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，研制了一种电站循环流化床锅炉水冷壁防磨堆焊层用铁基药芯焊丝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，系统研究了堆焊层的组织、硬度及高温冲蚀磨损性能。循环流化床锅炉（CFB）是电力行业重要的清洁燃烧设备，其水冷壁管长期承受高温燃渣的冲蚀磨损，是锅炉运行中最易损坏的部件之一。水冷壁管的磨损失效不仅影响锅炉的热效率，严重时还可能导致爆管事故，因此防磨堆焊是CFB锅炉运行维护中的关键技术。

水冷壁磨损机理与防护需求

CFB锅炉水冷壁管的磨损机理主要为高温冲蚀磨损，其特征为高速运动的固体颗粒（燃料颗粒、灰渣颗粒）以一定角度撞击管壁，造成材料的塑性变形、切削去除和疲劳剥落。与常温磨粒磨损不同，高温冲蚀磨损具有以下特点：

材料在高温下软化，抗变形能力降低。
磨粒与管壁之间的热接触温度高，可能引发氧化磨损。
磨粒的冲击频率高，疲劳效应显著。
磨损速率随温度升高呈指数增长。

因此，水冷壁防磨堆焊层必须同时满足高温硬度、抗冲蚀磨损和与基体良好结合等要求。

HDS65焊丝设计思路与工艺验证

焊丝设计

HDS65为铁基药芯焊丝，其设计思路是通过合金化（Cr、Mo等）和微合金化（V、Ti、Nb等）在堆焊层中形成弥散的硬质相（碳化物、金属间化合物），同时利用板条马氏体组织提供基体强化。药芯焊丝相比实心焊丝具有更高的合金收得率和熔敷效率，特别适合需要高合金含量的堆焊应用。

焊接工艺

采用CO₂气体保护焊（GMAW-CO₂）进行单层多道堆焊，基材为20G锅炉钢。CO₂保护焊是电站锅炉现场堆焊最常用的工艺，具有设备简单、操作灵活、成本较低等优势。单层多道工艺通过多道焊道的层间冶金结合，形成均匀的堆焊层组织。

工艺参数	设定值	说明
保护气体	CO₂	工业级，流量15~20 L/min
焊接电流	180~220 A	根据焊道宽度调整
焊接电压	22~26 V	保证电弧稳定
焊接速度	25~35 cm/min	控制热输入
道间温度	<200℃	防止晶粒粗化

堆焊层组织与性能分析

显微组织

HDS65焊丝堆焊层的组织由三部分组成：

板条马氏体：作为基体组织，提供良好的强韧性配合。板条马氏体的板条宽度较细，有利于提高强度和韧性。
以金属间化合物FeCr为溶剂的固溶体：FeCr金属间化合物具有较高的硬度和高温稳定性，作为强化相弥散分布在基体中。
不连续分布的细小碳化物：碳化物（如Cr₇C₃、Mo₂C等）在晶界和晶内呈不连续分布，既提供了硬质相强化，又避免了连续碳化物网络导致的脆性。

这种"板条马氏体+金属间化合物固溶体+细小碳化物"的三相组织，是典型的铁基耐磨堆焊层组织模式，兼顾了硬度、韧性和高温稳定性。

硬度与高温磨损性能

性能指标	HDS65堆焊层	YD490堆焊层	20G钢基材
硬度	630~690 HV	较低	约150~180 HV
350℃冲蚀磨损量	较低	较高	最高
600℃冲蚀磨损量	较低（0.628 mm³）	较高	约为HDS65的2倍
600℃摩擦因数	0.2~0.3	较高	较高

HDS65堆焊层在350℃和600℃下的冲蚀磨损量均低于YD490焊丝堆焊层，表明其耐冲蚀磨损性能更优。600℃时的磨损体积为0.628 mm³，仅为20G钢基材的约1/2，说明堆焊层有效延长了水冷壁管的服役寿命。

值得注意的是，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。这一现象可以从以下角度理解：

高温下马氏体基体发生回火软化，硬度下降。
高温下磨粒与堆焊层表面的氧化反应加剧，形成氧化膜后摩擦因数降低，但氧化膜本身较薄且易剥落，反而加速了磨损。
高温下碳化物的溶解度增加，部分碳化物溶解，硬质相数量减少。

与同类技术的对比分析

对比维度	HDS65（本文）	YD490（对比）	传统堆焊（如D259）
焊丝类型	铁基药芯	铁基药芯	铁基实心
保护气体	CO₂	CO₂	CO₂或Ar+CO₂
硬度（HV）	630~690	较低	600~700
高温耐磨性	优	良	一般
工艺性	良好	良好	一般
成形质量	美观	一般	一般

HDS65焊丝在保持较高硬度的同时，改善了高温冲蚀磨损性能，这主要归因于其优化后的合金成分设计，使得硬质相（FeCr金属间化合物和碳化物）在高温下具有更好的稳定性。

工程应用建议与质量控制

堆焊工艺优化建议

多层多道工艺：虽然本文采用单层多道堆焊，但在实际工程中，对于磨损严重的部位，建议采用多层堆焊（2~3层），以提高堆焊层的耐磨厚度和使用寿命。
道间温度控制：严格控制道间温度不超过200℃，防止马氏体组织回火和晶粒粗化。
焊后热处理：堆焊后可进行低温回火（200~250℃），消除残余应力，同时保持马氏体硬度。
堆焊层厚度：建议堆焊层厚度控制在3~5 mm，过薄则使用寿命不足，过厚则可能产生裂纹。

质量控制要点

检测项目	检测方法	验收标准
表面缺陷	目视检测（VT）	无裂纹、气孔、咬边
内部缺陷	超声检测（UT）	无未熔合、夹渣
硬度	布氏硬度试验	≥630 HV
结合强度	堆焊层剥离试验	无分层、剥离
化学成分	光谱分析	符合焊丝成分要求

学习心得与启示

本文的研究紧密结合电站CFB锅炉水冷壁防磨这一实际工程需求，从焊丝设计到工艺验证再到高温性能评价，形成了完整的技术链条。HDS65焊丝在600℃高温下仍保持优于基材2倍的耐磨性能，这一结果对于CFB锅炉的运行维护具有直接的指导价值。

从技术发展的角度看，CFB锅炉水冷壁防磨技术正在从传统的"被动防护"（堆焊耐磨层）向"主动防护"（耐磨合金管+堆焊层复合防护）方向发展。HDS65焊丝的研究为这一技术路线提供了重要的材料支撑。未来，随着焊接技术的进步（如激光堆焊、热喷涂等），水冷壁防磨技术将更加精细化和高效化。

对于从事电站锅炉运行维护的技术人员而言，本文的启示在于：防磨堆焊层的选择不能仅看常温硬度，必须考虑实际服役温度下的耐磨性能。600℃是CFB锅炉水冷壁的典型工作温度，在此温度下堆焊层的性能衰减规律必须通过高温磨损试验进行验证，而不能简单地用常温性能外推。这种"工况驱动"的材料评价思路，对于其他高温耐磨应用场景同样适用。