电站循环流化床锅炉水冷壁用HDS65焊丝防磨堆焊层组织与性能研究学习体会

研究背景与工程需求

李新平等人在《机械工程材料》2025年第49卷第3期发表的这篇论文，针对电站循环流化床（CFB）锅炉水冷壁管的高温冲蚀磨损问题，研制了一种铁基药芯焊丝（HDS65焊丝）并开展了CO₂气体保护焊单层多道堆焊试验。循环流化床锅炉以其优异的燃料适应性和低排放特性，在燃煤发电和生物质发电领域得到广泛应用。然而，水冷壁管长期处于高温（350-600℃）和高速煤粉/灰渣颗粒冲刷的恶劣环境中，磨损问题严重制约了锅炉的安全经济运行。

该研究由江西省绿色技术创新企业资助项目（S2021LSQYG0073）资助，体现了地方绿色能源技术创新的政策导向。南昌职业大学与江西恒大高新技术股份有限公司的产学研合作，为焊接材料的工程化应用提供了实践平台。

焊丝设计与焊接工艺性

HDS65焊丝为铁基药芯焊丝，采用CO₂气体保护焊（FCAW-C）工艺在20G钢基材上进行单层多道堆焊。铁基药芯焊丝在堆焊材料中具有独特优势：药芯成分可灵活调配合金元素，熔敷效率高，焊接工艺性良好，且成本相对较低。与实心焊丝相比，药芯焊丝通过药芯中合金元素的合金化作用，可在不增加焊丝成本的前提下显著提高堆焊层的合金含量。

试验结果表明，HDS65焊丝的焊接工艺性良好，焊道成形美观，堆焊层内外均无气孔和裂纹缺陷。这一结果对于工程应用至关重要——水冷壁管的堆焊修复通常在停炉检修期间进行，工期有限，焊接工艺性良好的焊丝可以显著提高修复效率。无气孔和裂纹缺陷则保证了堆焊层的完整性，避免了因焊接缺陷导致的早期失效。

微观组织与高温耐磨性能

HDS65焊丝堆焊层的组织由三部分组成：板条马氏体基体、以金属间化合物FeCr为溶剂的固溶体、以及不连续分布的细小碳化物。这种组织组合体现了多相协同强化的设计理念。板条马氏体提供基体强度和韧性；FeCr金属间化合物固溶体提供高温强度和硬度保持能力；细小碳化物则通过弥散强化机制提升耐磨性。

堆焊层硬度达到630-690 HV，这一硬度水平远高于20G钢基材（通常约200 HV），为抵抗冲蚀磨损提供了必要的硬度保障。硬度与耐磨性之间并非简单的线性关系，而是受到组织类型、相组成、晶粒尺寸等多因素的综合影响。HDS65堆焊层的多相组织使其在硬度与韧性之间取得了较好的平衡。

高温冲蚀磨损性能对比

试验数据表明，在350℃和600℃两个温度条件下，HDS65焊丝堆焊层的冲蚀磨损量均低于YD490焊丝堆焊层，耐冲蚀磨损性能更优。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，摩擦因数降低至0.2-0.3（600℃时），远低于20G钢基材。600℃时HDS65堆焊层的磨损体积为0.628 mm³，仅约为20G钢基材的1/2。

高温磨损机制分析

从磨损机制角度分析，HDS65堆焊层在高温下的磨损行为呈现以下特征。在350℃时，堆焊层硬度仍保持较高水平，磨损以磨粒切削为主，板条马氏体和碳化物有效抵抗了磨粒的切削作用。随着温度升至600℃，马氏体开始发生回火转变，硬度下降，同时FeCr金属间化合物固溶体的稳定性受到影响，磨损机制逐渐向氧化磨损和粘着磨损过渡。摩擦因数的显著降低（至0.2-0.3）可能与高温下表面氧化膜的形成有关——氧化膜虽然降低了摩擦因数，但也降低了材料表面的承载能力，导致磨损体积增大。

从PDCA循环的角度审视，该研究完成了P（计划：研制新型焊丝）、D（执行：开展堆焊试验）、C（检查：组织与性能评价）三个阶段，但A（改进：基于试验结果的焊丝配方优化和工艺参数调整）尚未体现。建议后续研究基于高温磨损数据，进一步优化焊丝合金成分（如增加Cr、Mo等高温强韧化元素），并开展不同堆焊层厚度、不同焊接参数的对比试验。

工程应用思考与学习心得

这篇文献对电站锅炉防磨堆焊技术的工程应用具有重要参考价值。循环流化床锅炉水冷壁的磨损是一个复杂的工程问题，涉及材料选择、焊接工艺、堆焊层设计、运行工况等多重因素。HDS65焊丝在350℃和600℃下均表现出优于YD490焊丝的耐冲蚀磨损性能，且硬度水平较高，说明其作为CFB锅炉水冷壁防磨堆焊材料具有较好的应用前景。

然而，从工程可靠性角度审视，该研究仍有若干不足需要补充。首先，试验仅在实验室条件下进行了冲蚀磨损评价，而实际CFB锅炉水冷壁的运行环境远比实验室复杂——存在温度梯度、热应力循环、灰渣颗粒的三维速度分布、以及SO₂/NOₓ等腐蚀性气体的作用。其次，未开展堆焊层与基材的界面结合强度试验，而界面结合强度是决定堆焊层服役寿命的关键因素之一。第三，未评估堆焊层在热循环条件下的疲劳性能和裂纹扩展行为。

从FMEA角度分析，HDS65堆焊层在实际CFB锅炉运行中的潜在失效模式包括：高温冲蚀磨损导致堆焊层减薄、热疲劳导致的堆焊层开裂、界面剥离导致的堆焊层脱落、以及腐蚀-磨损协同失效等。建议在实际工程应用中，结合锅炉运行参数（床温、风速、煤质等）进行堆焊层厚度和修复周期的优化设计，并建立定期检测制度，通过超声测厚等手段监控堆焊层的剩余厚度，实现预测性维护。总体而言，该研究为CFB锅炉水冷壁防磨堆焊材料的选择提供了有价值的试验数据，但距离工程化应用仍需开展更多工况模拟试验和现场验证工作。