隨（suí）著石油化工工業的迅速發展，處於高壓、高溫以（yǐ）及在腐蝕條件下（xià）操（cāo）作的（de）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（cái）料。如（rú）果 全部用上述材料製造，代價太高。為了降低生產（chǎn）成（chéng）本，節省昂貴的材料，隻要（yào）在（zài）設備表麵或內壁堆 焊（hàn）一層鎳基高（gāo）溫合金（jīn）或不鏽鋼，即可增加設備的（de）耐腐蝕性（xìng）能。特別是鎳基高（gāo）溫合金，屬於比（bǐ）較重要 的耐腐蝕材料,和普通不鏽鋼、其它耐腐蝕金屬、非金屬的材料相（xiàng）比,它們在各種不同的腐蝕環（huán）境中， 甚至是化學腐蝕與電化學腐蝕中,具備耐各種形式的（de）腐蝕和破壞的能力,並且（qiě）具備良好（hǎo）的力學性能和 機加工性能,其綜合抗腐蝕（shí）性能比一般不鏽鋼及其它耐腐蝕金屬材料強，尤（yóu）其適宜於介質環境苛刻的 當代工業。

 

　　成熟的（de）氣霧化製（zhì）粉工藝和氬氣保護煉鋼方（fāng）式，即：將原材料在真空爐內做（zuò）成真空錠，之（zhī）後在（zài）非 真空爐中重熔，並在液氬保護下實現傾（qīng）倒鋼液、氣霧化，全過程氬氣保護鋼（gāng）液，得（dé）到與真空爐霧化 法製取同樣質量的（de）產品。

 

　　1、氬氣（qì）保護氣霧化法製取高溫合（hé）金焊（hàn）粉

 

　　1.1 氣霧化法製粉原理（lǐ）

 

　　根據合金牌號的化學成分（fèn）配料後，通過中頻爐加熱熔化金屬材料後，熔融金屬（shǔ）按一定的澆注速度，通過霧化噴嘴，在密閉（bì）的霧（wù）化室內（霧化室內充（chōng）滿純氮氣，氧含量低於0.02%以下）由高速氮氣衝擊合（hé）金流柱，形成細小（xiǎo）的合金（jīn）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（chāo）音速的氣體射流將（jiāng）熔融的金屬或合金液流（liú）粉碎形（xíng）成金屬（shǔ）或（huò）合（hé）金粉末（mò）的過程，將飛行的合金液滴在0.5——1.0秒瞬間凝固成（chéng）細小的粉末。

 

　　此方法可以生產熔（róng）點低（dī）於1700℃的各種金屬及合金粉末，所得粉末為球形，粉末表麵的氧化（huà）程度也比（bǐ）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（yòng）的（de）霧化介質有氮氣、氬氣（qì）或空氣。

 

　　氣霧化生產金屬或合金粉末具有下列特點：[1]

 

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

 

　　2）製得的粉末具有（yǒu）化學成分相同且均勻，沒有偏析，非金屬夾雜物（wù）少，純度高。

 

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

 

　　4）粉末的氧化物主要（yào）集中在顆粒的（de）表麵，其氧化程度可借（jiè）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）大批量生產性能一致的粉末。

 

　　1.2 氬（yà）氣全程保護

 

　　氬氣是一種惰性氣體，不與鋼（gāng）液發生任何反應，用以隔離（lí）空氣，保證鋼液的穩定，可確保 合金（jīn）在熔化、澆注等過程中不（bú）受氧氣、氮氣汙（wū）染，可得到氧（yǎng）含量較低的粉末。氬氣保護係統包 括以下幾個部分：

 

　　1.2.1爐頂吹氬

 

　　真空錠在在非真空狀態下，加熱、熔化，表麵發紅後會被空氣氧（yǎng）化（huà），生成（chéng）氧化物，增加材 料夾（jiá）雜物。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，完全隔離 空氣，在爐料熔化後，撤掉保（bǎo）護罩，造渣保護，同時啟（qǐ）動爐底吹氬裝置。

 

　　1.2.2爐底吹氬

 

　　在爐（lú）底安裝透氣轉，當鋼（gāng）液熔化後，打開氬氣閥門，氬氣從爐底吹入鋼液內部，並且上浮， 上（shàng）浮過程（chéng）中，鋼（gāng）液內的其它氣體（tǐ）和雜質進入氬氣泡內，隨氬氣一起上浮，鋼液（yè）得以淨化。

 

　　1.2.3 出鋼過程氬氣保護

 

　　為防止鋼液在出鋼（gāng）過程（chéng）中的二次（cì）氧化，專門設（shè）計了出鋼保護罩，安裝在爐嘴，出鋼過程中， 鋼液流完（wán）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（fěn）工藝（yì）和（hé）液氬全程保護（hù）煉鋼方式，輔助於合（hé）理的霧化裝置（噴嘴）和鋼溫

 

　　1.3.1 霧（wù）化裝置（噴嘴）

 

　　噴嘴是霧化（huà）裝置中使霧化介質獲得高能量、高速度（dù）的部件，它（tā）對霧（wù）化效（xiào）率和（hé）霧化過程（chéng）的穩定性 起（qǐ）重要（yào）作用。利用公司專利“組合式噴嘴及其合金粉末垂直氣霧（wù）化裝置”，保（bǎo）證霧化介質與金屬液流 之間形成最合理的噴射角度；使（shǐ）金屬液流變成明顯的紊流；中間是主噴嘴，實施錐形（xíng）噴射，外圍增 加輔（fǔ）助噴嘴，實施環形平（píng）行噴射，對金屬小液滴進行二次破碎和二次冷卻的同時，約束金屬液滴橫 向飛（fēi）行，加快粉末下降速度（dù），可以防止液滴（dī）和高溫的小金屬球（qiú）粘連，保證粉末球（qiú）形良好，大幅度減 少“衛星（xīng）球粉（fěn）”。 輔助噴嘴實施的（de）二次破碎和二次冷卻對提高粉末整體質量作用明顯（xiǎn）：

 

　　1）減（jiǎn）少了大顆粒，使得到的適用粉末比例提高，即提高（gāo）了（le）成品率；

 

　　2）減少了（le）衛星球（qiú）粉，使粉末表麵更加（jiā）光滑，粉末（mò）間的磨擦力減少，流動性能提（tí）高；

 

　　3）減少了空心球粉，使（shǐ）粉末的（de）堆積密度提高，即提高（gāo）了鬆裝比； 粉末的空（kōng）心率，由原來（lái）的 5％下降到 1％以下；粉末成品率明顯提高，達到 50—70％，節約了霧（wù）化氣體、電能、人工費用（yòng）。

 

　　1.3.2 提高鋼（gāng）溫

 

　　高溫（wēn）合金粘性大（dà），通過提高金屬液流的溫度，即提高金屬液流過熱度來（lái）提高（gāo）粉末（mò）的成球率。當 霧化溫（wēn）度為 1300℃時，粉末的球形度不高，粉末以類球形（xíng）為主並且粉末表麵粗糙，這是因為金屬（shǔ）液 流的溫（wēn）度較低時，其粘（zhān）度增（zēng）大，使金屬粉末成球困難，另外（wài）較低的金屬液流溫度使金屬粉末的凝固 時間縮短，粉末在未收縮（suō）成球（qiú）之前已經凝固。當霧化溫度達到 1500℃時，粉末球形度高且粉末表麵 光滑。因此提（tí）高金屬液流過熱度能提高粉末的成球率，這（zhè）是因為（wéi）它在延長金屬粉末的凝固時（shí）間的同 時，還（hái）能使金屬液的粘度降低從而使金（jīn）屬粉末的球化時間縮短，即在實際生產金屬液流的過熱度控 製在（zài） 200-300℃時能得到球形度高，表（biǎo）麵光潔的優（yōu）質粉末。[2]

 

　　生產實踐表明：增加金屬液流過熱度可降低粉末的平（píng）均粒徑，這是由於溫度升高時液體體積膨 脹，分子問（wèn）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（dù）升高時，氣相蒸汽壓變大， 密度（dù）增（zēng）大，氣相分子對液體表麵（miàn）分子作用增強，從（cóng）而導致金屬熔融液體的表麵張力與粘度隨金屬溫 度的升高而減小逐漸降低。而金屬熔融液體的表麵張力與粘度的降低（dī）使熔融金屬在霧化（huà）過程中容易 被霧化氣體衝擊撕裂成微小液滴，有利於（yú）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（jīn）焊粉

 

　　鎳基（jī）高溫合金焊粉在機械、化工、航空等領域中得到了廣泛的（de）應用，其堆焊層有良好（hǎo）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（jí）高溫合金的熱（rè）處理製度（dù）相一致，ERNiCrMo-3（Inconel625）、ERNiCrMo-10（HC-22） 。而且隨（suí）著近幾年汽車工業和民用製品的高速發展， 鎳基高溫（wēn）合金在民用製品的使用上也日漸增加。因此鎳基（jī）高溫合（hé）金焊粉適用堆焊在高溫、腐蝕下工作 的碳鋼、不鏽鋼、耐（nài）熱鋼及高溫合金零部件上。在堆焊過程中要求焊粉的化學成分均勻、穩定，且 具有較低的氧含量及低的雜質，以便使堆焊（hàn）過（guò）程工藝良（liáng）好、粉（fěn）末與基材潤濕（shī）充分，並減少氧化物夾 雜（zá）導致的堆焊接頭（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較高、粉末 形狀難控製、批量過小等現（xiàn）狀，或需要（yào）有更精良的生產設備，導致堆焊（hàn）部（bù）位存在缺陷而不能正常工 作，因此長期以來均依賴進口。

 

　　2.2 試驗（yàn）內容

 

　　所試製生產ERNiCrMo-3（Inconel625）焊（hàn）粉，球形狀，按使用工況指標，其中氧含量控製在0.08%以（yǐ）下。對生產的鎳基高溫合金粉末的化學成分、氧含量成分控製如表1要求（qiú），

 

 

 

　　2.3 生產原理

 

　　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等金屬或合（hé）金，在中頻感應爐中熔（róng）煉成符合化學成（chéng）分要（yào）求的熔液，己（jǐ）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）入到漏包坩鍋（中（zhōng）間包）中，在中間包的下方放（fàng）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（shí）開啟高（gāo）壓氮氣（qì）匯流（liú）裝置，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）金流衝擊（jī）成（chéng）合金液滴，合金（jīn）液滴落入霧化桶內，凝（níng）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（jí）分析（xī）

 

　　2.4.1 化學成分的控製（zhì）

 

　　粉末化學成分的穩定性、精（jīng）確性直接影響到堆焊接頭的性能高低及堆焊溫度（dù）的選擇（zé），因（yīn）此在生產過程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，按原材料檢驗規範對每（měi）批原材料進（jìn）行檢驗，嚴禁潮濕或鏽（xiù）蝕的爐料（liào）或返回料進入 熔煉爐，並（bìng）對所有原材料進（jìn）行適（shì）當的處理。 鎳板（bǎn）厚度不小於3mm，邊緣無樹枝狀結粒和密集氣孔，板麵不得有直徑大於2mm的氣孔，直徑 0.5-2mm的密集氣（qì）孔總麵積不得超過鎳板單麵麵積（jī）的10%。

 

　　金屬鉻表麵應（yīng）呈灰白色，斷麵應致（zhì）密無氣孔。

 

　　鉬條表麵（miàn）應光潔，呈銀灰色或（huò）銀灰色（sè）金屬光澤，，不得有嚴重的淡黃色或（huò）深黑色氧化和沾（zhān）汙現象等。

 

　　2)選合（hé）適的爐襯材料，避免因爐襯材料不合理所造成的（de）汙染

 

　　采（cǎi）用酸性中頻感應爐熔（róng）煉，石英砂坩鍋（guō）應（yīng）保持良好狀態，新坩鍋在使用前需用金屬鎳或同種（zhǒng）合（hé）金洗爐（lú）一到兩次。

 

　　4）嚴格控（kòng）製熔煉溫度和時間

 

　　這些條件（jiàn）會影（yǐng）響（xiǎng）合金元素的燒損量以及鎳基高溫合金粉末合金化程度。在生產過程中一般熔液的（de）過 熱度在200℃-300℃，並在爐料全部熔化並扒渣後鎮靜3-5分鍾（zhōng），再轉入霧化工序。 試製的鎳基高溫合金焊粉ERNiCrMo-3（Inconel625）的化學成分，與進口焊粉的化學成分、氧含量 實測，見表2。

 

 

 

　　2.4.2粉（fěn）末的氧含（hán）量

 

　　粉末中的氧含量是影響（xiǎng）堆焊接頭質量的主要因素之（zhī）一，當（dāng）粉末（mò）中氧含量過高時，粉末中的氧化物會阻礙粉末與（yǔ）金（jīn）屬基體之間的潤濕，使兩者不能較好的熔合；而且由於氧化物的熔點較（jiào）高，會在堆焊（hàn）接頭中形成氧化物夾雜導致缺陷，使零件在高溫工（gōng）作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（liàng）的關鍵。由於本生產過程（chéng）的所有（yǒu）工序均在非真空環境下進（jìn）行，因此（cǐ）在生產過程中，我們針對不同的生產工序采（cǎi）取了許多（duō）方法來防止粉（fěn）末（mò）的氧化。

 

　　熔煉方（fāng）式對粉末的氧含量影響 ：真空霧化法為原材料在真空中頻感應爐中熔（róng）化（huà）、重熔、霧化；而非真空熔煉為大氣環境（jìng）中熔煉、重熔、霧化。表3可以看出，在（zài）其它霧化工藝參數相同的情（qíng）況下，真空霧化（huà）法得到的焊粉的氧含量稍（shāo）低於大氣熔煉時的（de）氧含量，僅低0.004%。[3]

 

 

　　3、結論

 

　　利用成熟的氣（qì）霧化製粉工藝和氬（yà）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度較（jiào）大的合金粉末。即：將原材料（liào）在真空爐內做成真空錠，而後在非真空爐中重熔，並在氬氣保護下（xià）實現傾倒（dǎo）鋼液（yè）、氣霧化（huà），全過程液氬（yà）保護鋼液，成功試製（zhì）了（le）ERNiCrMo-3（Inconel625）、ERNiCrMo-10（HC-22）、ERNiFeCr-1(Incoloy825)、Monel 400（蒙乃爾（ěr））、HC-276等粘度較大的高溫合金焊粉（fěn），化學（xué）成分符合相關標（biāo）準，且氧含量得到了與真空爐霧化法製取同樣質量的產品。

 

　　對保證焊接質量起到了有效的（de）控製。同時，可按此工藝可批量生產高溫合金焊粉，促進了高溫（wēn）合 金焊粉的國產化，加快了高（gāo）效（xiào）焊接的步伐。