氩气保护气雾化法制取高温合金焊粉

点击量:882 发布时间:2017-01-21 作者:状迈(上海)增材制造技术有限公司
随着石油化工工业的迅速发展,处于高压、高温以及在腐蚀条件下操作的设备越来越多,并有向大型化、高参数发展的趋势,不锈钢、镍基材料(Ni-Mo、Ni-Cr-Mo)类设备是首选材料。如果 全部用上述材料制造,代价太高。为了降低生产成本,节省昂贵的材料,只要在设备表面或内壁堆 焊一层镍基高温合金或不锈钢,即可增加设备的耐腐蚀性能。特别是镍基高温合金,属于比较重要 的耐腐蚀材料,和普通不锈钢、其它耐腐蚀金属、非金属的材料相比,它们在各种不同的腐蚀环境中, 甚至是化学腐蚀与电化学腐蚀中,具备耐各种形式的腐蚀和破坏的能力,并且具备良好的力学性能和 机加工性能,其综合抗腐蚀性能比一般不锈钢及其它耐腐蚀金属材料强,尤其适宜于介质环境苛刻的 当代工业。
 
  成熟的气雾化制粉工艺和氩气保护炼钢方式,即:将原材料在真空炉内做成真空锭,之后在非 真空炉中重熔,并在液氩保护下实现倾倒钢液、气雾化,全过程氩气保护钢液,得到与真空炉雾化 法制取同样质量的产品。
 
  1、氩气保护气雾化法制取高温合金焊粉
 
  1.1 气雾化法制粉原理
 
  根据合金牌号的化学成分配料后,通过中频炉加热熔化金属材料后,熔融金属按一定的浇注速度,通过雾化喷嘴,在密闭的雾化室内(雾化室内充满纯氮气,氧含量低于0.02%以下)由高速氮气冲击合金流柱,形成细小的合金液滴,合金液滴在雾化室内做自由落体飞行,通过一特定喷嘴用超音速的气体射流将熔融的金属或合金液流粉碎形成金属或合金粉末的过程,将飞行的合金液滴在0.5——1.0秒瞬间凝固成细小的粉末。
 
  此方法可以生产熔点低于1700℃的各种金属及合金粉末,所得粉末为球形,粉末表面的氧化程度也比水雾化的低(只有l/10左右),且粉末粒度分布宽(中位径10-100μm)。常用的雾化介质有氮气、氩气或空气。
 
  气雾化生产金属或合金粉末具有下列特点:[1]
 
  1)在熔炼过程中可加入各种合金元素,制得范围广泛的、具有多种化学成分的合金粉末。
 
  2)制得的粉末具有化学成分相同且均匀,没有偏析,非金属夹杂物少,纯度高。
 
  3)粉末颗粒成球形或类球形,且颗粒大小、粒度分布可通过改变雾化工艺和调节工艺参数进行调整。
 
  4)粉末的氧化物主要集中在颗粒的表面,其氧化程度可借助于调节雾化工艺参数进行调整,能获得含氧量极低的优质合金粉末。
 
  5)粉末性能重复性高,适于大批量生产性能一致的粉末。
 
  1.2 氩气全程保护
 
  氩气是一种惰性气体,不与钢液发生任何反应,用以隔离空气,保证钢液的稳定,可确保 合金在熔化、浇注等过程中不受氧气、氮气污染,可得到氧含量较低的粉末。氩气保护系统包 括以下几个部分:
 
  1.2.1炉顶吹氩
 
  真空锭在在非真空状态下,加热、熔化,表面发红后会被空气氧化,生成氧化物,增加材 料夹杂物。为此,公司专门设计了氩气保护罩,加热熔化的过程中,炉内充满氩气,完全隔离 空气,在炉料熔化后,撤掉保护罩,造渣保护,同时启动炉底吹氩装置。
 
  1.2.2炉底吹氩
 
  在炉底安装透气转,当钢液熔化后,打开氩气阀门,氩气从炉底吹入钢液内部,并且上浮, 上浮过程中,钢液内的其它气体和杂质进入氩气泡内,随氩气一起上浮,钢液得以净化。
 
  1.2.3 出钢过程氩气保护
 
  为防止钢液在出钢过程中的二次氧化,专门设计了出钢保护罩,安装在炉嘴,出钢过程中, 钢液流完全被罩在氩气气氛中,隔离了空气。
 
  1.3 严格采用气雾化制粉工艺和液氩全程保护炼钢方式,辅助于合理的雾化装置(喷嘴)和钢温
 
  1.3.1 雾化装置(喷嘴)
 
  喷嘴是雾化装置中使雾化介质获得高能量、高速度的部件,它对雾化效率和雾化过程的稳定性 起重要作用。利用公司专利“组合式喷嘴及其合金粉末垂直气雾化装置”,保证雾化介质与金属液流 之间形成最合理的喷射角度;使金属液流变成明显的紊流;中间是主喷嘴,实施锥形喷射,外围增 加辅助喷嘴,实施环形平行喷射,对金属小液滴进行二次破碎和二次冷却的同时,约束金属液滴横 向飞行,加快粉末下降速度,可以防止液滴和高温的小金属球粘连,保证粉末球形良好,大幅度减 少“卫星球粉”。 辅助喷嘴实施的二次破碎和二次冷却对提高粉末整体质量作用明显:
 
  1)减少了大颗粒,使得到的适用粉末比例提高,即提高了成品率;
 
  2)减少了卫星球粉,使粉末表面更加光滑,粉末间的磨擦力减少,流动性能提高;
 
  3)减少了空心球粉,使粉末的堆积密度提高,即提高了松装比; 粉末的空心率,由原来的 5%下降到 1%以下;粉末成品率明显提高,达到 50—70%,节约了雾化气体、电能、人工费用。
 
  1.3.2 提高钢温
 
  高温合金粘性大,通过提高金属液流的温度,即提高金属液流过热度来提高粉末的成球率。当 雾化温度为 1300℃时,粉末的球形度不高,粉末以类球形为主并且粉末表面粗糙,这是因为金属液 流的温度较低时,其粘度增大,使金属粉末成球困难,另外较低的金属液流温度使金属粉末的凝固 时间缩短,粉末在未收缩成球之前已经凝固。当雾化温度达到 1500℃时,粉末球形度高且粉末表面 光滑。因此提高金属液流过热度能提高粉末的成球率,这是因为它在延长金属粉末的凝固时间的同 时,还能使金属液的粘度降低从而使金属粉末的球化时间缩短,即在实际生产金属液流的过热度控 制在 200-300℃时能得到球形度高,表面光洁的优质粉末。[2]
 
  生产实践表明:增加金属液流过热度可降低粉末的平均粒径,这是由于温度升高时液体体积膨 胀,分子问距增大,削弱了体相分子对表面层分子的作用力。同时温度升高时,气相蒸汽压变大, 密度增大,气相分子对液体表面分子作用增强,从而导致金属熔融液体的表面张力与粘度随金属温 度的升高而减小逐渐降低。而金属熔融液体的表面张力与粘度的降低使熔融金属在雾化过程中容易 被雾化气体冲击撕裂成微小液滴,有利于金属液流的破碎。
 
  2、试制镍基高温合金焊粉
 
  2.1 镍基高温合金焊粉
 
  镍基高温合金焊粉在机械、化工、航空等领域中得到了广泛的应用,其堆焊层有良好的抗氧化 性能和和耐蚀性能,并且其堆焊温度范围与不锈钢及高温合金的热处理制度相一致,ERNiCrMo-3(Inconel625)、ERNiCrMo-10(HC-22) 。而且随着近几年汽车工业和民用制品的高速发展, 镍基高温合金在民用制品的使用上也日渐增加。因此镍基高温合金焊粉适用堆焊在高温、腐蚀下工作 的碳钢、不锈钢、耐热钢及高温合金零部件上。在堆焊过程中要求焊粉的化学成分均匀、稳定,且 具有较低的氧含量及低的杂质,以便使堆焊过程工艺良好、粉末与基材润湿充分,并减少氧化物夹 杂导致的堆焊接头(堆焊层)的缺陷,但国内生产的镍基高温合金焊粉由于存在氧含量较高、粉末 形状难控制、批量过小等现状,或需要有更精良的生产设备,导致堆焊部位存在缺陷而不能正常工 作,因此长期以来均依赖进口。
 
  2.2 试验内容
 
  所试制生产ERNiCrMo-3(Inconel625)焊粉,球形状,按使用工况指标,其中氧含量控制在0.08%以下。对生产的镍基高温合金粉末的化学成分、氧含量成分控制如表1要求,
 
 
 
  2.3 生产原理
 
  镍基高温合金粉末气雾化生产是以电解镍板为原料,添加Cr、Si、Mn、Fe、Mo、Nb等金属或合金,在中频感应炉中熔炼成符合化学成分要求的熔液,己预热的中间包置于喷嘴上方,且与喷嘴对中聚集,然后将熔融的金属液流注入到漏包坩锅(中间包)中,在中间包的下方放置有气雾化喷嘴,当熔融的金属液流通过漏嘴经流喷嘴时,同时开启高压氮气汇流装置,使之保持一定的压力,通过喷嘴的高速雾化气流以一定的角度将通过中间包流经漏嘴的合金流冲击成合金液滴,合金液滴落入雾化桶内,凝固成合金粉末。整个制粉过程均在非真空状态下运行。见图1、图2、图3。
 
 
 
 
 
 
  2.4 试验结果及分析
 
  2.4.1 化学成分的控制
 
  粉末化学成分的稳定性、精确性直接影响到堆焊接头的性能高低及堆焊温度的选择,因此在生产过程中采取以下一些措施来保证获得合理的合金成分:
 
  1)合适的原材料,按原材料检验规范对每批原材料进行检验,严禁潮湿或锈蚀的炉料或返回料进入 熔炼炉,并对所有原材料进行适当的处理。 镍板厚度不小于3mm,边缘无树枝状结粒和密集气孔,板面不得有直径大于2mm的气孔,直径 0.5-2mm的密集气孔总面积不得超过镍板单面面积的10%。
 
  金属铬表面应呈灰白色,断面应致密无气孔。
 
  钼条表面应光洁,呈银灰色或银灰色金属光泽,,不得有严重的淡黄色或深黑色氧化和沾污现象等。
 
  2)选合适的炉衬材料,避免因炉衬材料不合理所造成的污染
 
  采用酸性中频感应炉熔炼,石英砂坩锅应保持良好状态,新坩锅在使用前需用金属镍或同种合金洗炉一到两次。
 
  4)严格控制熔炼温度和时间
 
  这些条件会影响合金元素的烧损量以及镍基高温合金粉末合金化程度。在生产过程中一般熔液的过 热度在200℃-300℃,并在炉料全部熔化并扒渣后镇静3-5分钟,再转入雾化工序。 试制的镍基高温合金焊粉ERNiCrMo-3(Inconel625)的化学成分,与进口焊粉的化学成分、氧含量 实测,见表2。
 
 
 
  2.4.2粉末的氧含量
 
  粉末中的氧含量是影响堆焊接头质量的主要因素之一,当粉末中氧含量过高时,粉末中的氧化物会阻碍粉末与金属基体之间的润湿,使两者不能较好的熔合;而且由于氧化物的熔点较高,会在堆焊接头中形成氧化物夹杂导致缺陷,使零件在高温工作状态下产生应力集中,损害部件。因此控制粉末氧含量是衡量粉末质量的关键。由于本生产过程的所有工序均在非真空环境下进行,因此在生产过程中,我们针对不同的生产工序采取了许多方法来防止粉末的氧化。
 
  熔炼方式对粉末的氧含量影响 :真空雾化法为原材料在真空中频感应炉中熔化、重熔、雾化;而非真空熔炼为大气环境中熔炼、重熔、雾化。表3可以看出,在其它雾化工艺参数相同的情况下,真空雾化法得到的焊粉的氧含量稍低于大气熔炼时的氧含量,仅低0.004%。[3]
 
 
  3、结论
 
  利用成熟的气雾化制粉工艺和氩气保护炼钢方式,将制取镍基高温合金粉末、铁基高温合金粉末等粘度较大的合金粉末。即:将原材料在真空炉内做成真空锭,而后在非真空炉中重熔,并在氩气保护下实现倾倒钢液、气雾化,全过程液氩保护钢液,成功试制了ERNiCrMo-3(Inconel625)、ERNiCrMo-10(HC-22)、ERNiFeCr-1(Incoloy825)、Monel 400(蒙乃尔)、HC-276等粘度较大的高温合金焊粉,化学成分符合相关标准,且氧含量得到了与真空炉雾化法制取同样质量的产品。
 
  对保证焊接质量起到了有效的控制。同时,可按此工艺可批量生产高温合金焊粉,促进了高温合 金焊粉的国产化,加快了高效焊接的步伐。
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