隨著石油化工工業的迅速發展，處於高壓、高溫以及在腐（fǔ）蝕條件下操作的設備越來（lái）越多，並有向大型化、高參數發展的趨勢，不鏽（xiù）鋼、鎳基材料（Ni-Mo、Ni-Cr-Mo）類設備是首選材料。如果 全部用（yòng）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，隻要在設備表麵（miàn）或內壁堆（duī） 焊一層鎳基高溫合金或不鏽鋼，即可增加設備的耐（nài）腐蝕性能。特（tè）別是鎳（niè）基高溫合金，屬於比較重要 的耐腐蝕材料,和（hé）普通不鏽鋼、其它耐腐蝕金屬、非金屬的（de）材料相比（bǐ）,它們在各種不同（tóng）的腐蝕環境中， 甚至是化學腐（fǔ）蝕與電化學腐蝕中（zhōng）,具備耐各種形式的腐蝕和破壞的能力,並且具備良好（hǎo）的力學性能和 機加工（gōng）性能,其綜合抗腐蝕性（xìng）能比一般不鏽鋼及其它耐腐蝕金屬材料（liào）強，尤其適宜於介質（zhì）環境苛刻（kè）的 當代工業。

 

　　成熟的氣（qì）霧化製粉工藝和（hé）氬氣保護煉鋼方式（shì），即：將原材料在真空爐內做成（chéng）真空錠，之後（hòu）在非 真空爐中重熔，並在液氬保護下實現傾倒鋼液、氣霧化，全過程氬氣保護（hù）鋼液（yè），得（dé）到與真空（kōng）爐霧化 法製取同樣質量的產品。

 

　　1、氬氣保護（hù）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料後，通過中頻（pín）爐加熱熔化（huà）金屬材（cái）料後，熔融金屬按一定的澆注速度，通過霧（wù）化噴嘴，在密閉的霧化室內（霧化室內充滿純氮氣，氧含量低於0.02%以下）由高速氮氣衝擊合金流柱，形成（chéng）細小的合金（jīn）液滴，合金液滴在霧（wù）化室內做自由落體飛行（háng），通過一特定噴嘴用超音速的氣體射（shè）流將熔融的金屬或合金液流粉碎形成金屬（shǔ）或合金粉末的（de）過程，將飛行的合金液滴在0.5——1.0秒瞬間凝固成細小的粉末（mò）。

 

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

 

　　氣霧（wù）化生產金屬或合金粉末具有下列特點：[1]

 

　　1）在（zài）熔煉過程中可加入各種合金元素（sù），製得範圍廣（guǎng）泛的、具有多（duō）種化學成分的合金粉（fěn）末。

 

　　2）製得的粉末具有化學成（chéng）分相同且均勻（yún），沒有偏析，非金屬夾雜物少，純度高。

 

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

 

　　4）粉末的（de）氧化（huà）物主要集中在顆粒的表麵，其氧化程（chéng）度可借助於調節霧化（huà）工藝參數進行調整，能獲得含氧量極（jí）低的優質合金粉末（mò）。

 

　　5）粉末性能重複性高，適於大批量生（shēng）產性能一致的粉末。

 

　　1.2 氬氣全（quán）程保護

 

　　氬氣是一種惰性氣體，不與鋼液發生任何反應，用以隔離空氣，保證鋼液的穩定，可（kě）確保 合金在熔化、澆注（zhù）等過程中（zhōng）不受氧氣、氮氣汙染，可得到氧含量較低的粉末。氬（yà）氣保（bǎo）護係統包 括以下幾個部分：

 

　　1.2.1爐頂（dǐng）吹氬

 

　　真空錠在在非真空狀（zhuàng）態下，加熱、熔化，表麵（miàn）發紅（hóng）後會被空氣氧化，生成（chéng）氧化物，增加材 料夾雜物。為此（cǐ），公司專門設計了氬氣保護罩，加熱熔化的過程（chéng）中，爐內充（chōng）滿氬氣，完全隔離 空氣，在爐（lú）料熔化後，撤掉保護（hù）罩，造渣保（bǎo）護，同時啟動爐底（dǐ）吹氬裝（zhuāng）置。

 

　　1.2.2爐（lú）底吹氬

 

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

 

　　1.2.3 出鋼過程氬氣保護（hù）

 

　　為（wéi）防止鋼液在出鋼過程中的（de）二次（cì）氧化，專門設計了出鋼保護罩，安裝在爐嘴，出鋼（gāng）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和液氬全程（chéng）保護煉鋼方式，輔助於合理的霧化裝置（噴嘴）和鋼溫

 

　　1.3.1 霧化裝置（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（bù）件，它對霧化效率和霧化過程的穩定性 起（qǐ）重要作用。利用公（gōng）司專利“組合式噴嘴及其（qí）合金粉末垂直氣霧化裝置（zhì）”，保證霧（wù）化介質與金屬液（yè）流 之間形成最合理的噴射角度；使金屬液流變成（chéng）明顯（xiǎn）的紊流；中間是主噴嘴，實施錐（zhuī）形噴射，外圍（wéi）增 加輔助噴嘴，實施環形平行（háng）噴射，對金屬小液滴進行二次破碎和（hé）二次冷卻的同時，約束金屬液（yè）滴橫 向（xiàng）飛行（háng），加快粉末下降速度，可以防止液滴和高溫的（de）小（xiǎo）金屬球（qiú）粘連，保證粉末球形良好，大（dà）幅度減 少“衛星球粉（fěn）”。 輔助噴嘴實施的二次破（pò）碎（suì）和二次冷卻對提高粉末整體質量作用明顯：

 

　　1）減少了大（dà）顆粒，使得到的適用粉末比例提高，即提高（gāo）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，流動性能提高；

 

　　3）減少了空心球粉，使粉末的堆積密度提高，即提高了鬆裝比； 粉末的空心率，由原來的 5％下降到 1％以下；粉末成品率明顯（xiǎn）提高，達到 50—70％，節約了霧化氣體（tǐ）、電能、人（rén）工費用。

 

　　1.3.2 提高鋼溫

 

　　高溫合金粘（zhān）性大，通（tōng）過提高金屬液流的溫度，即提高（gāo）金屬（shǔ）液流過熱度來提高粉末（mò）的成球率（lǜ）。當 霧化（huà）溫（wēn）度為 1300℃時，粉（fěn）末（mò）的球形度不高，粉末以類球形為主並且粉末表麵（miàn）粗糙，這是因為金屬液 流（liú）的溫度較（jiào）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使金屬粉（fěn）末（mò）的凝固 時間縮短，粉末在未收縮成球之前已經凝固。當霧化（huà）溫度（dù）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（liú）過熱度能提高粉末的成球率（lǜ），這是因為（wéi）它在延長金屬粉（fěn）末的凝固時（shí）間（jiān）的同 時，還能使金屬液的粘度降低從而使金屬粉末的球化時（shí）間縮短，即（jí）在實際生（shēng）產金屬液流的過熱度控 製在 200-300℃時能得到球形度（dù）高，表麵光潔（jié）的優（yōu）質粉末。[2]

 

　　生產實踐表明：增加金屬（shǔ）液（yè）流過熱度可降低粉末的平均粒徑，這是由於溫度升高時液（yè）體體積膨 脹，分子問（wèn）距增大，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，氣相蒸汽壓變大（dà）， 密度增大，氣相分子對液體表麵分子作用增強，從而導致金屬熔融液體的表麵張力與粘度隨金屬溫 度的升高而減小逐漸降（jiàng）低。而金（jīn）屬熔融液體的表麵張力與粘度的（de）降低使熔融金屬在霧化（huà）過程中容易 被霧化氣體衝擊撕裂成微小液滴，有（yǒu）利於金屬（shǔ）液（yè）流的破碎。

 

　　2、試（shì）製鎳基高溫合金焊粉

 

　　2.1 鎳基高溫合金焊粉（fěn）

 

　　鎳基高溫合金焊（hàn）粉在機械、化工、航空等（děng）領域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（shí）性能，並且（qiě）其堆焊溫度範圍與不鏽鋼及高溫合金的熱處理製度相（xiàng）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（sù）發展， 鎳基高溫合金在民用製品的使用上（shàng）也日漸增加。因（yīn）此鎳基高溫合金焊粉適用堆焊在高溫、腐（fǔ）蝕下工作 的碳鋼、不鏽鋼、耐熱鋼及高溫合金零部件上。在堆焊過程（chéng）中要（yào）求焊粉的化學成分均勻、穩定，且 具有（yǒu）較低的氧含量及低的（de）雜質，以便使堆焊過程工藝良好、粉（fěn）末與（yǔ）基材潤濕充分，並減少氧化物夾 雜導致的堆焊接（jiē）頭（堆焊層（céng））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（kòng）製、批量過小等（děng）現狀，或需要（yào）有更精良的生產設備，導致堆焊部位存在缺陷而不能正常工（gōng） 作，因（yīn）此長期以來均依賴進口。

 

　　2.2 試驗內容

 

　　所試製生產ERNiCrMo-3（Inconel625）焊粉（fěn），球形狀，按使用工況指標，其中氧含量控製在0.08%以下。對生產的鎳（niè）基高溫合金（jīn）粉末的化學成分、氧含量（liàng）成分（fèn）控製（zhì）如表1要求，

 

 

 

　　2.3 生產原理

 

　　鎳基高溫（wēn）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（shǔ）或合金，在中頻感應爐中熔煉（liàn）成符合化（huà）學（xué）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（jù）集，然後將熔融的金屬液流注入到漏包坩鍋（中間（jiān）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（tóng）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（sù）霧化氣流以一定的角度將（jiāng）通（tōng）過中間包流經漏嘴的合金（jīn）流衝（chōng）擊成合金液滴（dī），合金（jīn）液滴落入（rù）霧化桶內（nèi），凝固成合金（jīn）粉末。整個製粉過程（chéng）均在非真空狀態下運行。見圖1、圖2、圖3。

 

 

 

 

 

 

　　2.4 試驗結果（guǒ）及分析

 

　　2.4.1 化學成分（fèn）的控（kòng）製（zhì）

 

　　粉末化學成分的穩定性、精確性直（zhí）接影響到堆焊接頭的性能高（gāo）低及（jí）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獲得合理（lǐ）的合金成分:

 

　　1）合適的原材料，按原材料檢驗規範對每批原材料進（jìn）行（háng）檢驗，嚴禁潮（cháo）濕或（huò）鏽蝕的爐料或返回料進入 熔煉爐，並對所有原材料進行（háng）適當的處理。 鎳板厚度不小於3mm，邊緣無樹枝狀結粒和密（mì）集氣孔，板麵不得有直徑大於（yú）2mm的氣孔，直徑 0.5-2mm的密（mì）集氣孔總麵積不得超（chāo）過（guò）鎳板單麵麵積的10%。

 

　　金屬鉻表麵應（yīng）呈灰白色（sè），斷麵應致密無氣孔。

 

　　鉬條（tiáo）表麵應光潔，呈銀灰色或銀灰色金（jīn）屬光澤（zé），，不得有嚴重的淡黃色（sè）或深黑色氧化和沾汙現象等。

 

　　2)選合適的爐襯（chèn）材（cái）料，避免因爐襯材料不合（hé）理所造成（chéng）的汙染

 

　　采（cǎi）用酸性中頻感（gǎn）應（yīng）爐熔煉，石英砂坩（gān）鍋應（yīng）保持良好狀態，新坩鍋在使用前需用金屬鎳或同種合金洗爐一到兩次。

 

　　4）嚴格控製熔煉（liàn）溫度和時間

 

　　這些條件會影響合金（jīn）元素的（de）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（yè）的過 熱度在200℃-300℃，並在爐料全部熔化（huà）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（jīn）焊粉ERNiCrMo-3（Inconel625）的化學（xué）成分，與進口焊粉的化學成分、氧含（hán）量 實測，見表2。

 

 

 

　　2.4.2粉末的氧含量

 

　　粉末中的氧含量是影響堆焊接頭質量的主要因素之一，當粉末中氧含量過高時，粉末中的氧化物會阻礙粉末與金（jīn）屬基體之間的潤濕，使兩者不能較好的熔合（hé）；而且（qiě）由於（yú）氧化物的熔點較（jiào）高，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（gōng）作狀態下產生應力集中，損害部件。因（yīn）此控製粉末氧含量是衡量粉末質量的關（guān）鍵。由於本生產過程的所有工序均在（zài）非真空（kōng）環境下進行，因此在生產過程中，我（wǒ）們（men）針對不同的生產工序采取了許多方（fāng）法來防止粉末的氧化。

 

　　熔煉方式對粉末的氧含量影響 ：真空霧（wù）化法為原材料在真（zhēn）空中頻感應爐中熔（róng）化、重熔、霧化；而非真空熔煉為大氣環（huán）境中（zhōng）熔煉、重熔、霧化。表3可以看出，在其它霧化（huà）工藝參數相同的情況下，真空霧化法得（dé）到的焊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

 

　　利用成熟的氣霧化製粉工藝（yì）和氬氣保（bǎo）護煉鋼方式，將製取（qǔ）鎳基（jī）高溫合（hé）金粉末、鐵（tiě）基高溫合金粉末等粘度較大的（de）合金粉末。即：將原材料在真空爐內做成真空錠，而後在非真空爐中重熔，並在氬氣保護下實現傾倒鋼（gāng）液、氣霧化，全過程液氬保護鋼液（yè），成功試製了ERNiCrMo-3（Inconel625）、ERNiCrMo-10（HC-22）、ERNiFeCr-1(Incoloy825)、Monel 400（蒙乃爾（ěr））、HC-276等粘（zhān）度較大的高溫合金焊粉，化學成分符合相（xiàng）關標準（zhǔn），且氧含量得到了（le）與真（zhēn）空（kōng）爐霧化法製取同樣質量的產品（pǐn）。

 

　　對保證（zhèng）焊接質量起到了有效的控製。同時（shí），可（kě）按（àn）此工藝可（kě）批量生產高（gāo）溫（wēn）合金焊（hàn）粉，促進了高溫（wēn）合 金焊粉的國（guó）產化，加（jiā）快了高效焊接（jiē）的（de）步（bù）伐（fá）。