火焰喷涂涂层在H?O、CO?和SO?环境中的高温腐蚀机制：以回收的316L/Z100合金钢为例

《Surface and Coatings Technology》：High temperature corrosion mechanism of flame sprayed coatings in H 2O, CO 2 and SO 2: a case for recycled, mixed 316L/Z100 steels

高温蒸汽、二氧化碳和二氧化硫环境下火焰喷涂304L及316L/Z100再生涂层腐蚀机制研究。发现不同气体环境下氧化动力学差异显著，蒸汽和二氧化碳呈现分阶段氧化特性，而二氧化硫引发硫化物形成。XRD和SEM/EDS分析显示涂层相组成及结构差异导致保护层性能不同，再生涂层在蒸汽中表现出更好耐蚀性，但二氧化硫环境下硫化层破坏加速腐蚀。

　　本研究探讨了火焰喷涂涂层在高温蒸汽、二氧化碳和二氧化硫气氛中的腐蚀机制。这些气氛在工业环境中非常常见，尤其是在能源行业，如燃煤电厂以及正在开发的超临界和超超临界系统中。尽管已有大量文献关注空气中的高温腐蚀，但对这些复杂气氛中涂层材料的降解机制研究仍显不足，特别是由回收材料制成的涂层。因此，本研究通过在700°C条件下进行腐蚀测试，对两种类型涂层的高温腐蚀行为进行了系统分析，为未来使用回收材料制造涂层提供了理论依据和技术支持。

研究中采用的两种涂层分别为商用304L不锈钢粉末和由316L/Z100不锈钢废料混合制成的回收粉末。这两种材料在化学成分上略有差异，且由于制造工艺的不同，其微观结构也存在显著区别。火焰喷涂是一种广泛应用的表面处理技术，它能够生产出与铸态材料不同的微观结构和相组成。这种差异可能对高温腐蚀的机制和速率产生重要影响。因此，本研究不仅关注材料本身的性能，还特别探讨了制造过程对腐蚀行为的影响。

在高温环境下，腐蚀机制通常受到多种因素的共同作用。首先，腐蚀气氛中的氧分压对氧化反应的速率和产物具有决定性影响。在蒸汽、二氧化碳和二氧化硫气氛中，氧的来源不同，且其分压变化显著。例如，在蒸汽气氛中，水的高温分解会产生氢气和氧气，而二氧化碳则可能通过分解生成一氧化碳和氧气。二氧化硫则可能在高温下分解为硫和氧气。这些不同的反应路径会导致不同的氧化产物形成，并影响腐蚀速率。研究发现，蒸汽和二氧化碳气氛下的氧化动力学在不同阶段表现出不同的行为，而二氧化硫气氛则导致不同的氧化模式。

在腐蚀初期，即前168小时，蒸汽和二氧化碳气氛下的氧化动力学遵循立方规律，这表明氧化反应速率与时间的立方成正比。然而，在后续阶段，蒸汽气氛下的氧化动力学转变为抛物线规律，而二氧化碳气氛下的氧化动力学则表现出线性增长。这种变化可能与“突破氧化”现象有关，即在氧化层形成过程中，由于氧化层的不完整性或某些元素的扩散限制，导致氧化速率的突然变化。相比之下，二氧化硫气氛下的氧化动力学在两个阶段均表现出线性增长，这可能是由于硫化物的形成改变了氧化层的结构和性质。

在蒸汽气氛中，氧化层主要由外延生长的氧化铁（Fe?O?或Fe?O?）组成。这些氧化物的形成可能受到涂层内部氧化和微观结构的影响。火焰喷涂过程中，由于喷涂颗粒的快速冷却和凝固，涂层内部可能存在一定的氧化现象，这可能影响氧化层的致密性和稳定性。此外，涂层的微观结构，如溅射结构（splat-based microstructure），也可能对氧化层的形成和生长产生影响。溅射结构通常由不规则的颗粒组成，这些颗粒在高温下可能经历不同的氧化过程，导致氧化层的不均匀性。

在二氧化碳气氛中，腐蚀主要表现为碳化现象。由于二氧化碳在高温下分解为一氧化碳和氧气，这可能导致材料内部的碳扩散和晶界碳化物的形成。这些碳化物的形成会降低铬的局部活性，从而影响氧化层的形成和稳定性。研究发现，这种碳化过程在蒸汽和二氧化碳气氛中均发生，但其影响程度可能有所不同。此外，二氧化碳气氛中的氧化动力学变化可能与氧化层的结构变化有关，如氧化层的厚度和致密性。

在二氧化硫气氛中，腐蚀主要表现为硫化现象。由于二氧化硫在高温下分解为硫和氧气，这可能导致材料表面形成硫化物。硫化物的形成会干扰氧化层的形成，进而影响材料的耐腐蚀性能。研究发现，二氧化硫气氛下的氧化动力学在两个阶段均表现出线性增长，这可能与硫化物的形成和氧化层的结构变化有关。此外，二氧化硫气氛中的硫化现象可能对材料的机械性能产生不利影响，如导致表面裂纹的形成。

本研究的结果与文献中报道的均匀材料的腐蚀行为存在显著差异。这表明，涂层的微观结构和制造工艺对高温腐蚀机制具有重要影响。回收材料制成的涂层可能在某些方面表现出不同的腐蚀行为，这可能是由于其化学成分和微观结构的不均匀性所致。因此，未来在使用回收材料制造涂层时，需要特别关注其化学成分和微观结构对腐蚀行为的影响。

研究还指出，回收材料的使用可能带来一些挑战，如关键元素（如铬）的流失和材料污染。这些因素可能影响涂层的性能和寿命。然而，回收材料的使用也有其优势，如降低生产成本和减少碳足迹。因此，如何在保证涂层性能的前提下，优化回收材料的使用，是未来研究的重要方向。

此外，研究还强调了高温腐蚀动力学的复杂性。在不同气氛中，氧化层的形成和生长可能遵循不同的动力学规律，这需要通过详细的实验和分析来理解。例如，在蒸汽气氛中，氧化层的形成可能受到多种因素的影响，包括氧分压、温度、材料成分以及涂层的微观结构。因此，未来的腐蚀研究需要综合考虑这些因素，以更全面地理解材料在高温环境下的行为。

总的来说，本研究通过系统的实验和分析，揭示了火焰喷涂涂层在高温蒸汽、二氧化碳和二氧化硫气氛中的腐蚀机制。研究结果不仅有助于理解材料在复杂气氛中的行为，还为未来使用回收材料制造涂层提供了重要的参考。未来的研究可以进一步探讨不同气氛对涂层性能的影响，以及如何通过优化制造工艺和材料成分来提高涂层的耐腐蚀性能。