CN118028810A - 用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料的制备方法。它属于超临界CO2气氛下的腐蚀领域。方法：FB2钢进行喷砂处理，然后喷涂NiCr抗氧化材料或者喷涂Cr3C2‑NiCr抗氧化材料。本发明中用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料中的基体FB2钢的室温力学性能满足超临界sCO2机组透平所需的强度要求。本发明中用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料，FB2+NiCr涂层在流动CO2下暴露1000h的氧化增重0.0023g；FB2+Cr3C2‑NiCr涂层在流动CO2下暴露1000h的氧化增重0.0239g；均增强了耐腐蚀能力。
Description
技术领域
本发明属于超临界CO2气氛下的腐蚀领域，具体涉及用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料的制备方法。
背景技术
我国开展了SCO2布雷顿循环发电技术的研究相对较晚，但发展比较迅速。2017年，西安热工院联合哈尔滨锅炉厂等单位共同建设了5MW分流再压缩SCO2火力发电试验台，运行温度和压力分别达到600℃和215.5MPa。2021年12月，试验机组额定工况满载稳定运行了72小时，顺利通过了满负荷长周期运行考验。2018年，中国科学院工程热物所在河北衡水完成了我国首座大型sCO2压缩机实验平台建设，用于sCO2压缩机性能和sCO2流体特性的测试。2021年，在该试验完成了MW级sCO2压缩机工程样机的运行测试，最大压比超过2.685，累计运行时间接近100h。核动力院联合东方汽轮机“四代堆核电1MWSCO2系统关键技术攻关”项目于2018年交付。西安交通大学研制的工信部项目“船舶热能发电关键技术研究及示范应用”，计划2021年底在舰船上开展示范应用。国内很多其他高校及科研院所，如清华大学、大连理工、华北电力、703所、上海成套院等不同团队针对SCO2循环发电技术开展系统层面的研究工作。
目前，国内外关于高温材料在CO2介质中腐蚀氧化情况的研究，主要基于已经在高参数汽轮机和燃气轮机中广泛应用的成熟材料。这些材料主要分为如下四类：合金钢、9-12％Cr钢、奥氏体钢、Ni基合金。研究表明，在sCO2环境中渗碳现象在550℃时就会发生，而由渗碳造成的影响主要有两方面：一方面，在较高的温度下，渗碳过程会很快完成，则腐蚀层中会存在一部分碳化物，进而增加腐蚀层的脆性，加速腐蚀产物的剥落；另一方面，渗碳会使材料的晶界处聚集大量碳化物，显著降低材料的高温性能。大量研究和实际使用经验表明，无论是耐热钢，还是高温合金，晶界大量碳化物的形成是导致材料在高温、高应力下长期运行后脆化和性能裂化的主要原因之一。从工作温度和压力来看，如果充分借鉴汽轮机关键部件选材经验，则sCO2透平的选材不存在高温强度问题。但是，由于工作介质由蒸汽改为高密度、低粘度的CO2，因此，必须需要考虑所选材料在这种介质中的腐蚀问题。
在高温范围sCO2介质中，9-12％Cr钢具有一定的抗氧化和渗碳能力，可以作为选材，但目前能够搜集到数据来看，600℃以上的氧化和渗碳数据比较少，对于9-12％Cr钢渗碳行为的研究还不够系统。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的上述问题，而提供用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料的制备方法。
用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料的制备方法，它按以下过程进行：
FB2钢进行喷砂处理，然后喷涂NiCr抗氧化材料或者喷涂Cr3C2-NiCr抗氧化材料。
进一步的，所述NiCr抗氧化材料的喷涂厚度为0.2～0.35mm。
进一步的，所述Cr3C2-NiCr抗氧化材料的喷涂厚度为0.25～0.4mm。
进一步的，所述NiCr抗氧化材料按照质量百分比组成为Cr：19.00-21.00％、Fe：＜1.000％、Si：＜1.800％、Mn：＜0.200％、C：＜0.090％，其余为Ni。
进一步的，所述Cr3C2-NiCr抗氧化材料按照质量百分比组成为Ni：19.00～21.00％、Cr：69.20～70.90％、总碳：8.5～11.0％、游离碳：＜0.30％、Fe：＜0.500％和O：＜0.100％。
本发明的有益效果：
本发明中用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料中的基体FB2钢，其室温力学性能：Rp0.2：680～780MPa、Rm≤950MPa、A50mm≥14％、A50mm≥40％、KV2≥10J、FATT50≤100℃。满足超临界sCO2机组透平所需的强度要求。
本发明中用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料，FB2+NiCr涂层在流动CO2下暴露1000h的氧化增重0.0023g；FB2+Cr3C2-NiCr涂层在流动CO2下暴露1000h的氧化增重0.0239g；均增强了耐腐蚀能力。
本发明适用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料的制备。
附图说明
图1为实施例中用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料，FB2+NiCr涂层于流动CO2下暴露1000h后的涂层氧化形貌图；
图2为实施例中用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料，FB2+Cr3C2-NiCr涂层于流动CO2下暴露1000h后的涂层氧化形貌图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料的制备方法，它按以下过程进行：FB2钢进行喷砂处理，然后喷涂NiCr抗氧化材料或者喷涂Cr3C2-NiCr抗氧化材料。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述NiCr抗氧化材料的喷涂厚度为0.2～0.35mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是，所述NiCr抗氧化材料的喷涂厚度为0.25mm。其它与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述Cr3C2-NiCr抗氧化材料的喷涂厚度为0.25～0.4mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是，所述Cr3C2-NiCr抗氧化材料的喷涂厚度为0.3mm。其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述NiCr抗氧化材料按照质量百分比组成为Cr：19.00-21.00％、Fe：＜1.000％、Si：＜1.800％、Mn：＜0.200％、C：＜0.090％，其余为Ni。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述Cr3C2-NiCr抗氧化材料按照质量百分比组成为Ni：19.00～21.00％、Cr：69.20～70.90％、总碳：8.5～11.0％、游离碳：＜0.30％、Fe：＜0.500％和O：＜0.100％。其它与具体实施方式一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例：
用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料的制备方法，它按以下过程进行：FB2钢进行喷砂处理，然后喷涂NiCr抗氧化材料或者喷涂Cr3C2-NiCr抗氧化材料。
本实施例中所述NiCr抗氧化材料的喷涂厚度为0.2～0.35mm。
本实施例中所述Cr3C2-NiCr抗氧化材料的喷涂厚度为0.25～0.4mm。
本实施例中所述NiCr抗氧化材料按照质量百分比组成为Cr：19.00～21.00％、Fe：＜1.000％、Si：＜1.800％、Mn：＜0.200％、C：＜0.090％，其余为Ni。
本实施例中所述Cr3C2-NiCr抗氧化材料按照质量百分比组成为Ni：19.00～21.00％、Cr：69.20～70.90％、总碳：8.5～11.0％、游离碳：＜0.30％、Fe：＜0.500％和O：＜0.100％。
本实施例中所述FB2钢按照质量百分比组成为C：0.11～0.16％、Si：≤0.12％、Mn：0.28～0.52％、P：≤0.012％、S：≤0.006％、Ni：0.05～0.25％、Cr：8.95～9.55％、Mo：1.35～1.65％、Co：1.05～1.35％、V：0.14～0.26％、Nb：0.035～0.065％、N：0.012～0.033％、B：0.007～0.012％、Cu：≤0.17％、Al：≤0.012％、Sn：≤0.017％、Sb：≤0.0017％、As：≤0.025％和余量Fe。
本实施例中所述FB2钢的室温力学性能：Rp0.2：680～780MPa、Rm≤950MPa、A50mm≥14％、A50mm≥40％、KV2≥10J、FATT50≤100℃。本实施例中FB2钢满足超临界sCO2机组透平所需的强度要求。
试验：
试样尺寸：φ15mm×2mm；实验条件：620℃，5MPa；试验时间：1000h。
试验材料：
1、FB2钢试样的单面进行喷砂处理，喷涂NiCr抗氧化材料，另一面进行打磨(对照)；
2、FB2钢试样的单面进行喷砂处理，喷涂Cr3C2-NiCr抗氧化材料，另一面进行打磨(对照)；
试验过程：将试样置于管式炉中，在流动CO2下暴露1000h。加热速率10℃/min，620℃。气体流速(不限)，P＝5MPa。在测试结束时，样品在空气中冷却。
试验结果：FB2钢+NiCr涂层在流动CO2下暴露1000h的氧化增重0.0023g，FB2钢+Cr3C2-NiCr涂层)在流动CO2下暴露1000h的氧化增重0.0239g。
图1和图2分别为FB2+NiCr涂层和FB2+Cr3C2-NiCr涂层于流动CO2下暴露1000h后的涂层氧化形貌图，可见，均形成了致密的Cr2O3氧化层，有效阻止渗碳的发生，抵抗腐蚀，增强了耐腐蚀的能力。
本实施例中采用FB2钢为现有sCO2透平在600℃以上选材提供了新的选择，本实施例中采用FB2钢喷涂NiCr抗氧化材料或者喷涂Cr3C2-NiCr抗氧化材料，进一步增强了耐腐蚀能力，并且提供了600℃以上材料在sCO2介质中的腐蚀数据。
Claims (7)
1.用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料的制备方法，其特征在于它按以下过程进行：FB2钢进行喷砂处理，然后喷涂NiCr抗氧化材料或者喷涂Cr3C2-NiCr抗氧化材料。
2.根据权利要求1所述的用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料的制备方法，其特征在于所述NiCr抗氧化材料的喷涂厚度为0.2～0.35mm。
3.根据权利要求2所述的用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料的制备方法，其特征在于所述NiCr抗氧化材料的喷涂厚度为0.25mm。
4.根据权利要求1所述的用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料的制备方法，其特征在于所述Cr3C2-NiCr抗氧化材料的喷涂厚度为0.25～0.4mm。
5.根据权利要求4所述的用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料的制备方法，其特征在于所述Cr3C2-NiCr抗氧化材料的喷涂厚度为0.3mm。
6.根据权利要求1所述的用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料的制备方法，其特征在于所述NiCr抗氧化材料按照质量百分比组成为Cr：19.00～21.00％、Fe：＜1.000％、Si：＜1.800％、Mn：＜0.200％、C：＜0.090％，其余为Ni。
7.根据权利要求1所述的用于超临界sCO2机组透平高温耐腐蚀的带涂层材料的制备方法，其特征在于所述Cr3C2-NiCr抗氧化材料按照质量百分比组成为Ni：19.00～21.00％、Cr：69.20～70.90％、总碳：8.5～11.0％、游离碳：＜0.30％、Fe：＜0.500％和O：＜0.100％。
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