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作品名称：热盾壁流-高温环境下的水冷壁管涂层创新研究
学校名称：山东理工大学
参赛队伍：人材队
队伍编号：218866
参赛学生：孙瑞梓王事成赵梓淳石宇轩
指导老师：魏春城
投票日期：2025年10月10日 00:00->2025年12月15日 00:00
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详细说明

热盾壁流——高温环境下水冷壁管涂层创新研
究

本项目针对火力发电厂锅炉水冷壁管在高温、高压及腐蚀性环境中易发生氧化、腐蚀和磨损等问题，研发了一种基于二氧化硅（SiO₂）与高岭土复合的新型耐高温防护涂层。该涂层通过球磨混合与喷涂工艺制备，具有良好的耐高温氧化性、耐腐蚀性、机械强度和环保性能。

产品结构说明：
1.多层复合结构：
· 基材：20G碳素钢水冷壁管。
· 结合界面：基材表面经过喷砂处理，形成Sa2.5级粗糙度，为涂层提供强大的机械锚固力。
· 功能涂层：通过喷涂与高温烧结，在基材表面形成一层厚度为120±20µm的致密保护膜。该涂层在高温下，SiO₂形成粘性玻璃相，与高岭土的片状结构共同烧结，形成坚固的、以共价键为主的网络结构。
2.关键组分与作用：
· SiO₂网络：作为涂层的骨架，提供极高的热稳定性和化学惰性，是耐高温、抗氧化的基础。
· 高岭土片状结构：其独特的二维层状结构在涂层中交错排列，形成物理屏障，有效阻隔腐蚀性气体的渗透和扩散，同时增强涂层的硬度、韧性和抗冲击性。
· Al₂O₃等组分：作为增强相，进一步改善涂层的机械性能和高温稳定性。

设计原理：
本水冷壁管高温防护涂层的设计，基于以下核心原理：
· 物理屏障原理：利用涂层在基体表面形成一层致密、连续的保护膜，物理性地隔绝水冷壁管与高温火焰、腐蚀性气体（如SOₓ）及灰分的直接接触，从根源上阻止高温氧化和腐蚀的发生。
· 高温相变增强原理：选用的主要成分二氧化硅（SiO₂）在高温下会形成粘流态的玻璃相。此玻璃相不仅能愈合涂层内部的微裂纹，还能与基体及高岭土填料更紧密地结合，形成一种以共价键为主的、坚固的陶瓷-玻璃复合结构，从而显著提升涂层的耐高温性和结构致密性。
· 结构协同增强原理：高岭土独特的二维片状结构，在涂层中交错排列，与SiO₂形成的玻璃相相互穿插，起到类似“钢筋”的增强作用。这种结构能有效钝化裂纹扩展路径，大幅提高涂层的韧性、硬度和抗冲击性能，同时延长腐蚀介质的扩散路径。
· 热力学稳定性原理：所选的SiO₂、Al₂O₃等组分均为热力学上在高温下极为稳定的氧化物，其高熔点（如SiO₂约1723℃）和低吉布斯自由能，确保了涂层在锅炉炉膛的高温环境下能长期保持化学惰性，不易分解或与腐蚀介质反应。

主要创新点：

1. 选用SiO₂、MgO和Al₂O₃等材料，通过球磨工艺在室温下制备涂层浆料，避免传统高温工艺，降低成本并提升施工可行性。

2. 采用喷涂工艺实现涂层均匀涂覆，形成致密保护膜，增强与基材的结合力。

3. 涂层在500℃高温及硫酸盐腐蚀环境下表现出优异的稳定性，有效延长水冷壁管使用寿命，降低维护成本。

应用价值：

该涂层适用于燃煤电厂、垃圾焚烧炉、黑液锅炉等高温腐蚀环境，可显著提升设备运行安全性与经济性，具备良好的市场推广前景和经济社会效益。

成果亮点：

· 提升水冷壁管耐高温腐蚀性能

· 实现绿色环保、低成本制备

· 具备广泛工业应用潜力

本项目由山东理工大学学生团队研发，致力于推动电力行业高温防护技术的创新与发展。