卓金管件有限公司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学习体会
文献概况与研究背景
本文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合作完成，发表于2025年《机械工程材料》第49卷第3期，受江西省绿色技术创新企业资助项目支持。研究针对电站循环流化床锅炉（CFB）水冷壁这一关键受热面部件的防磨需求，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。该研究对于延长CFB锅炉水冷壁服役寿命、降低非计划停机率具有重要的工程价值。
循环流化床锅炉水冷壁的磨损机理
CFB水冷壁的特殊服役工况
循环流化床锅炉水冷壁承受着极为严酷的磨蚀环境：
- 磨蚀介质：高速运动的床料颗粒（粒径0.1~2mm，主要为灰渣、未燃尽碳粒）；
- 冲击角度：颗粒以接近90°的角度高速冲击水冷壁表面，属于最严重的正冲磨工况；
- 温度范围：壁面温度可达600°C以上，高温下材料硬度下降、氧化加剧；
- 磨蚀速率：严重区域年磨损量可达1~3mm，远超普通锅炉水冷壁。
磨损机制的多尺度特征
CFB水冷壁的磨损是多种机制的叠加：
- 磨粒磨损：硬质颗粒对金属表面的切削和犁沟作用；
- 冲蚀磨损：高速颗粒流对表面的冲击和剥离；
- 热氧化磨损：高温下表面氧化层形成与剥落；
- 粘着磨损：熔融颗粒与基体的粘附和转移。
HDS65焊丝的焊接工艺性评价
焊接工艺性表现
HDS65焊丝采用CO₂气体保护焊工艺，在20G钢基材上进行单层多道堆焊试验，结果显示：
- 焊道成形美观，余高和焊道宽度均匀；
- 堆焊层内外均无气孔和裂纹缺陷；
- 焊接过程电弧稳定，飞溅控制良好。
这一工艺性表现对于现场施焊具有重要实际意义——CFB锅炉水冷壁的堆焊修复通常在停机检修期间完成，施工时间窗口有限，良好的焊接工艺性意味着更高的施工效率和更低的返修率。
药芯焊丝的结构优势
药芯焊丝相较于实芯焊丝在堆焊应用中具有以下优势：
| 优势 | 说明 |
|---|---|
| 合金化效率高 | 药芯携带大量合金粉末，堆焊层成分可控 |
| 熔敷率高 | 药芯熔敷后形成熔池，熔敷效率高于实芯焊丝 |
| 成形性好 | 药皮造渣覆盖熔池，焊道美观 |
| 焊接性优良 | 药芯中的稳弧剂改善电弧稳定性 |
| 可设计性强 | 通过药芯配方调整可定向调控堆焊层性能 |
堆焊层组织与性能分析
显微组织特征
HDS65焊丝堆焊层的组织由三部分组成：
- 板条马氏体：作为基体相，提供高硬度和耐磨性基础；
- 以FeCr为溶剂的固溶体：提供耐蚀性和韧性；
- 不连续分布的细小碳化物：提供弥散强化和抗磨粒磨损能力。
这种"硬基体+弥散强化相"的组织组合是铁基耐磨堆焊层的经典设计模式，但在CFB高温工况下，需要特别关注高温下碳化物的稳定性。
硬度与耐磨性能
| 性能指标 | HDS65堆焊层 | YD490堆焊层 | 20G钢基材 |
|---|---|---|---|
| 硬度范围 | 630~690 HV | 较低 | 约150~200 HV |
| 350°C冲蚀磨损量 | 较低 | 较高 | 最高 |
| 600°C冲蚀磨损量 | 增大但仍优于基材 | 显著增大 | 最大 |
| 600°C摩擦因数 | 0.2~0.3 | 较高 | 较高 |
| 600°C磨损体积 | 0.628 mm³ | 较大 | 约1.256 mm³ |
高温磨损行为分析
一个值得深入探讨的现象是：随着温度从350°C升高至600°C，HDS65堆焊层的冲蚀磨损量增大、耐冲蚀磨损性能变差，但摩擦因数反而降低（600°C时低至0.2~0.3），磨损体积增大至0.628 mm³（约为20G钢基材的1/2）。
摩擦因数降低与磨损量增大的"矛盾"现象可以从以下角度理解：
- 高温下堆焊层表面形成了一层较软的氧化膜或石墨化层，降低了摩擦因数；
- 但这一软层在高速颗粒冲击下容易被剥离，导致材料去除率反而升高；
- 磨损机制从低温下的"犁沟切削"转变为高温下的"氧化-剥离"复合模式。
这一发现对工程应用具有重要指导意义：在CFB锅炉运行中，水冷壁温度分布不均匀，局部热点区域的磨损速率可能远高于平均温度对应的预测值，需要重点关注。
工程实践中的质量控制要点
堆焊修复施工规范
基于本研究结果，在CFB锅炉水冷壁堆焊修复的实际施工中，建议遵循以下质量控制要点：
- 焊前准备：彻底清除水冷壁表面的氧化皮、焊渣和松散层，坡口制备应露出新鲜金属面；
- 焊接参数：CO₂气体流量建议15~20 L/min，焊接电流根据焊丝直径在180~250A范围优化，焊接速度保持均匀；
- 层间温度：严格控制层间温度不超过200°C，避免晶粒粗化和硬度下降；
- 堆焊层厚度：根据运行期磨损率数据，建议预留2~3mm的堆焊层余量，并建立定期测厚检测制度；
- 焊后检验：采用MT或PT检测堆焊层表面裂纹，必要时进行硬度抽检（每道不少于1点）。
服役监测与维护策略
| 监测项目 | 方法 | 周期 | 判定标准 |
|---|---|---|---|
| 堆焊层厚度 | 超声测厚 | 每次停机检修 | 剩余厚度≥1mm |
| 堆焊层硬度 | 便携式硬度计 | 每次停机检修 | ≥550 HV |
| 表面裂纹 | MT/PT | 每次停机检修 | 无连续裂纹 |
| 磨损速率 | 测厚对比 | 运行周期 | ≤0.5mm/年 |
学习心得与启示
这篇文献让我深刻体会到，铁基耐磨堆焊技术在电站锅炉领域的应用已经相当成熟，但高温工况下的磨损行为仍是需要持续关注的课题。HDS65焊丝在600°C下仍能将磨损体积控制在20G钢基材的1/2水平，这一性能提升对于延长CFB锅炉水冷壁检修周期、降低非计划停机损失具有显著的经济效益。
同时，文献揭示的高温下摩擦因数降低但磨损量增大的"反直觉"现象提醒我们：在极端工况下的磨损行为不能用简单的硬度-耐磨性正比关系来预测，必须通过高温磨损试验获取实际数据。这对于焊接材料研发和工程选材都具有重要的方法论意义——实验室常温条件下的性能排名不能直接外推至高温服役工况，必须建立温度-磨损速率的完整映射关系。
从更宏观的角度看，CFB锅炉水冷壁堆焊修复技术是焊接冶金、材料科学和热能工程多学科交叉的典型应用。焊接技术人员不仅需要掌握焊接工艺本身，还需理解锅炉运行工况、磨损机理和材料高温行为，才能实现真正有效的堆焊防护方案。这种跨学科的综合能力，正是焊接技术走向高端应用的关键所在。