摘要：本文通過論（lùn）述用液氬全程保護（hù）氣霧化法製取高溫合金焊粉的原理，以及試製結果，表明采用（yòng）氬氣保（bǎo）護、氣霧化工藝、真空錠非真空（kōng）熔煉、霧化噴嘴改進、提高鋼水溫度等措施製取鎳基高溫合金焊粉，可獲得精準的化學成分和較低的含氧（yǎng）量，與（yǔ）通常采用真空霧化法製取的高（gāo）溫合金焊粉的結果相當，可進行批量生產。

 

　　0 序言 

 

隨著石油化（huà）工工業（yè）的迅速發（fā）展，處於高壓、高溫以及在腐蝕條件下操作的設備越來（lái）越多，並有向大型化、高參數發展的趨勢，不鏽鋼、鎳基材料（Ni-Mo、Ni-Cr-Mo）類設備是（shì）首選材料。如果 全部用上述材料製造，代價太高。為了降低生產成本，節省昂貴的材料，隻要在設備表（biǎo）麵或（huò）內壁堆 焊（hàn）一（yī）層（céng）鎳基（jī）高溫合金或不鏽鋼，即可增加設（shè）備的耐腐蝕性能。特別是鎳基高溫合金，屬於比較重要 的耐腐蝕材料,和普通不鏽鋼、其（qí）它耐腐蝕金（jīn）屬、非金屬的材料相比,它們在各種不同的腐（fǔ）蝕環境中， 甚（shèn）至（zhì）是化學腐蝕與（yǔ）電化學腐蝕中（zhōng）,具備耐各種形式的腐蝕（shí）和破壞的能力,並（bìng）且具備良好的力學性能和 機加工性能,其綜合抗腐蝕性能比一般不鏽（xiù）鋼及其它耐（nài）腐蝕金屬材料強，尤其適宜於介（jiè）質環境苛刻（kè）的 當（dāng）代工業。

 

　　成熟的氣霧化製粉工藝和氬氣（qì）保護煉鋼方式，即：將原材料在真空爐內做成真空錠，之後在非 真空爐中（zhōng）重熔，並在液氬保護下實現傾倒鋼液、氣霧化，全過程氬氣保護鋼液，得到與真空爐（lú）霧化 法製取同（tóng）樣質量的產品。

 

　　1、氬氣保護氣霧化法製取高溫合金焊粉（fěn）

 

　　1.1 氣霧化法製粉原（yuán）理

 

　　根據合（hé）金牌（pái）號的化學成分配料後，通過中頻爐加熱熔化金屬材料後（hòu），熔融金（jīn）屬按一定的澆（jiāo）注速度，通過霧化噴嘴，在密（mì）閉的霧（wù）化室內（霧化室內充滿純氮（dàn）氣，氧含量低於0.02%以下）由高速氮氣（qì）衝擊合金流柱，形成細小的合（hé）金液滴，合金液滴在霧化（huà）室內做自由落（luò）體飛行，通過（guò）一特定噴嘴用超（chāo）音速（sù）的氣體（tǐ）射流將熔融的金屬或合金液流粉碎形成金屬或合金（jīn）粉末的過程，將飛行的合（hé）金液滴在0.5——1.0秒瞬（shùn）間（jiān）凝固成細小的粉末。

 

　　此方法可以生產熔點低於1700℃的各種金屬及合金粉末，所得（dé）粉末為球形，粉末表（biǎo）麵的氧化程度也比水霧化的低（隻有l/10左右），且粉末粒度分布寬（中位徑10-100μm）。常用的霧化介質有氮氣、氬氣或空氣。

 

　　氣霧化生產金屬或合金粉末具有下列特點：[1]

 

　　1）在熔煉過程（chéng）中可加入各種合金元素，製得範圍廣（guǎng）泛的、具有多種（zhǒng）化學成分的合金粉末。

 

　　2）製得的粉末具有化學（xué）成分相（xiàng）同且（qiě）均勻，沒有偏析，非金屬夾雜物少，純度高。

 

　　3）粉末顆粒成球形或類球形，且（qiě）顆粒大小（xiǎo）、粒度分布可通過改變（biàn）霧化工藝（yì）和調節工藝參數進行調整。

 

　　4）粉（fěn）末的氧化物主要集（jí）中在顆粒的表（biǎo）麵，其氧化程度可借助於調節霧化工藝參數進行調整，能獲得含（hán）氧量極低的優質合金粉末。

 

　　5）粉末性能重複性（xìng）高，適於大批量生產性能一致的粉（fěn）末。

 

　　1.2 氬氣全程保護（hù）

 

　　氬氣是一種惰（duò）性氣體（tǐ），不與鋼液發生任（rèn）何反（fǎn）應，用以（yǐ）隔離空氣，保證（zhèng）鋼液的穩定，可確保 合金在熔化（huà）、澆注等過程（chéng）中不受氧氣、氮氣汙染，可（kě）得到氧含量較低的（de）粉末。氬氣保護係統包 括以下幾個部分：

 

　　1.2.1爐頂吹（chuī）氬

 

　　真（zhēn）空錠在在非真空狀態下，加熱、熔化，表麵（miàn）發紅後（hòu）會被空氣氧化，生成（chéng）氧化物，增加（jiā）材 料夾雜物（wù）。為此，公司專門設計了氬氣保護罩，加熱熔化的過程中，爐內充滿氬氣，完全隔（gé）離 空氣（qì），在爐料熔化後，撤掉保護罩，造（zào）渣保護，同時啟動爐底吹氬裝置。

 

　　1.2.2爐底吹氬（yà）

 

　　在爐底安裝透氣轉（zhuǎn），當鋼液熔化後，打開氬氣閥門（mén），氬氣從爐底吹入鋼液內部，並且上浮（fú）， 上浮過程中，鋼液內的其它氣體和雜（zá）質進入氬氣泡內，隨氬氣一（yī）起上浮，鋼液得以（yǐ）淨化。

 

　　1.2.3 出鋼過程氬氣保護

 

　　為防止鋼液在出鋼過程中的二次氧化，專門設計了出鋼保（bǎo）護罩，安裝（zhuāng）在爐嘴，出鋼過程中， 鋼液流完全被罩在氬氣氣氛中，隔離了空氣。

 

　　1.3 嚴格采用氣霧化製粉工藝（yì）和（hé）液氬全程保護煉鋼方式（shì），輔助於合理的霧化（huà）裝置（噴嘴）和鋼溫

 

　　1.3.1 霧化裝置（噴（pēn）嘴）

 

　　噴嘴是霧化裝置中使霧化介質獲得高能量、高（gāo）速度的部件，它對霧化效率和霧化過程的穩定性 起重要作（zuò）用。利用公司專利“組合式噴嘴及（jí）其合金（jīn）粉末垂直氣霧化裝置”，保（bǎo）證霧化介質與金屬（shǔ）液流 之間形成最合理的（de）噴射角度；使金屬液流變（biàn）成明顯的紊流；中間（jiān）是主噴嘴，實施錐形噴射，外圍增 加（jiā）輔助噴（pēn）嘴，實施環形平行噴射，對金屬小液滴進行二次破碎（suì）和（hé）二次冷卻的同時，約束金屬液滴橫 向飛行，加快粉末下降（jiàng）速度，可以（yǐ）防止液滴和高溫的小金屬球粘（zhān）連，保（bǎo）證粉末球形良好（hǎo），大幅度減 少“衛星（xīng）球粉”。 輔助噴嘴實施的二次破（pò）碎和二次冷卻（què）對提高粉末整體（tǐ）質量作用明顯：

 

　　1）減少了大顆粒，使得（dé）到的適用粉末比（bǐ）例提（tí）高，即提高了成品率（lǜ）；

 

　　2）減少了衛星球粉，使粉（fěn）末表麵更加光滑（huá），粉末（mò）間的磨擦力減少，流動（dòng）性能提高；

 

　　3）減少了（le）空心球粉，使粉（fěn）末的堆積密度提（tí）高，即提（tí）高了鬆裝比； 粉末（mò）的空心率，由原來的 5％下降到 1％以下；粉末成（chéng）品率（lǜ）明顯（xiǎn）提高，達到 50—70％，節約了霧化氣體、電能、人工費用。

 

　　1.3.2 提高（gāo）鋼溫

 

　　高溫合金粘性大，通過提高金屬液流的溫度，即（jí）提高金屬（shǔ）液流過熱度來提高粉末的成球率。當 霧（wù）化溫度（dù）為 1300℃時，粉末的球形度不高，粉末以類球形為主並且粉末表麵粗糙，這是因為金屬液 流的溫度較低時（shí），其粘度（dù）增大，使金屬粉末成球困難，另外較（jiào）低的（de）金（jīn）屬液流溫度使金（jīn）屬粉末的凝固 時（shí）間縮短，粉末在未收縮成球之前已經（jīng）凝固。當霧（wù）化溫度達到 1500℃時，粉末球形度（dù）高且粉末表（biǎo）麵 光滑（huá）。因此（cǐ）提（tí）高金屬液流過熱度（dù）能提高粉末的成球率，這是因為它在（zài）延長金屬粉末的凝固時間（jiān）的同 時，還能使金（jīn）屬液的粘度降低從而使金屬粉末的球化時間縮短，即在實（shí）際（jì）生產金屬（shǔ）液流的過熱度控 製在（zài） 200-300℃時能（néng）得到（dào）球形度高，表（biǎo）麵光（guāng）潔的優（yōu）質粉末。[2]

 

　　生產實踐表明：增加金屬液流過熱度（dù）可降低粉末的平均粒徑，這是由於溫度（dù）升高時液體體積膨（péng） 脹，分子問（wèn）距增（zēng）大，削弱了體相分子（zǐ）對表麵層（céng）分子的作（zuò）用力。同時溫度升高時，氣相蒸汽壓變大， 密度增大，氣相分（fèn）子對液體表（biǎo）麵分子作用增強，從而導致金屬熔融液體的表麵張力與粘度隨金屬溫 度的升高而減小（xiǎo）逐漸降低（dī）。而金（jīn）屬熔融（róng）液體的（de）表麵張力與粘度的降低（dī）使（shǐ）熔融金屬在霧化過程（chéng）中容易 被霧化氣體衝擊（jī）撕裂（liè）成微小液滴，有（yǒu）利於金屬液流的破碎。

 

　　2、試製鎳基高（gāo）溫合金（jīn）焊粉（fěn）

 

　　2.1 鎳基高溫合金焊粉

 

　　鎳基高溫合（hé）金焊粉在（zài）機械、化工、航空等領域中得到了廣泛的應用，其堆焊（hàn）層有（yǒu）良好的抗氧化 性能和和耐蝕（shí）性能，並且其（qí）堆焊溫度範圍與不鏽鋼及高（gāo）溫合金的熱處理製度相（xiàng）一致，ERNiCrMo-3（Inconel625）、ERNiCrMo-10（HC-22） 。而且隨著近幾年汽車工業和民用製品的高速發展， 鎳基（jī）高溫合金在民用（yòng）製（zhì）品的使用上也日漸（jiàn）增加。因此鎳基高溫合金焊粉適（shì）用堆焊在高溫、腐蝕下工作（zuò） 的碳鋼、不鏽鋼、耐熱鋼及高溫合金零部件上。在（zài）堆焊過程（chéng）中要求焊粉的化（huà）學成分均勻、穩（wěn）定，且 具有較低的氧含量及低的雜質（zhì），以便使堆焊過（guò）程工藝良好、粉末與基材潤濕充分，並減少氧化物夾（jiá） 雜導致的（de）堆（duī）焊接（jiē）頭（堆焊層）的（de）缺陷，但國內生產的鎳基高溫合金焊（hàn）粉由於存在氧含量較高、粉末 形狀難控製、批量過小（xiǎo）等現（xiàn）狀，或需要有（yǒu）更精良的生產設備，導致堆焊部（bù）位存在缺陷而不（bú）能正常（cháng）工 作，因此長（zhǎng）期以來均依賴進口。

 

　　2.2 試驗內容

 

　　所試製生產ERNiCrMo-3（Inconel625）焊粉，球形狀，按使用工況指標，其中氧含量控（kòng）製在0.08%以下。對生產的鎳基（jī）高溫（wēn）合（hé）金粉末的化學成分、氧含量成分控製如表1要求，

 

 

 

　　2.3 生產原理（lǐ）

 

　　鎳基高溫合金粉末氣霧化生產是以電解鎳板為原料，添加Cr、Si、Mn、Fe、Mo、Nb等（děng）金屬或合金，在中頻感應爐中熔煉成符合化學成分要求的熔液，己預熱的中間包置於噴嘴（zuǐ）上方（fāng），且與噴嘴對中聚集，然後將熔融的金屬液流注入到漏包（bāo）坩鍋（中間包）中，在中間包的下方放置有氣霧化噴嘴，當熔融的金屬液流通過漏嘴經流（liú）噴嘴時，同時開啟高壓氮氣匯流裝置，使之保持一定的壓力，通過噴嘴的高速霧化氣流（liú）以一定的角度將通過中間包（bāo）流經漏嘴的合金流衝擊成合金液滴（dī），合金液滴落入霧化桶內，凝固成（chéng）合金粉末。整個製（zhì）粉過程均在非真空狀態下運行。見（jiàn）圖（tú）1、圖2、圖（tú）3。

 

 

 

 

 

 

　　2.4 試驗結果及分析

 

　　2.4.1 化學成分（fèn）的控製

 

　　粉末化（huà）學成分的穩定性、精確（què）性直接影響（xiǎng）到堆（duī）焊（hàn）接頭的性能高（gāo）低及堆焊溫度的選擇，因此在生產過程中采取以下一些措施來保證（zhèng）獲得合理的合（hé）金成分:

 

　　1）合適的原材（cái）料，按原材料檢驗規範對每批原材料進（jìn）行（háng）檢（jiǎn）驗，嚴（yán）禁潮濕或鏽蝕的爐料或返（fǎn）回料進入 熔煉爐，並對所有原材料（liào）進行（háng）適當的（de）處理。 鎳板厚度不小於3mm，邊緣無樹枝狀結（jié）粒和密集氣孔，板麵不得有直徑大於2mm的氣孔，直徑 0.5-2mm的密集氣孔總麵積不得超過鎳板單麵麵積的10%。

 

　　金屬鉻表麵（miàn）應呈灰（huī）白色，斷麵應（yīng）致密無氣（qì）孔。

 

　　鉬條表麵應（yīng）光潔，呈銀灰色或銀灰色金屬光澤，，不得有嚴重（chóng）的淡（dàn）黃色或深黑色氧化和沾汙現象等。

 

　　2)選合適的爐襯材料，避免因爐襯材料不合（hé）理所造（zào）成的（de）汙染

 

　　采用酸性中頻（pín）感應爐熔煉，石英砂坩鍋應保持良好狀態，新坩鍋在使用前需用金屬鎳或同種合（hé）金洗爐一到兩次。

 

　　4）嚴格控製熔煉溫度和時間

 

　　這些條件會影響合金元素的燒（shāo）損量以及（jí）鎳基高溫合金（jīn）粉末（mò）合金化程度。在生產過程中一般熔液的過 熱（rè）度在200℃-300℃，並在（zài）爐料全部熔（róng）化（huà）並扒渣後鎮（zhèn）靜3-5分鍾，再轉入霧化工序。 試（shì）製的鎳基高溫合金焊粉ERNiCrMo-3（Inconel625）的化（huà）學成分，與進口焊粉的化學成分、氧（yǎng）含量 實測，見表2。

 

 

 

　　2.4.2粉末的氧含量（liàng）

 

　　粉末中的氧（yǎng）含量是影響堆焊（hàn）接頭質量的主要因素之一，當粉（fěn）末（mò）中氧含量過高時，粉末中的氧化物會阻礙粉末與金屬基體之間的潤（rùn）濕，使（shǐ）兩（liǎng）者不能較好的熔合；而且（qiě）由於氧化物的熔點較高（gāo），會在堆焊接頭中形成氧化物夾雜導致缺陷，使零件在高溫工作（zuò）狀態下產生應力集中，損害部件。因此控製粉末氧含量是衡量粉末質量的關鍵。由於本生產過程的所有工序均在非真空環境下進行，因此在生產過程中（zhōng），我們針（zhēn）對不同的生產工序采取了許多方法來（lái）防止粉末的（de）氧化。

 

　　熔煉方式對粉末的氧含（hán）量影響 ：真（zhēn）空霧化法為原材料在真空中頻感應爐中熔化、重熔、霧化；而非真空熔煉為大氣（qì）環境中熔煉、重熔、霧化。表3可以看出，在其它霧化工藝參數相（xiàng）同的（de）情況下，真空霧化（huà）法得到的焊粉的氧含量稍低於大氣（qì）熔煉時的氧含量（liàng），僅低0.004%。[3]

 

 

　　3、結論

 

　　利用成熟的氣霧化製粉工藝和氬氣保護煉鋼方式，將製取鎳（niè）基高溫合金粉末、鐵基高溫合金粉末等粘度較大的合金粉末。即：將原材料在真空爐內（nèi）做成真空錠，而後在非真空爐中重熔，並在氬氣保護下實現傾倒（dǎo）鋼液、氣霧化，全過程液氬保護鋼液，成功試（shì）製了ERNiCrMo-3（Inconel625）、ERNiCrMo-10（HC-22）、ERNiFeCr-1(Incoloy825)、Monel 400（蒙乃爾）、HC-276等粘度（dù）較大的高溫合金焊粉，化（huà）學成分（fèn）符合相關標（biāo）準，且氧含（hán）量得到了與真空爐霧化法製取同樣質量的產品。

 

　　對（duì）保證焊（hàn）接質量起到了有效的控製（zhì）。同時，可按此工藝可（kě）批量生產高溫合金焊（hàn）粉，促進了高溫合 金焊粉的國產化，加快了高效焊接的步伐（fá）。