漿液沖擊角度對Cr30A高鉻鑄鐵沖蝕行為的影響

何建軍，周承偉，余仁強，李 微，任延杰，鮑江涌

(長沙理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，長沙 410114)

0 引 言

脫硫漿液循環(huán)泵是濕法脫硫系統(tǒng)中的關(guān)鍵和核心設(shè)備之一。特定的服役環(huán)境要求脫硫漿液循環(huán)泵具備優(yōu)異的耐磨耐腐蝕性能，以適應(yīng)長時間漿液的沖蝕磨損[1-2]。沖蝕磨損是由多相流動介質(zhì)沖擊材料表面造成的一類磨損，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中常見的一種磨損形式，也是造成機器設(shè)備及其零部件損壞報廢的重要原因之一[3-4]。在脫硫漿液循環(huán)泵工作的具體工況中，漿液沖蝕間的交互作用是循環(huán)泵壽命縮短的重要原因[5-7]。

目前，脫硫漿液循環(huán)泵破壞最嚴重的部分是受到脫硫漿液沖擊的過流件及周圍配套零件。在火電廠濕法脫硫漿液循環(huán)泵運行過程中，脫硫漿液循環(huán)泵的過流件同時受到漿液的腐蝕和漿液中固體顆粒的沖擊，過流件局部損傷十分嚴重。由于循環(huán)泵工作過程中過流件各個部分的沖蝕環(huán)境不同，尤其是漿液沖擊角度的不同造成不同部位存在輕重不一的沖蝕損傷[8-9]。在實際工況下受到漿液沖蝕損傷最明顯的部分包含泵殼、前后護板、葉輪、軸封、軸套、吸入口等。其中，葉輪主要受漿液的小角度沖擊而出現(xiàn)切削損傷，泵殼主要受漿液的大角度沖擊而出現(xiàn)塊狀脫落，流道壁面在脫硫漿液的循環(huán)輸送過程中受到近平行角度沖擊而出現(xiàn)損傷，護板主要受漿液的接近垂直方向的沖擊而出現(xiàn)損傷。

Cr30A高鉻鑄鐵具有良好的抗沖蝕性能[10]，是脫硫漿液循環(huán)泵過流件的主要材料之一。STACK等[11]在失效機理的基礎(chǔ)上通過分析沖蝕過程中造成材料破壞的過渡邊界因素，總結(jié)出了高鉻鑄鐵的失效行為規(guī)律。TIAN等[12]分析了在不同介質(zhì)濃度、漿液溫度和固體磨粒尺寸下，高鉻鑄鐵的腐蝕磨損失效機理變化。CHUNG等[13]研究發(fā)現(xiàn)，隨著沖擊載荷的增大，高鉻鑄鐵的質(zhì)量損失呈指數(shù)增大。王陽陽等[14]分析了沖蝕角、沖蝕時間和沖蝕砂粒徑對高鉻鑄鐵沖蝕磨損性能的影響。李秀蘭等[15]研究了不同鉻含量的高鉻鑄鐵在液-固兩相流中的沖蝕磨損行為，發(fā)現(xiàn)高鉻含量鑄鐵的抗沖蝕能力較強。但是，目前對Cr30A高鉻鑄鐵沖蝕失效規(guī)律與機理的研究不多，尤其是不同漿液沖擊角度對Cr30A高鉻鑄鐵沖蝕行為影響方面的研究更少。因此，作者以濕法脫硫漿液循環(huán)泵脫硫工況為背景，研究了不同漿液沖擊角度下Cr30A高鉻鑄鐵在NaCl溶液+石英砂酸性漿液介質(zhì)中的沖蝕行為與沖蝕交互失效機理，為脫硫系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行和脫硫漿液循環(huán)泵使用壽命的提高提供試驗數(shù)據(jù)。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料選用第三代全金屬泵用Cr30A高鉻鑄鐵。Cr30A高鉻鑄鐵屬于雙相耐磨耐蝕合金，該合金在原有Cr30合金基礎(chǔ)上通過添加新的合金成分鎳和銅元素，并改變了原組織結(jié)構(gòu)而獲得了耐磨耐蝕性能的提升[16]。Cr30A高鉻鑄鐵的硬度達48 HRC左右，化學(xué)成分如表1所示。在試驗材料上截取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的立方體試樣，依次用240#，400#，800#，1200#和2000#的砂紙打磨表面，拋光，在無水乙醇中超聲清洗10 min，烘干后待用。

表1 Cr30A高鉻鑄鐵的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))

采用如圖1所示的自制裝置進行沖蝕試驗，試驗過程中將立方體試樣貼在容器內(nèi)壁上，通過調(diào)節(jié)攪拌葉片的旋轉(zhuǎn)速度來控制漿液的沖擊速度，通過調(diào)整試樣的受沖擊面來設(shè)置漿液對試樣表面的沖擊角度(定義為漿液沖擊方向與沖擊表面夾角)。在試驗中保留試樣的其中一個表面進行沖蝕試驗，其他表面采用耐磨抗蝕聚合材料進行預(yù)保護處理。根據(jù)脫硫漿液循環(huán)泵過流件的實際運行工況，漿液的沖擊角度設(shè)為0°，30°，60°，90°，葉片旋轉(zhuǎn)速度為1 000 r·min-1。配制的脫硫漿液組成為質(zhì)量分數(shù)3.5% NaCl溶液+石英砂，二者的質(zhì)量比3∶1，其中石英砂粒徑為180～250 μm，莫氏硬度為7，用體積分數(shù)98%硫酸將溶液pH調(diào)至約為4，試驗時間為24 h。試驗結(jié)束后將試樣在無水乙醇中超聲清洗，烘干。采用精度為0.1 mg的電子天平稱取試驗前后試樣的質(zhì)量，計算單位面積的質(zhì)量損失ΔW，計算公式為

ΔW=(m0-mt)/S

(1)

式中：m0為沖蝕試驗前試樣的質(zhì)量；mt為沖蝕試驗后試樣的質(zhì)量；S為試樣受沖擊面的面積。

圖1 自制沖蝕試驗裝置示意

沖蝕試驗結(jié)束后，采用SM-6700F型掃描電鏡(SEM)觀察試樣的表面形貌。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 0°沖擊時的沖蝕行為

圖2 漿液以0°角度沖擊Cr30A鑄鐵后的沖蝕表面與截面形貌

當(dāng)漿液的沖擊角度為0°時(漿液平行沖擊)，Cr30A高鉻鑄鐵的平均單位面積質(zhì)量損失為141.59 mg·cm-2。由圖2可知，在沖擊角度為0°時，試樣表面比較平整，少量基體遭到磨損，不存在明顯塑性變形和坑洞，但試樣表面切削痕跡明顯，同時晶界腐蝕后受漿液沖擊而出現(xiàn)明顯的材料流失痕跡。在漿液沖擊角度為0°，即平行沖擊試樣表面時，試樣表面主要受到切向力作用，而法向沖擊力幾乎為0，所以漿液中的石英砂顆粒不會壓入試樣表面。Cr30A鑄鐵硬度高，石英砂顆粒尖角部分在切應(yīng)力作用下對其只產(chǎn)生顯微切削作用，因此表面觀察到明顯的顯微切削形貌。可知，Cr30A高鉻鑄鐵在漿液平行沖擊下的沖蝕機制以顯微切削為主。

2.2 30°沖擊時的沖蝕行為

圖3 漿液以30°角度沖擊Cr30A鑄鐵后的沖蝕表面與截面形貌

當(dāng)漿液的沖擊角度為30°時，Cr30A高鉻鑄鐵的平均單位面積質(zhì)量損失為340.75 mg·cm-2。由圖3可以看出：當(dāng)沖擊角度為30°時，試樣表面存在明顯的切削和犁削痕跡，以及擠出棱和沖擊坑，并且沖擊坑周圍材料存在因漿液的二次切削作用而減少的現(xiàn)象，這說明試樣表面出現(xiàn)了一定程度的塑性變形；試樣表層發(fā)生了一定程度的擠壓塑性變形，存在由漿液沖擊而形成的坑洞，且腐蝕痕跡明顯。當(dāng)腐蝕漿液以小角度沖擊試樣表面時，試樣表面同時受到了切向力和法向力的作用[13]。石英砂顆粒在法向沖擊力作用下壓入試樣表面，然后在切向力作用下滑動，擠壓材料使其發(fā)生塑性變形，并形成擠出棱和坑洞。Cr30A高鉻鑄鐵雖然硬度高但韌性較低，這導(dǎo)致該材料受沖擊時極易發(fā)生變形而斷裂脫落。在小角度反復(fù)沖擊作用下，試樣表層發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致亞表層發(fā)生加工硬化；加工硬化層具有更高的硬度但相應(yīng)的韌性會進一步降低，多次塑性變形導(dǎo)致試樣內(nèi)部產(chǎn)生變形損傷以及各種結(jié)構(gòu)缺陷，裂紋便在這些區(qū)域萌生。由沖蝕截面形貌可以看出，裂紋萌生于試樣亞表層中硬化層與非硬化層的交界處，并在表層截面中沿近似平行于沖擊表面方向擴展，最終導(dǎo)致試樣發(fā)生淺層片狀疲勞剝落。

2.3 60°沖擊時的沖蝕行為

圖4 漿液以60°角度沖擊Cr30A鑄鐵后的沖蝕表面和截面形貌

當(dāng)漿液的沖擊角度為60°時，Cr30A高鉻鑄鐵的平均單位面積質(zhì)量損失為427.26 mg·cm-2。由圖4(a)可以看出：當(dāng)漿液的沖擊角度為60°時，試樣表面存在明顯的塑性變形，表層塑性流變量大，同時試樣表面分布著由漿液不斷沖擊形成的坑洞，且在坑洞邊緣存在明顯的材料堆積現(xiàn)象；試樣表層截面出現(xiàn)由漿液沖擊造成的沖擊腐蝕坑，并且在坑洞底部存在裂紋，裂紋周圍的基體受到嚴重腐蝕。當(dāng)漿液以大角度沖擊試樣表面時，試樣表面受到的法向壓應(yīng)力使得石英砂顆粒易壓入試樣表面，并在切向力作用下擠過金屬材料而形成犁溝；但由于在沖蝕過程中試樣表面承受的切向力較小，漿液對試樣表面擠出產(chǎn)物的去除能力不強，因此在試樣表面出現(xiàn)材料堆積現(xiàn)象。材料表面發(fā)生的塑性變形會增加腐蝕面積，而且變形材料具有極高的腐蝕活性并與周圍基體組成應(yīng)變差異電池，從而極大促進基體的腐蝕。

2.4 90°沖擊時的沖蝕行為

當(dāng)漿液的沖擊角度為90°時，Cr30A高鉻鑄鐵的平均單位面積質(zhì)量損失為210.48 mg·cm-2。由圖5可以看出，當(dāng)漿液的沖擊角度為90°時，即垂直沖擊試樣時，試樣表面凹凸不平，存在因石英砂沖擊而產(chǎn)生的鑿坑。當(dāng)沖擊角為90°時，試樣表面主要承受法向壓應(yīng)力，切削作用力幾乎為0，同時高鉻鑄鐵中的碳化物可有效抵抗磨料垂直沖擊磨損作用。在沖蝕過程中，鑄鐵中的碳、鉻元素從飽和奧氏體中以Cr23C6形態(tài)析出，造成奧氏體晶界貧鉻、貧碳[13]；碳元素可提高材料的強度與硬度，鉻元素具有很好的鈍化能力可有效抑制腐蝕，而晶界處的貧鉻、貧碳會導(dǎo)致晶界周圍因腐蝕程度增大和硬度下降而更容易遭受石英砂顆粒的沖擊破壞，因此在晶界周圍存在因石英砂顆粒沖擊造成的沖擊坑及表層材料脫落現(xiàn)象。

圖5 漿液以90°角度沖擊Cr30A鑄鐵后的沖蝕表面和截面形貌

2.5 分析與討論

Cr30A鑄鐵在受到漿液的沖蝕作用時，同時存在磨損和腐蝕的交互作用。當(dāng)漿液沖擊角度為0°時，試樣表面平整，且晶界輪廓凸顯，此時質(zhì)量損失的主要原因為腐蝕，由試樣表面的點蝕坑可知其腐蝕機制以點蝕為主；在漿液的沖蝕作用下，試樣表面因腐蝕形成的少量鈍化膜遭到破壞而裸露出金屬表面，此時材料的質(zhì)量損失相對最小。當(dāng)漿液沖擊角度為30°時，試樣表面發(fā)生塑性變形，表面存在擠出棱和坑洞，在腐蝕與磨損的交互作用下，試樣的質(zhì)量損失較大。當(dāng)漿液沖擊角度為60°時，漿液的磨損作用增強，試樣表面發(fā)生大范圍塑性變形，碳化物和擠出棱明顯，坑洞尺寸增大，此時腐蝕與磨損交互作用明顯，腐蝕加速磨損，磨損加速腐蝕，導(dǎo)致材料損失極為嚴重。當(dāng)漿液沖擊角度為90°時，漿液垂直沖擊試樣表面，由于高鉻鑄鐵具有優(yōu)良的抗磨料垂直沖蝕性能，漿液的沖擊作用僅將試樣表面鈍化膜去除，同時晶界周圍出現(xiàn)少量材料脫落現(xiàn)象，因此與漿液以0°角度沖擊后的相比，其質(zhì)量損失稍大，但低于以其他角度沖擊后的。

漿液中固體粒子對試樣表面的作用可以分解為平行于試樣表面的切削作用和垂直于試樣表面的沖擊作用。切削和沖擊使得基體對顆粒的支撐效應(yīng)和顆粒對基體的陰影效應(yīng)受到很大的影響。隨著沖擊角度的變化，切削與沖擊作用的強弱發(fā)生變化，從而影響了材料的沖蝕失效行為[17]。

3 結(jié) 論

(1) 在漿液以60°和30°角度沖擊后，在腐蝕與磨損的交互作用下Cr30A鑄鐵的質(zhì)量損失較大；受到漿液垂直沖擊后，鑄鐵的質(zhì)量損失較小，質(zhì)量損失的主要原因是沖擊磨損；受到漿液平行沖擊后，鑄鐵的質(zhì)量損失最小，質(zhì)量損失的主要原因是點蝕。

(2) 漿液平行沖擊時鑄鐵的沖蝕機理以顯微切削為主；漿液以30°小角度沖擊的沖蝕機理以切削、犁削為主，鑄鐵表面存在擠出棱、沖擊坑以及淺層片狀疲勞剝離現(xiàn)象；漿液以60°大角度沖擊時的沖蝕機理以材料深層大塊脫落和嚴重腐蝕磨損為主，鑄鐵表面存在明顯的塑性變形和腐蝕深坑；漿液垂直沖擊時的沖蝕機理主要是表層材料脫落，并伴隨輕微腐蝕磨損。受到不同角度漿液沖蝕后鑄鐵表面均存在不同程度的腐蝕與磨損的交互作用。