀能力是设计超超临界锅炉关键部件过热器/再热器合金必须考量的重要指标，Ni-Fe基合金因其较高的性价比和热加工性能是重点考察的700℃ 级过热器候选材料之一。但目前对该类合金高温烟气腐蚀行为和机理还缺乏了解，尤其对合金所含多种耐蚀元素时的交互影响及协同作用，国内外尚无报导。本课题拟以申请者新研发的Ni-Fe基合金和重点考察的Inconel 740H, CCA617、GH2984为样本，通过对耐蚀元素Cr、Al、Si及RE的优化，采用多种手段(X射线衍射、扫描电镜、能谱、透射电镜等)，观察合金在多种烟气及煤灰积层中腐蚀层的形成及演化规律；探讨各耐蚀元素对合金高温烟气腐蚀性能的影响；揭示高温烟气腐蚀机理；阐明多元耐蚀元素的交互作用规律、协同作用机理及耐蚀元素当量的换算模式；提出设计700℃级电站锅炉用合金所必需的较佳耐蚀元素组合；为合金设计提供理论依据与新思路。

Ni-Fe 基合金因其较高的性价比和热加工性能是重点考察的 700℃ 级过热器候选材料之一。但目前对该类合金高温烟气腐蚀行为和机理还缺乏了解，尤其对合金所含多种耐蚀元素时的交互影响及协同作用，国内外尚无报导。本课题拟以申请人参与研发的 Ni-Fe 基合金和重点考察的商业候选合金 Inconel 740H, CCA617、 GH2984 为样本，通过对耐蚀元素 Cr、 Al、 Si 及 RE的优化，采用多种手段观察了合金在多种烟气及煤灰积层中腐蚀层的形成及演化规律；探讨各耐蚀元素对合金高温烟气腐蚀性能的影响；揭示高温烟气腐蚀机理；阐明多元耐蚀元素的交互作用规律、协同作用机理及耐蚀元素当量的换算模式；提出设计 700℃级电站锅炉用合金所必需的较佳耐蚀元素组合，为合金设计提供理论依据与新思路。.本项目利用材料计算软件筛选满足力学性能的合金体系，然后通过改变合金成分来研究合金元素对腐蚀性能的影响及相互作用规律。研究了合金元素 Cr、 Al、 Si、 W 和 Mo 等元素对模型合金 750℃和850℃抗模拟烟灰/烟气腐蚀规律， 确定了合金抗腐蚀性能的成分优化范围，研究了Cr/Al/Si耐蚀元素含量、W/Mo等难熔金属元素以及稀土RE含量对合金模拟烟气/灰腐蚀行为的影响，研究了环境因素（温度、硫含量、NaCl含量）对合金模拟烟气/灰腐蚀行为的影响及腐蚀机理研究。.研究结果表明，合金的腐蚀过程中主要腐蚀因素来自碱金属硫酸盐溶解加速作用。腐蚀初期，合金表面生长了Fe2O3和Cr2O3混合氧化膜，同时涂覆煤灰中的硫酸盐（NaSO4 K2SO4）与气氛中SO2/O2及Fe2O3氧化膜发生反应，提高腐蚀温度（从700℃提高到750℃），加速了碱金属盐溶解作用，致使氧化膜遭到破坏。介质中O/S渗透进入内部与Fe、Cr等元素发应形成Fe2O3 、Cr2O3和CrSx等，模拟腐蚀气氛中添加 NaCl加速了自主研发的产业化级合金腐蚀产物剥落， 700℃、 750℃腐蚀 500h 过程中，腐蚀增重曲线出现了因剥落造成的明显波动。煤灰中添加 NaCl未改变腐蚀产物物相。.受本项目资助，共发表论文14篇（SCI期刊论文8篇），申报发明专利1项，联合培养硕士研究生1名。