摘要：本文通過論述用液氬全（quán）程保護氣霧化法製取（qǔ）高溫合金焊粉的原理，以及試製結果，表（biǎo）明采用氬氣（qì）保護、氣霧化工藝、真空錠非真空（kōng）熔煉、霧（wù）化噴嘴改進（jìn）、提高鋼水溫度（dù）等措施製取鎳（niè）基高溫合（hé）金焊粉，可獲得精準的化學成分和較低的含氧量，與通常采用真空霧化法（fǎ）製取的高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）工工業的迅速發展，處於高壓、高溫以及在腐（fǔ）蝕條件下操作的設備越來越多（duō），並有向大型化、高參數發展的趨勢（shì），不鏽鋼、鎳基（jī）材料（Ni-Mo、Ni-Cr-Mo）類設備是首選材料。如果 全部用上述材料製造，代價太高。為了降低生產成本（běn），節省昂貴的材（cái）料，隻要在設備表麵或內壁堆 焊一層鎳（niè）基高（gāo）溫合（hé）金（jīn）或不鏽鋼，即可（kě）增加設備的耐（nài）腐蝕性能。特別（bié）是鎳基高溫合金，屬於比較重要（yào） 的耐腐蝕材料,和普通（tōng）不鏽鋼、其它耐腐蝕（shí）金（jīn）屬、非（fēi）金屬的材料相比,它們在各種不同的腐蝕（shí）環（huán）境中， 甚至是化（huà）學腐蝕與電化（huà）學腐蝕中,具備耐各種（zhǒng）形式的腐蝕和破壞的能力,並且（qiě）具備良好的力學性（xìng）能和 機加工性能,其綜合抗腐（fǔ）蝕性能比（bǐ）一般不鏽鋼及其它耐腐蝕金屬材料強，尤其適宜於介質環境苛刻的 當代工業。

 

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

 

　　1、氬氣保護氣霧化法製取高溫合金焊粉

 

　　1.1 氣霧化法製粉原理

 

　　根據合金牌號的化學成分配（pèi）料後，通過中頻（pín）爐加（jiā）熱熔化金屬材料後，熔融金屬按一定的澆注速度，通過霧化（huà）噴嘴，在密閉的霧化室內（nèi）（霧化室內充滿純氮氣，氧含量低於0.02%以下（xià））由高（gāo）速氮氣衝擊合（hé）金流柱，形成（chéng）細小的合金液滴，合（hé）金液滴在霧化室（shì）內做自由落（luò）體飛行，通過一特定噴嘴用超（chāo）音速的氣體（tǐ）射流將熔融的金屬或合金液流粉碎形成（chéng）金屬或合金粉末的過程，將（jiāng）飛行的合金液滴在（zài）0.5——1.0秒瞬間凝固成（chéng）細小的粉末。

 

　　此方法可（kě）以生（shēng）產熔點低於（yú）1700℃的各種（zhǒng）金屬及（jí）合金粉末，所得粉末為球形，粉末表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（dàn）氣、氬氣或空氣。

 

　　氣（qì）霧（wù）化生產（chǎn）金屬或合金粉末具有下（xià）列特點：[1]

 

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

 

　　2）製得（dé）的粉末具有化學成分相同且均勻，沒（méi）有偏析，非金屬（shǔ）夾雜物少，純度高。

 

　　3）粉（fěn）末顆粒成球形或類球形，且（qiě）顆（kē）粒大小、粒度分布可通過改（gǎi）變霧化工藝和調節工藝參數進行調整。

 

　　4）粉末（mò）的氧化物（wù）主要集中在顆粒（lì）的表（biǎo）麵（miàn），其氧化程度可借助於調節霧化工藝參數進行調整，能獲得含氧量極低的優質合（hé）金粉末。

 

　　5）粉末性能重複（fù）性高，適於（yú）大批量生產（chǎn）性能一致的粉（fěn）末。

 

　　1.2 氬氣全程保（bǎo）護

 

　　氬氣是一種惰性氣體，不與鋼液（yè）發（fā）生任何反應，用以隔離空氣，保證鋼液的穩定，可確保 合金在熔化（huà）、澆注等過程中不受氧氣、氮（dàn）氣汙染，可得到氧（yǎng）含（hán）量較低的粉末（mò）。氬氣保護係統包 括以（yǐ）下幾個部分：

 

　　1.2.1爐頂吹氬

 

　　真空錠在在非真空狀態下，加熱、熔化，表麵發紅（hóng）後會被空氣氧化，生成氧化物，增加材 料夾雜物。為此，公司專門設計了氬氣保護罩，加熱熔化的過程中（zhōng），爐內充滿氬氣，完全隔（gé）離 空氣，在爐料熔化後，撤掉保護（hù）罩，造渣保（bǎo）護，同時啟動爐底吹氬裝置。

 

　　1.2.2爐底吹（chuī）氬

 

　　在爐底（dǐ）安裝透氣轉，當鋼液熔化後，打開氬氣閥門，氬氣從爐底（dǐ）吹入鋼液內部，並且上浮， 上浮過程中，鋼液內的其它氣體和雜質進入氬氣泡內，隨氬氣一起上浮，鋼液得（dé）以淨化。

 

　　1.2.3 出鋼過程氬（yà）氣保護

 

　　為防止鋼液在出鋼過程中（zhōng）的二次（cì）氧化，專門設計了出鋼保護罩，安裝在爐（lú）嘴，出鋼過程中， 鋼液流完全被罩在氬氣氣（qì）氛中，隔離了空（kōng）氣。

 

　　1.3 嚴格采用氣霧化製（zhì）粉工藝和液氬全程保護（hù）煉鋼方式，輔助於合理的霧化裝置（噴嘴）和鋼溫

 

　　1.3.1 霧化裝置（zhì）（噴嘴）

 

　　噴嘴（zuǐ）是（shì）霧化裝置中使霧化（huà）介質獲得高能量（liàng）、高速度的部件，它對霧化效率和霧化過程的穩定性 起重要（yào）作用（yòng）。利用公（gōng）司專利“組合式噴嘴（zuǐ）及其合金粉末垂直氣霧化裝置”，保證霧化介質與金屬液流 之間形成最合理的噴（pēn）射（shè）角（jiǎo）度；使金屬液流變成明顯的紊流；中間是主噴（pēn）嘴，實（shí）施錐形噴射，外圍增 加（jiā）輔助噴嘴，實施環形平行噴射，對金屬小液滴進行二次破碎和二次冷（lěng）卻的同時，約束金屬液滴橫（héng） 向飛行，加快粉末下降速度，可以防止液滴和高溫的小金屬球粘連（lián），保證粉末球形良好，大幅（fú）度減（jiǎn） 少“衛星球粉”。 輔助噴（pēn）嘴實施的二次（cì）破碎和二次冷卻對提高（gāo）粉末整體質量（liàng）作用明（míng）顯：

 

　　1）減（jiǎn）少（shǎo）了大顆粒，使得到的適（shì）用粉末比例提高，即提高了成品率；

 

　　2）減少了衛星球粉，使粉末表麵更加光滑，粉末間的磨擦力減少，流動性能（néng）提高；

 

　　3）減少（shǎo）了空心球粉，使粉末的（de）堆積密度提高，即提高了鬆裝比； 粉末的（de）空心率，由原來的 5％下降（jiàng）到 1％以（yǐ）下；粉末成（chéng）品率明顯提高，達到 50—70％，節（jiē）約（yuē）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（dà），通過提（tí）高金屬液流（liú）的溫度，即提高金屬液流過熱度來（lái）提高粉末（mò）的成球率。當 霧（wù）化溫度為 1300℃時，粉末的球形（xíng）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，其粘度增大，使金屬粉末成球困難，另外較低的金屬液流溫度（dù）使金屬粉末的凝固 時間縮短（duǎn），粉末在未收縮成球之前（qián）已經凝固。當霧化溫度達到 1500℃時，粉末球（qiú）形（xíng）度高且粉末（mò）表麵 光滑。因此提高金屬液流過熱度能提高粉末的成球率，這是因為它（tā）在延長金屬粉末的凝固時間的同 時，還能（néng）使金屬液的粘度降低從而使金屬（shǔ）粉末的球化時間縮短，即在實際生產（chǎn）金屬液流的過熱度控 製在 200-300℃時（shí）能得（dé）到球（qiú）形度高，表麵光（guāng）潔的優質（zhì）粉末。[2]

 

　　生（shēng）產（chǎn）實踐表明：增加金屬液流過熱度可（kě）降低粉末（mò）的平均（jun1）粒徑，這是由（yóu）於溫（wēn）度升高時液體體（tǐ）積膨 脹，分子問距增大（dà），削弱了體相分子對表麵層分子的作用力（lì）。同時溫度升高時（shí），氣相蒸汽壓（yā）變大（dà）， 密度增大，氣相分子對液體表（biǎo）麵分子作用增強，從而導致金屬熔融液體的表麵張（zhāng）力與粘度隨金屬溫 度的升高而（ér）減小逐漸降低（dī）。而金屬熔融液體的表麵張力與粘度的降低使熔融金屬在霧化過程（chéng）中（zhōng）容（róng）易 被霧化氣體衝擊撕裂成微小液滴，有利於金屬液流的破碎。

 

　　2、試製鎳基高溫合金（jīn）焊粉

 

　　2.1 鎳基高溫合金焊粉

 

　　鎳基高溫合金焊粉在機械、化工、航空等領域（yù）中得到了廣泛的應用，其堆焊層有良好的抗氧化 性能和和耐蝕性能，並且其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， 鎳基高（gāo）溫合金在民用製品的使用上也日漸增加。因此鎳基高溫合金焊粉適用堆焊（hàn）在高溫、腐蝕下工作 的碳鋼、不鏽（xiù）鋼、耐熱鋼及高溫合金零部件（jiàn）上。在（zài）堆焊過程中要求焊（hàn）粉的化學成分均勻、穩定，且 具有較低的（de）氧含量及（jí）低的雜質，以便使堆焊過程（chéng）工藝良好、粉末與基材潤濕充分，並減少氧化物夾 雜導致的堆焊（hàn）接（jiē）頭（堆焊層）的缺陷，但國內生（shēng）產的鎳基高溫合金焊粉由於存在氧（yǎng）含量較高、粉末 形狀難控製、批量（liàng）過小（xiǎo）等現狀，或需要有更精良的生（shēng）產設（shè）備，導致（zhì）堆焊部位存在（zài）缺陷（xiàn）而不能正常工 作，因此長期以（yǐ）來均依賴進口。

 

　　2.2 試驗內容

 

　　所（suǒ）試製生產ERNiCrMo-3（Inconel625）焊粉，球（qiú）形狀，按使用工況指標，其中氧含量控製在0.08%以下。對生產的鎳基高溫合（hé）金粉末的化學成分（fèn）、氧含量成分控製如表1要求，

 

 

 

　　2.3 生產原理

 

　　鎳基高溫合（hé）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（róng）煉成符合化學成分要求的熔液，己預熱的中間包置於噴嘴上方，且與噴嘴對中聚集，然後將熔融的金屬液流注（zhù）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噴嘴時，同時開啟高壓氮氣匯流裝（zhuāng）置，使之保持一定的（de）壓力，通過噴嘴的高速霧化氣流以一定的角度將通過中間包流經漏嘴的合（hé）金流（liú）衝擊成合（hé）金液滴，合金液滴落入霧化桶內，凝固成合金粉（fěn）末。整個製粉過程均在非真空狀態下運行。見圖1、圖2、圖3。

 

 

 

 

 

 

　　2.4 試驗結果及分析

 

　　2.4.1 化學成分的控製

 

　　粉（fěn）末化學成分的穩定性、精確性直接影響到堆焊接頭的性能（néng）高低及堆（duī）焊溫度的選擇（zé），因此在生產過程中采取以下一些措施來保證獲得合（hé）理的合金成分:

 

　　1）合適的原材料，按原材料（liào）檢（jiǎn）驗規（guī）範對每批原材料進行檢驗，嚴禁（jìn）潮濕（shī）或鏽（xiù）蝕的爐料或返回料進入 熔煉爐（lú），並對所有原材料進行適（shì）當的處理。 鎳板厚度不小於3mm，邊緣無樹枝狀結粒和密集氣孔，板麵（miàn）不得有直（zhí）徑大於2mm的（de）氣孔，直徑 0.5-2mm的（de）密集氣孔總麵積不得超過鎳板單麵麵（miàn）積的10%。

 

　　金屬鉻表麵應呈灰（huī）白色，斷麵應致密無（wú）氣孔。

 

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

 

　　2)選合適的爐襯材（cái）料，避免因爐襯材料不合理所造成的汙染

 

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

 

　　4）嚴格控製熔煉溫度和時間

 

　　這些條件會（huì）影響合金元（yuán）素的燒損量以及鎳基高（gāo）溫合金粉末（mò）合金化程度。在生產過程中（zhōng）一般熔液的過 熱度在（zài）200℃-300℃，並在爐料全部熔化並扒渣後鎮靜3-5分鍾，再轉入霧化工序。 試製的鎳基（jī）高溫合金焊粉ERNiCrMo-3（Inconel625）的化學成分，與（yǔ）進口焊粉的化（huà）學成分（fèn）、氧含量 實測，見表2。

 

 

 

　　2.4.2粉末的（de）氧含量

 

　　粉末中的氧含量是（shì）影響堆焊接頭質量（liàng）的主（zhǔ）要（yào）因素之一，當（dāng）粉末（mò）中氧含量過高時，粉（fěn）末中的氧（yǎng）化物會阻礙粉末與金屬基體之（zhī）間的潤（rùn）濕，使兩者不能較好的（de）熔合；而且由於氧化物的熔點較高，會在堆焊接頭中形成氧化物夾雜導致缺陷，使零件在高（gāo）溫工作狀態下產生應力集中，損（sǔn）害部（bù）件。因此控製粉末氧含量是衡量粉末質量的關鍵。由於本生（shēng）產過程（chéng）的所有工序均在非真空環境下進行，因此在生產過程中，我們針對不同的生產工序采取了（le）許多方法來防止粉末的氧化。

 

　　熔煉方式（shì）對（duì）粉末的氧含量影響 ：真空霧化法為原材料在（zài）真空中頻（pín）感應爐中熔化、重熔（róng）、霧化；而非真（zhēn）空熔煉為大（dà）氣環境中熔煉、重熔、霧化。表（biǎo）3可以看出，在其（qí）它霧化工藝參數相同的情況（kuàng）下，真空霧化法得（dé）到的焊粉的氧含量稍（shāo）低於大氣熔煉時的（de）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（hé）氬氣保護煉鋼方式，將製取鎳基高溫合金粉末（mò）、鐵基高（gāo）溫合金粉末等粘度較大的合金粉（fěn）末。即：將原材料在真空爐內做成真空錠，而後在非真空爐（lú）中重熔，並（bìng）在氬氣保護下實現傾倒鋼液、氣霧化，全過程液氬保護（hù）鋼液，成功試製了ERNiCrMo-3（Inconel625）、ERNiCrMo-10（HC-22）、ERNiFeCr-1(Incoloy825)、Monel 400（蒙乃爾）、HC-276等粘度較大（dà）的高溫合金焊粉，化學成分符合相關標準，且（qiě）氧含（hán）量得到了與真空（kōng）爐霧化法製取（qǔ）同樣質量的產品。

 

　　對保證焊接質量起到（dào）了有效的（de）控製。同時，可按此工藝（yì）可批（pī）量生產（chǎn）高溫（wēn）合金焊粉，促進了高溫合 金焊粉的國產化，加快了高效焊（hàn）接的步伐。