Аспекты теплозащиты машиностроительного и энергетического оборудования: применение стойких к оксидированию комбинированных покрытий на основе никеля

Автор: Варавка В.Н., Кудряков О.В., Грищенко В.И.

Журнал: Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don) @vestnik-donstu

Рубрика: Машиностроение и машиноведение

Статья в выпуске: 2 т.23, 2023 года.

Бесплатный доступ

Введение. В тех областях энергетического машиностроения, где используется тепловая энергия перегретого пара, важным аспектом обеспечения надежности и безопасности оборудования является теплостойкость используемых материалов. При изготовлении индукционных пароперегревателей оптимальным материалом для паропровода (змеевика) является медь. Однако её предельная стойкость к оксидированию не превышает 400 °С, что существенно ограничивает эффективность работы парогенераторов. Поэтому целью работы было исследование кинетики окисления комбинированного гальванического покрытия системы Mo-Ni-Cr, нанесенного на медные трубчатые образцы и предназначенного для теплозащиты змеевиков парогенераторов.Материалы и методы. На опытных медных трубчатых образцах было сформировано комбинированное гальваническое покрытие системы Mo-Ni-Cr с общей толщиной 12-35 мкм. Подслой Mo толщиной около 1,5 мкм на поверхности медной трубки был сформирован для предотвращения диффузии Cu в Ni-покрытие. Слой хрома толщиной 1,5 мкм на поверхности покрытия выполнял роль индикатора процесса окисления. Сравнительный анализ процессов окисления поверхности меди и комбинированного покрытия системы Mo-Ni-Cr на медной подложке выполнен с использованием методик оптической и электронной микроскопии, энергодисперсионного анализа, а также прецизионного определения параметров роста оксидных пленок.Результаты исследования. Экспериментально определены интервалы термической устойчивости медной подложки и никелевого покрытия. Полученные экспериментальные зависимости характеризуют параболический закон окисления меди с образованием однофазной диффузионной зоны CuO при температурах выше 350 °С и никеля при температурах выше 750 °С, когда начинается переход монооксида NiO и в оксид Ni2O3. Рост оксидных пленок по квадратичным законам приводит к быстрому увеличению толщины пленок, накоплению в них напряжений, растрескиванию и скалыванию.Обсуждение и заключение. Показано, что гальваническое покрытие Mo-Ni-Cr устойчиво к нагреву при длительной эксплуатации вплоть до температур 750-800 °С. Описаны функциональные роли Mo и Cr в архитектуре покрытия. Работа акцентирована на прикладном аспекте использования исследуемого покрытия для повышения термической устойчивости змеевика-паропровода промышленных индукционных пароперегревателей малой и средней мощности.

Еще

Парогенераторы, теплостойкость, окислительный процесс, гальванические покрытия, микроструктура, электронная микроскопия, гравиметрический анализ

Короткий адрес: https://sciup.org/142238863

IDR: 142238863   |   УДК: 669.058.7(620.18+620.193)   |   DOI: 10.23947/2687-1653-2023-23-2-140-154

Aspects of thermal protection of machine-building and power equipment: application of oxidation-resistant combined nickel-based coatings

Introduction. In the areas of power engineering where the thermal energy of superheated steam is used, an important aspect of providing the reliability and safety of equipment is the heat resistance of the materials employed. In the manufacture of induction superheaters, the optimal material for the steam pipe (coil) is copper. However, its ultimate resistance to oxidation does not exceed 400 °C, which significantly limits the efficiency of steam generators. Therefore, the objective of the work was to study the kinetics of oxidation of the combined galvanic coating of the Mo-Ni-Cr system applied to copper tubular samples and intended for thermal protection of steam generator coils.Materials and Methods. A combined electroplating of the Mo-Ni-Cr system with a total thickness of 12-35 μm was formed on the experimental copper tubular samples. A Mo sublayer with a thickness of about 1.5 μm on the surface of the copper tube was formed to prevent the diffusion of Cu into the Ni coating. A 1.5 μm thick chromium layer on the coating surface acted as an indicator of the oxidation process. A comparative analysis of the oxidation processes of the copper surface and the combined coating of the Mo-Ni-Cr system on a copper substrate was carried out using the methods of optical and electron microscopy, energy dispersive analysis, and precision determination of the growth parameters of oxide films.Results. The intervals of thermal stability of the copper substrate and nickel coating were experimentally determined. The obtained experimental dependences characterized the parabolic law of copper oxidation with the formation of a single-phase diffusion zone of CuO at temperatures above 350 °C, and nickel at temperatures above 750 °C, when the transition of NiO monoxide into oxide Ni2O3 began. The growth of oxide films according to quadratic laws provided a rapid increase in the thickness of the films, the accumulation of stresses in them, cracking, and chipping.Discussion and Conclusion. It is shown that the Mo-Ni-Cr electroplating is resistant to heating during long-term operation up to temperatures of 750-800 °C. The functional roles of Mo and Cr in the coating architecture were described. The work focused on the applied aspect of using the coating under study to increase the thermal stability of the steam pipelines of industrial induction superheaters with low and medium power.

Еще

Список литературы Аспекты теплозащиты машиностроительного и энергетического оборудования: применение стойких к оксидированию комбинированных покрытий на основе никеля

  • Knauschner A. Oberflächenveredeln und Plattieren von Metallen. Leipzig: VEB Deutscher Verlag Grundstoffindustrie; 1982. 416 p.
  • Stock J.T., Orna M.V. (eds.). Electrochemistry, Past and Present. Washington, DC: American Chemical Society; 1989. 606 p.
  • Гамбург Ю.Д. Гальванические покрытия. Москва: Техносфера; 2006. 216 с. URL: https://www.elec.ru/files/2019/09/23/Galvanicheskie pokrytia Spravochnik po primeneniyu.PDF (дата обращения: 10.02.2023).
  • Андреев Ю.Я. Электрохимия металлов и сплавов. Москва: МИСиС; 2011. 256 с.
  • Ujjal Kumat Sur (ed.). Recent Trend in Electrochemical Science and Technology. London: IntechOpen; 2012. 318 p. https://doi.org/10.5772/1891
  • Djokic S.S. (ed.). Modern Aspects ofElectrochemistry. New York, NY: Springer; 2014. P. 1-84.
  • Song Liu, Yaping Wei, Shiqiang Chen, et al. Development and Application of an Ultrahigh-Temperature Steam Generator. Advances in Materials Science and Engineering. 2020;2020:4243170. https://doi.org/10.1155/2020/4243170
  • Weitzel P.S., Tanzosh J.M., Boring B., et al. Advanced Ultra-Supercritical Power Plant (700 to 760 C) Design for Indian Coal. In: Proc. POWER-GEN Asia Conference and Exhibition. Bangkok, 2012. P. 281-291.
  • Wang Chongbin, Xu Xueyuan, Zhu Yufeng, et al. Research on the Heating Surface Material Properties for 700 °C USC Boiler. In book: Energy Materials. Cham: Springer; 2014. P. 151-159. URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-48765-6 16 (accessed: 10.02.2023).
  • Booras G.S., Powers J.M., Riley C., et al. Engineering and Economic Analysis of an Advanced Ultra-Supercritical Pulverized Coal Power Plant with and without Post-Combustion Carbon Capture. Palo Alto, CA: Electric Power Research Institute; 2015. 111 p.
  • Шипилов В.М. и др. Электрический пароперегреватель. Патент РФ, № 2736270. 2020. 11 с.
  • Тепловизор Fluke Ti401 PRO. URL: https://fluke-russia.ru/catalog/teplovizor-fluke-ti401-pro (дата обращения 02.02.2023).
  • Sims Ch.N., et al. (eds.). Superalloys II: High-Temperature Materials for Aerospace and Industrial Power. New York, NY: John Wiley & Sons; 1987. 640 p.
  • Reed R.C. The Superalloys. Fundamentals and Applications. Cambridge: Cambridge University Press; 2006. 372 p. https://doi.org/10.1017/CB09780511541285
  • Toshio Narita, et al. Advanced Coatings on High Temperature Applications. Materials Science Forum. 2006;522-523:1-14. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.522-523.1
  • Yuebo Zhou, Peng X., Wang F. Oxidation of a Novel Electrodeposited Ni-Al Nanocomposite Film at 1050 °C. ScriptaMaterialia. 2004;50(12):1429-1433. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2004.03.014
  • Karimzadeh A., Aliofkhazraei M., Walsh F.C. A Review of Electrodeposited Ni-Co Alloy and Composite Coatings: Microstructure, Properties and Applications. Surface Coatings Technology. 2019;372:463-498. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.04.079
  • Morteza Alizadeh, Abbas Cheshmpish. Electrodeposition of Ni-Mo/Al203 Nano-Composite Coatings at Various Deposition Current Densities. Applied Surface Science. 2019;466:433-440. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.10.073
  • Рябухин А.Г., Новоселова Е.Г., Самарин И.И. Окисление никеля на воздухе с образованием тонких пленок. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия Металлургия. 2005;10:34-40.
  • Фазовые диаграммы двойных систем. URL: https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/diagrams.php (дата обращения: 10.02.2023).
  • Bhadeshia H.K.D.H. Kirkendall Effect. University of Cambridge. URL: http://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/kirkendall.html (accessed: 10.02.2023).
  • Hideo Nakajima. The Discovery and Acceptance of the Kirkendall Effect. Journal of The Minerals, Metals & Materials Society (JOM). 1997;49(6):15-19. https://doi.org/10.1007%2Fbf02914706
  • Yao Zhi Hu, Rahul Sharangpani, Sing-Pin Tay. Kinetic Investigation of Copper Film Oxidation by Spectroscopic Ellipsometry and Reflectometry. Journal of Vacuum Science & Technology A. 2000;18(5):2527-2532. https://doi.org/10.1116/L1287156
  • Avetisyan A.G., Chatilyan H.A., Kharatyan S.L. Кинетические особенности начальных стадий высокотемпературного окисления меди. Chemical Journal of Armenia. 2013;66(3):407-415. URL: https://www. researchgate. net/publication/271459151 (accessed: 10.02.2023).
  • Haugsrud R. On the High-Temperature Oxidation of Nickel. Corrosion Science. 2003;45(1):211-235. https://doi.org/10.1016/S0010-938X(02)00085-9 g
  • Mrowec S., Grzesik Z. Oxidation of Nickel and Transport Properties of Nickel Oxide. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2004;65(10):1651-1657. https://doi.org/10.1016/jjpcs.2004.03.011
  • Avetisyan A.G., Chatilyan H.A., Kharatyan S.L. Кинетические особенности начальных стадий высокотемпературного окисления никеля. Chemical Journal of Armenia. 2014;67(1):27-35. URL: g https://www.researchgate.net/publication/271458661 (accessed: 10.02.2023). s
  • Karmhag R., Tesfamichael T., Wackelgard E., et al. Oxidation Kinetics of Nickel Particles: Comparison s Between Free Particles and Particles in an Oxide Matrix. Solar Energy. 2000;68(4):329-333. g https://doi.org/10.1016/S0038-092X(00)00025-6 fp
  • Lei Zhou, Ashish Rai, Nicholas Piekiel, et al. Ion-Mobility Spectrometry of Nickel Nanoparticle Oxidation я Kinetics: Application to Energetic Materials. Journal of Physical Chemistry C. 2008;112(42):16209-16218. https://doi.org/10.1021/jp711235a
Еще