关于采用高速激光熔覆技术在Q245R钢表面制备的Inconel 625涂层的高温熔盐腐蚀性能的研究

《Surfaces and Interfaces》：Investigation on the high-temperature molten salt corrosion properties of the Inconel 625 coatings prepared on Q245R steel by high-speed laser cladding

高速激光熔覆制备Inconel 625涂层，在含NaCl-KCl-Na2SO4-K2SO4混合盐中400-600℃高温腐蚀行为研究表明涂层耐蚀性是基材Q245R钢的两倍，其腐蚀机制随温度变化，600℃时Cr?O?和Ni-rich层显著抑制腐蚀。

　　在当今社会，随着环保意识的提升和资源循环利用的重视，废物焚烧发电技术得到了广泛的应用和发展。然而，这一技术在实际运行过程中面临着诸多挑战，其中高溫腐蝕是影响其稳定性和经济性的重要因素之一。高溫腐蝕不仅会导致材料损耗、泄漏，还可能引发设备非计划停机，从而对整个系统的安全性和使用寿命造成严重影响。因此，研究和开发有效的高溫腐蝕防护措施成为该领域的重要课题。

废物焚烧过程中，燃烧产生的复杂气体、氯化物和硫酸盐等物质在高温环境下会发生剧烈的化学和电化学反应，这些反应不仅对锅炉的受热面产生腐蚀，还可能引发氧化、硫化和氯化等多种形式的材料劣化。特别是在高温操作条件下，氯化物和硫酸盐的协同作用会进一步加剧腐蚀现象。目前，工业界常用的表面保护技术包括陶瓷板、热喷涂、堆焊和激光熔覆等。尽管这些方法在一定程度上能够缓解高溫腐蝕，但它们各自也存在一些局限性。

例如，陶瓷板虽然具有良好的抗腐蚀和抗磨损性能，但由于其脆性特性，涂层的使用寿命难以预测，且在高温下热传导效率较低，影响了能量转换效率。热喷涂技术虽然发展迅速，但其涂层与基材之间的结合力较弱，容易在应力和颗粒冲刷的作用下发生大面积脱落。此外，热喷涂涂层中存在孔隙，即使使用孔隙密封剂，也难以完全防止腐蚀通道的形成。堆焊技术则通常需要较厚的涂层，以确保足够的耐腐蚀性能，但其生产成本较高，限制了其在大规模工业应用中的推广。

针对上述问题，激光熔覆技术因其具有较小的热影响区、较低的稀释率以及良好的冶金结合特性，逐渐成为一种有潜力的表面防护手段。特别是近年来发展起来的高速激光熔覆技术，进一步提升了熔覆效率和涂层质量，为解决高溫腐蝕问题提供了新的思路。高速激光熔覆技术采用同轴粉末输送模式，并通过控制激光束焦点位置与粉末汇聚点之间的相对关系，实现激光与材料的最佳耦合。这一过程使得大部分金属粉末在到达基材之前就已熔化或半熔化，从而显著缩短了粉末在熔池中的暴露时间，减少了热输入，同时形成了微小的熔池。此外，通过高速移动的激光束，熔覆层具有较低的稀释率和表面粗糙度，提高了涂层的均匀性和附着力。

在本研究中，采用了高速激光熔覆技术，将商用的Inconel 625（IN625）合金粉末沉积在Q245R锅炉钢基材上，并在模拟废物焚烧锅炉水冷壁区域的高温环境中，评估其在400°C、500°C和600°C条件下的高溫腐蝕行为。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）和X射线光电子能谱（XPS）等多种分析手段，对熔覆层在高溫腐蝕前后的相组成、微观形貌和元素分布进行了系统研究。同时，通过计算单位面积的重量损失，分析了高溫腐蝕的动力学特性。

研究结果表明，IN625熔覆层在高溫腐蝕环境下的抗腐蚀性能显著优于Q245R钢基材，其抗腐蚀能力约为基材的两倍。这一结果在一定程度上验证了IN625合金在高温环境下的优异性能。进一步的分析发现，IN625熔覆层在不同温度下的高溫腐蝕机制存在差异。在400°C和500°C条件下，主要的防护机制包括Cr?O?氧化层和富含镍的保护层的形成，而在600°C条件下，熔覆层的结构变化可能影响了这些保护层的稳定性。因此，温度是影响熔覆层抗腐蚀性能的重要因素，需要根据具体的应用环境进行优化。

此外，研究还揭示了高溫腐蝕过程中，盐类物质与腐蚀产物之间的相互作用对熔覆层性能的影响。在混合盐环境中，氯化物和硫酸盐的协同作用可能导致了低熔点化合物的形成，从而加速了材料的腐蚀过程。然而，IN625熔覆层通过其独特的微观结构和元素分布，有效抑制了这些低熔点化合物的生成，从而提高了其抗腐蚀能力。这一发现为今后开发更高效的高溫腐蝕防护涂层提供了理论依据。

在实际应用中，高溫腐蝕防护涂层的性能不仅取决于材料的选择，还与熔覆工艺参数密切相关。例如，激光功率、扫描速度、粉末输送速率和气体保护条件等都会对熔覆层的质量和性能产生重要影响。因此，在本研究中，对这些工艺参数进行了系统的优化和控制，以确保熔覆层具有良好的均匀性和附着力。同时，通过实验验证了不同温度条件下熔覆层的腐蚀行为，为工程应用提供了重要的参考数据。

总的来说，本研究通过高速激光熔覆技术制备了IN625合金涂层，并在模拟废物焚烧锅炉水冷壁区域的高温环境中评估了其抗腐蚀性能。研究结果表明，IN625涂层在高溫腐蝕环境下表现出优异的性能，其抗腐蚀能力显著优于基材。此外，不同温度下的腐蚀机制存在差异，Cr?O?氧化层和富含镍的保护层在抑制高溫腐蝕中发挥了关键作用。这些发现不仅有助于理解高溫腐蝕的机理，也为今后开发更高效的高溫腐蝕防护涂层提供了理论支持和技术指导。

在当前的工业实践中，如何在保证涂层性能的同时降低生产成本，是实现高溫腐蝕防护技术广泛应用的关键。高速激光熔覆技术由于其较高的熔覆效率和良好的涂层质量，被认为是一种具有前景的解决方案。然而，该技术在实际应用中仍面临一些挑战，例如设备成本较高、操作要求严格以及对工艺参数的精确控制等。因此，未来的研究需要进一步探索如何优化工艺参数，提高设备的经济性和可靠性，以推动该技术在更大范围内的应用。

同时，研究还指出，传统的激光熔覆技术在实际应用中由于表面粗糙度较高和效率较低，未能在大规模工业环境中得到广泛应用。因此，高速激光熔覆技术的出现，为解决这一问题提供了新的可能性。通过提高激光扫描速度和表面沉积速率，高速激光熔覆能够在较短时间内完成大面积的涂层制备，从而降低了生产成本。此外，其较低的稀释率和良好的冶金结合特性，也使得熔覆层在高温环境下能够保持较高的稳定性，减少材料的损耗和泄漏风险。

在废物焚烧发电技术的发展过程中，提高锅炉系统的安全性和经济性是关键目标之一。高溫腐蝕不仅影响了锅炉的运行效率，还可能导致设备故障和停机，进而影响整个系统的稳定性和可持续性。因此，研究和开发高效的高溫腐蝕防护措施，对于推动废物焚烧发电技术向更高温度和更高效方向发展具有重要意义。IN625涂层在本研究中的优异表现，为今后在高温环境下使用该材料提供了有力的支持。

未来的研究方向可以包括以下几个方面：首先，进一步优化高速激光熔覆的工艺参数，以提高涂层的质量和效率；其次，探索不同合金材料在高溫腐蝕环境下的性能差异，寻找更适用于特定应用场景的材料；再次，研究涂层在长期运行中的性能变化，评估其在实际工况下的使用寿命和可靠性；最后，结合先进的材料设计和表面工程技术，开发更加耐腐蚀、低成本且易于大规模应用的涂层材料。这些研究将有助于推动高溫腐蝕防护技术的发展，提高废物焚烧发电系统的运行效率和安全性。

在实际工程应用中，除了材料和工艺的选择外，还需要考虑环境因素对涂层性能的影响。例如，废物焚烧过程中产生的气体成分、湿度、氧含量以及操作温度等，都会对高溫腐蝕的发生和发展产生重要影响。因此，针对不同的操作条件，需要对涂层材料进行相应的性能评估和优化，以确保其在各种复杂环境下的可靠性。此外，涂层的耐久性和维护成本也是影响其应用的重要因素，因此，开发更加耐用且易于维护的涂层材料，将是未来研究的重点之一。

综上所述，本研究通过高速激光熔覆技术制备了IN625合金涂层，并在模拟高溫腐蝕环境中对其性能进行了系统评估。研究结果表明，该涂层在高温环境下表现出优异的抗腐蚀能力，其性能显著优于基材。同时，不同温度下的腐蚀机制存在差异，这为今后的材料设计和工艺优化提供了重要的理论依据。随着高溫腐蝕防护技术的不断发展，IN625涂层有望在废物焚烧发电系统中发挥更大的作用，提高设备的运行效率和使用寿命，为实现更环保、更高效的能源利用提供支持。