电站循环流化床锅炉水冷壁用HDS65焊丝防磨堆焊层的组织与性能——文献学习体会

文献概况与工程背景

本文发表于《机械工程材料》2025年第49卷第3期，由南昌职业大学工程技术学院与江西恒大高新技术股份有限公司联合完成，受江西省绿色技术创新企业资助项目资助。研究针对电站循环流化床锅炉（CFB锅炉）水冷壁的防磨需求，研制了一种铁基药芯焊丝（HDS65），采用CO₂气体保护焊在20G钢基材上进行单层多道堆焊试验，系统研究了焊丝的焊接工艺性、堆焊层成形质量、显微组织及高温摩擦磨损行为。

循环流化床锅炉是一种高效清洁燃烧技术，广泛应用于燃煤发电、工业供热等领域。水冷壁是CFB锅炉的核心受热面，长期处于高温、高磨损、高温腐蚀的恶劣环境中。磨煤粉和灰渣颗粒对水冷壁的冲蚀磨损是水冷壁失效的主要原因之一，严重时会导致水冷壁管烧损、泄漏甚至爆管，严重影响锅炉的安全运行。

HDS65焊丝设计与焊接工艺

焊丝类型与焊接方法

HDS65是一种铁基药芯焊丝，采用CO₂气体保护焊（FCAW-CO₂）进行堆焊。药芯焊丝相比实心焊丝具有以下优势：

CO₂气体保护焊是一种经济高效的焊接方法，特别适合大面积堆焊作业。但CO₂气氛具有氧化性，可能导致熔池氧化和焊缝气孔，需要通过焊丝药芯中的脱氧剂（如Al、Si、Mn等）来补偿。

堆焊工艺参数

文献采用单层多道堆焊方式，这是水冷壁防磨堆焊的典型工艺。单层多道焊的优势在于：

• 每道焊道较窄，有利于控制熔池形状和合金元素分布。
• 多道焊的层间热处理效应有利于改善组织均匀性。
• 单层堆焊厚度适中，既满足防磨需求又避免过厚导致开裂。

堆焊层组织与性能分析

显微组织特征

文献指出，HDS65焊丝堆焊层的组织主要由以下相组成：

1. 板条马氏体：是铁基堆焊层的主要组织相，具有较高的强度和硬度。板条马氏体的形成与焊丝中的碳含量和冷却速率密切相关。
2. 以FeCr为溶剂的固溶体：Cr元素在铁素体中的固溶体，通过固溶强化提高堆焊层的硬度和耐蚀性。
3. 不连续分布的细小碳化物：碳化物是堆焊层硬度和耐磨性的主要来源。细小的碳化物弥散分布在基体中，产生显著的弥散强化效果。

这种"板条马氏体+固溶体+细小碳化物"的组织组合，是一种典型的耐磨堆焊层组织。板条马氏体提供基体强度和韧性，碳化物提供硬度和耐磨性，固溶体提供额外的强化效果。

硬度与耐磨性能

从数据可以看出，HDS65堆焊层的硬度显著高于YD490堆焊层和20G钢基材，在高温冲蚀磨损条件下表现出优异的耐磨性能。特别是在600°C时，HDS65堆焊层的磨损体积仅为20G钢基材的约1/2，说明堆焊层在高温下仍能保持良好的耐磨性。

高温磨损行为分析

文献发现，随着温度升高，HDS65堆焊层的冲蚀磨损量增大，耐冲蚀磨损性能变差，摩擦因数降低。这一现象可以从以下机制解释：

1. 高温软化：温度升高导致马氏体发生回火分解，硬度下降，耐磨性降低。
2. 氧化加剧：高温下材料表面氧化加剧，形成氧化膜，改变了摩擦界面状态。
3. 磨粒嵌入：高温下材料硬度降低，磨粒更容易嵌入材料表面，加剧犁削磨损。
4. 热氧化磨损：高温氧化膜的生成和剥落是高温磨损的重要机制之一。

摩擦因数从室温到600°C的显著降低，可能与高温下氧化膜的形成有关。氧化膜通常具有较低的摩擦系数，但同时也意味着材料表面的保护性降低。

工程实践思考

CFB锅炉水冷壁防磨堆焊的工艺要求

CFB锅炉水冷壁防磨堆焊是一项技术难度较高的工程作业，面临以下特殊挑战：

1. 高温环境：水冷壁管壁温度可达400~600°C，堆焊层必须在高温下保持良好的组织和性能。
2. 磨蚀与腐蚀耦合：灰渣颗粒的冲蚀磨损与烟气中SO₂、SO₃等腐蚀介质的化学腐蚀同时作用，堆焊层需要同时具备耐磨和耐蚀性能。
3. 热应力循环：锅炉启停过程中水冷壁经历剧烈的温度变化，堆焊层与基材之间的热膨胀系数差异导致界面处产生热应力，可能引发堆焊层开裂或剥落。
4. 现场施工条件：锅炉水冷壁的堆焊修复通常在停炉检修期间进行，施工空间有限、工期紧张，对焊接工艺的可操作性和效率提出较高要求。

焊后处理与质量检测

对于水冷壁防磨堆焊层，建议采取以下焊后处理和质量检测措施：

• 焊后热处理：对于硬度要求不高的场合，可采用600~650°C的回火处理降低残余应力，提高韧性。但对于耐磨要求高的场合，回火可能导致硬度下降，需要权衡。
• 无损检测：采用MT（磁粉检测）或PT（渗透检测）检查堆焊层表面裂纹，采用UT（超声波检测）检查堆焊层与基材的结合质量。
• 硬度检测：在堆焊层表面进行多点硬度测试，确保硬度均匀性。
• 金相分析：取堆焊层试样进行金相分析，检查组织是否均匀、有无异常相。

学习心得与工程启示

本文的研究针对CFB锅炉水冷壁防磨这一具体工程需求，开发了一种性能优异的HDS65药芯焊丝，并通过系统的高温磨损试验验证了其有效性。堆焊层在600°C下仍保持优异的耐磨性能，这对于CFB锅炉水冷壁的防磨修复具有重要的工程价值。

从技术角度看，HDS65焊丝的成功在于其合理的成分设计和工艺匹配：铁基药芯焊丝提供了良好的合金化能力和熔敷效率，CO₂保护焊提供了经济高效的焊接方法，单层多道焊工艺保证了堆焊层的组织均匀性。板条马氏体+细小碳化物的组织组合，在高温下仍能保持足够的硬度和耐磨性。

然而，文献中未提及堆焊层的长期高温服役性能，包括高温蠕变、热疲劳、热腐蚀等长期损伤机制。在实际工程中，水冷壁堆焊层的寿命往往受限于这些长期损伤机制，而非短期的冲蚀磨损。因此，建议后续研究关注堆焊层在高温循环载荷下的疲劳行为、热腐蚀行为以及堆焊层-基材界面的长期结合强度，以更全面地评估堆焊层在实际工况中的服役寿命。

此外，文献中HDS65与YD490两种焊丝的对比研究很有价值，但对比维度可以更丰富，例如增加高温拉伸、热疲劳、热腐蚀等性能对比，以更全面地评价两种焊丝的综合性能。从FMEA的角度看，水冷壁堆焊层的潜在失效模式包括：堆焊层磨损失效、堆焊层开裂、堆焊层剥落、基材热影响区开裂等，每种失效模式都需要针对性的预防措施。

总体而言，本文的研究为CFB锅炉水冷壁防磨堆焊提供了可靠的技术方案，HDS65焊丝在高温冲蚀磨损条件下的优异表现令人印象深刻。随着CFB锅炉技术的不断发展和应用范围的扩大，防磨堆焊技术的研究将具有更加重要的工程意义。