摘（zhāi）要（yào）：本文通過論述用液氬（yà）全程保護氣（qì）霧（wù）化（huà）法（fǎ）製取高溫合（hé）金焊粉的原理，以及試製結果，表明采用氬氣（qì）保護、氣霧化工藝、真空錠非（fēi）真空熔煉、霧化噴嘴（zuǐ）改進、提高鋼水溫度等措施製取鎳基高溫合金焊粉，可獲得（dé）精準的化學成分和（hé）較低的含氧量，與通常采用真空霧化法製取的高溫合金焊粉的結（jié）果相當，可進行（háng）批量生產。

 

　　0 序言 

 

隨著石油化工工業的迅速發（fā）展，處於高壓、高溫（wēn）以及在腐蝕條件下操作（zuò）的設備越來越多，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）類設備是首選材料。如果 全部用上述材料製造（zào），代價太高。為了降低生（shēng）產成本，節省昂貴的材（cái）料，隻要（yào）在設備表（biǎo）麵或（huò）內壁堆 焊一層鎳（niè）基高溫合金或（huò）不鏽鋼，即（jí）可增加設備的耐腐蝕性能。特（tè）別是鎳基高溫合金，屬於比較重要 的耐腐蝕材（cái）料,和普（pǔ）通不鏽鋼、其它耐腐（fǔ）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， 甚至（zhì）是化學腐蝕與電化學腐蝕中,具備耐各種形式的腐蝕和破壞的能（néng）力,並且具備良好的力學性能（néng）和 機加工性能,其綜合抗腐（fǔ）蝕性能比一般不鏽鋼及其它耐腐（fǔ）蝕金屬材料（liào）強，尤其適宜於介質環境（jìng）苛刻的 當代工業。

 

　　成熟的氣霧（wù）化製粉（fěn）工藝和（hé）氬氣保護煉鋼方式，即：將原材料在真空爐內做成真空錠，之後在非 真空爐中重熔，並在液氬保護下實現傾倒鋼液、氣霧化，全（quán）過程（chéng）氬氣保（bǎo）護鋼液，得到與真空（kōng）爐霧化 法製取（qǔ）同樣質量（liàng）的產品。

 

　　1、氬（yà）氣保護氣霧化法製取高溫合金焊粉（fěn）

 

　　1.1 氣霧化法（fǎ）製粉原理

 

　　根據合（hé）金牌號的化學成分配料（liào）後，通過中頻爐加熱熔化（huà）金屬材料（liào）後，熔融金屬（shǔ）按一定的澆（jiāo）注速度，通過霧化噴嘴（zuǐ），在（zài）密閉的霧化室內（霧化室內充滿（mǎn）純氮氣，氧（yǎng）含量低於（yú）0.02%以下）由高速氮氣衝擊合金（jīn）流柱，形（xíng）成細小的（de）合金液滴，合金液滴在霧化室內做自由落體飛行，通過一特定噴嘴用超音速的氣體射流將熔融的金屬或合金液（yè）流粉碎形成金屬或合金粉末的過程，將飛行的合金液滴（dī）在0.5——1.0秒瞬間凝固成細小的粉末。

 

　　此方（fāng）法可以生產熔（róng）點低於1700℃的（de）各種金屬及合金粉末，所得粉末為球形，粉（fěn）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（jiè）質有氮氣、氬氣或（huò）空氣。

 

　　氣霧化生產金屬或合（hé）金粉末具有下列特點（diǎn）：[1]

 

　　1）在（zài）熔煉過程中（zhōng）可加入各種合金元素，製得範圍廣泛的、具（jù）有多種化學成分的合金粉末。

 

　　2）製得的粉末具（jù）有化學成分相同且均勻，沒有偏析，非金屬（shǔ）夾雜物少（shǎo），純度高。

 

　　3）粉末顆粒成球形或類球形，且顆粒大小、粒度分布（bù）可通過改變霧化工藝和調節工藝參數進行（háng）調整。

 

　　4）粉末的氧化物主（zhǔ）要（yào）集中（zhōng）在顆粒的表麵，其氧化程（chéng）度（dù）可借助於調節霧化工藝參數進行調整，能獲得含氧量極低（dī）的（de）優質合金粉（fěn）末（mò）。

 

　　5）粉末性能重複性高，適於大批量生產（chǎn）性能一致的粉末。

 

　　1.2 氬氣全程保護

 

　　氬氣是（shì）一種惰性氣體，不與鋼液發（fā）生任何反應，用（yòng）以隔離空氣，保證鋼液（yè）的穩定，可確保（bǎo） 合金在熔化、澆注等過程中（zhōng）不受氧氣、氮氣（qì）汙染，可得到氧含（hán）量較低的粉末。氬氣保護係統包 括以下幾個部分：

 

　　1.2.1爐頂吹氬

 

　　真空錠在在非（fēi）真空狀態下，加熱（rè）、熔化，表麵發紅後會被空氣氧化（huà），生成氧化物（wù），增加材 料夾雜（zá）物。為此，公司專門設計了氬氣保護罩，加（jiā）熱熔化（huà）的過程（chéng）中，爐內充滿氬氣，完全隔離 空氣，在爐料熔化後，撤（chè）掉保護罩，造渣保護，同時啟動爐底吹氬裝置。

 

　　1.2.2爐底吹氬

 

　　在爐底安裝透氣轉，當（dāng）鋼液熔化後（hòu），打開（kāi）氬氣閥門，氬氣從爐底（dǐ）吹（chuī）入鋼液內部，並且上浮， 上浮過程中，鋼（gāng）液內的其（qí）它氣體和雜質（zhì）進入氬氣（qì）泡內，隨氬氣一起上浮，鋼（gāng）液得以淨化。

 

　　1.2.3 出鋼過（guò）程氬氣保（bǎo）護

 

　　為防（fáng）止鋼液在出鋼過程中的二次氧化，專門設計了出鋼（gāng）保護罩，安裝在爐（lú）嘴，出鋼過程中， 鋼液（yè）流完（wán）全被罩（zhào）在氬氣氣氛中，隔離了（le）空氣。

 

　　1.3 嚴格（gé）采（cǎi）用（yòng）氣霧化製粉工藝和液（yè）氬全程保護煉鋼方式，輔助於合理的霧化裝置（噴嘴）和鋼溫

 

　　1.3.1 霧化（huà）裝置（zhì）（噴嘴）

 

　　噴嘴是霧化裝置中使霧化介質獲得高能量、高速度的部件，它對霧化效率和霧（wù）化過程的穩定性 起重要作用。利用公司專利“組合（hé）式噴嘴及其合金粉末（mò）垂直氣霧化裝置”，保證霧化介質與（yǔ）金屬（shǔ）液流 之（zhī）間形成（chéng）最合理的噴（pēn）射角度；使金屬液流變成明顯的紊流；中間是（shì）主噴嘴，實施錐形噴射，外圍增 加輔助噴（pēn）嘴，實施環形平行噴射，對金屬小液滴（dī）進行二次（cì）破碎和二次冷卻（què）的同時，約（yuē）束金（jīn）屬液滴橫 向飛行，加快粉末下（xià）降速度，可以防（fáng）止液滴和高溫的小金屬球粘連，保證粉末球形良好，大（dà）幅（fú）度減 少“衛星球粉”。 輔助噴嘴實施的（de）二次破碎和二次冷卻對（duì）提（tí）高粉末整體質量作用明（míng）顯：

 

　　1）減少（shǎo）了大顆粒（lì），使得到的適用（yòng）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（shǎo），流（liú）動（dòng）性能提（tí）高；

 

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

 

　　1.3.2 提（tí）高鋼溫

 

　　高溫合金粘性大，通過提高金屬液（yè）流（liú）的溫度（dù），即提高金屬液（yè）流過（guò）熱度來提高粉末的成球率。當 霧化溫（wēn）度為 1300℃時，粉末的（de）球（qiú）形度不高，粉末以類球形（xíng）為主並且粉末表麵粗糙，這是（shì）因為金屬液 流的溫度較低（dī）時，其粘度（dù）增大，使金屬粉末成球困難，另外較低（dī）的金屬（shǔ）液流溫度使金屬（shǔ）粉末的凝固 時間縮短，粉末在未收（shōu）縮成（chéng）球之（zhī）前已經凝固。當霧化溫度達到 1500℃時，粉末（mò）球形度高且粉末表麵 光滑。因此提高金屬液流（liú）過熱度能提高（gāo）粉末的成球率，這是因為它在延長金屬粉末的凝固（gù）時間的同 時，還能使金屬液的粘度降低從而使金屬（shǔ）粉末的球化時間縮短（duǎn），即在實際生產金屬液流的過熱度控 製在 200-300℃時能得到（dào）球形度高，表麵光潔的優質粉（fěn）末。[2]

 

　　生產實踐表明：增加金（jīn）屬液流過熱度可降低粉末的平均粒（lì）徑，這是由於溫度升高時液體體積膨 脹，分子問距增大，削弱了體相分子對表（biǎo）麵層分子的作用力。同時溫度升高時，氣相蒸汽壓變大， 密度增（zēng）大，氣相（xiàng）分子對液體表麵分子作用增強，從（cóng）而（ér）導致金屬熔融液（yè）體的表麵張力與粘度（dù）隨金屬溫 度的升高而減小逐漸降低。而金屬熔融液體的表麵張力（lì）與（yǔ）粘度的降低使熔融金屬在霧化過程中容易 被霧化氣體（tǐ）衝擊撕裂成微（wēi）小液滴，有利於金屬液流的破（pò）碎。

 

　　2、試製鎳基（jī）高溫合金焊（hàn）粉

 

　　2.1 鎳基高溫合金焊粉

 

　　鎳基高溫合金焊粉在機械、化工（gōng）、航空等領域中得（dé）到了廣泛的應用，其堆焊層有良好的抗氧化 性能和和耐（nài）蝕性能，並且其堆焊溫度範圍與不（bú）鏽鋼及高溫合金的熱處理製度相一（yī）致，ERNiCrMo-3（Inconel625）、ERNiCrMo-10（HC-22） 。而且隨著近幾年汽車工業和民用製（zhì）品的高速發展， 鎳基高溫合（hé）金在民用製（zhì）品的使用上（shàng）也日漸增加。因此鎳基高溫合金焊粉適（shì）用堆焊在高溫、腐蝕下工（gōng）作 的碳鋼、不鏽鋼、耐熱鋼及高溫合金零部（bù）件上。在堆焊過（guò）程中要求焊粉（fěn）的化學成分均勻、穩定，且 具有較（jiào）低的氧含量及（jí）低的雜質（zhì），以便使堆焊過程（chéng）工藝良好、粉末與基材（cái）潤濕充分，並減少氧化物夾 雜導致的堆焊接頭（tóu）（堆焊層）的缺陷，但國內生產的鎳基高溫合金焊粉由於存在氧含量（liàng）較高、粉末 形狀難控製、批量過（guò）小等現狀，或需（xū）要有（yǒu）更精良的生產設備，導致堆焊部位存在缺陷而不能正（zhèng）常工 作，因此（cǐ）長期以來均依賴進口。

 

　　2.2 試驗內容（róng）

 

　　所試製生產ERNiCrMo-3（Inconel625）焊粉，球形狀，按使用工況（kuàng）指標，其中氧含量控製在0.08%以（yǐ）下。對生產的鎳基高（gāo）溫合金粉末的化（huà）學成分（fèn）、氧含量成分控製如表（biǎo）1要求，

 

 

 

　　2.3 生產原理

 

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

 

 

 

 

 

 

　　2.4 試驗結果及（jí）分析

 

　　2.4.1 化（huà）學成分的控製

 

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

 

　　1）合適的原材料，按原材料檢驗（yàn）規範對每批原材料進行檢驗，嚴禁潮（cháo）濕或鏽蝕的爐料或返回料進（jìn）入 熔煉爐，並對（duì）所有原材料進行適當的處理。 鎳板（bǎn）厚度不小（xiǎo）於3mm，邊緣無樹枝（zhī）狀結粒和密集氣孔，板麵不（bú）得有直徑大於2mm的氣孔，直徑 0.5-2mm的（de）密集氣孔總麵積不得超過鎳板單麵麵積的10%。

 

　　金屬鉻表（biǎo）麵應呈灰白色，斷麵應致（zhì）密無（wú）氣孔。

 

　　鉬條表麵應光潔（jié），呈銀灰色或銀灰色金屬光澤，，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

 

　　采用酸性中頻感應爐熔煉，石英砂坩鍋（guō）應保持良好（hǎo）狀態，新（xīn）坩鍋在使用前需用（yòng）金屬鎳或同種合金（jīn）洗爐一到兩次。

 

　　4）嚴格控（kòng）製熔煉溫度和時間

 

　　這些條（tiáo）件（jiàn）會影響（xiǎng）合金元（yuán）素的燒損量以及鎳基高溫合金粉（fěn）末合金化程度。在生產過（guò）程中（zhōng）一般熔液的過 熱度在200℃-300℃，並在爐料全部熔化並（bìng）扒（bā）渣後鎮（zhèn）靜3-5分鍾，再轉入霧化工序。 試製的鎳基（jī）高溫合金焊（hàn）粉ERNiCrMo-3（Inconel625）的化學成分（fèn），與進口焊粉的化學成分、氧含量 實測，見表2。

 

 

 

　　2.4.2粉末的氧（yǎng）含量

 

　　粉末中的氧含量是影響堆焊接頭質量的主（zhǔ）要因素之一，當粉末中氧含量過高（gāo）時，粉末中的氧化物會阻礙粉末與（yǔ）金屬基體（tǐ）之間的潤（rùn）濕，使兩者不能較好（hǎo）的熔合；而且由於氧化物的熔點較高，會在堆焊接頭中形成氧（yǎng）化物夾雜導致缺陷，使零件在（zài）高溫工作狀態下產生應力集中，損害部件。因此控製粉（fěn）末氧含量是衡量（liàng）粉末質量的關鍵（jiàn）。由於本生（shēng）產過程的所有工（gōng）序均在非真空環境下進行，因此在生產過程中，我（wǒ）們針對不（bú）同（tóng）的生產工序采取了許（xǔ）多方法（fǎ）來防止粉末（mò）的氧化。

 

　　熔煉方式對粉末的氧含量影響（xiǎng） ：真空霧化法為原（yuán）材料在真空（kōng）中頻感應爐（lú）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（yǐ）看（kàn）出，在其它霧化工（gōng）藝參數相同的情況（kuàng）下，真空霧化法得到的焊（hàn）粉的氧含量稍低於大氣熔煉時的氧含量，僅低0.004%。[3]

 

 

　　3、結論（lùn）

 

　　利用成熟的氣霧化製粉（fěn）工藝和氬氣保護煉鋼方式，將製取鎳基高溫合金粉末、鐵基高溫合金粉末等粘（zhān）度較（jiào）大的（de）合金粉末。即：將原材（cái）料在真空爐內（nèi）做（zuò）成真空錠，而後在（zài）非真空爐中重熔，並在氬氣保護下實現傾倒鋼液、氣霧化，全過程液氬（yà）保護鋼液，成功試製了ERNiCrMo-3（Inconel625）、ERNiCrMo-10（HC-22）、ERNiFeCr-1(Incoloy825)、Monel 400（蒙乃（nǎi）爾）、HC-276等粘度較（jiào）大的高溫合金焊粉，化學（xué）成分符合相（xiàng）關標準，且氧含量得到了與真空爐霧化法（fǎ）製（zhì）取同樣質量（liàng）的產品。

 

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