專利名稱：一種耐熱鋼管瞬時液相擴散連接中間層合金的制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于耐熱鋼焊接技術(shù)領域，具體涉及一種耐熱鋼管瞬時液相擴散連接中間層合金的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著電站機組容量、規(guī)模和參數(shù)的不斷提高，火電廠熱力系統(tǒng)經(jīng)歷了從低壓一中壓一高壓一超高壓一亞臨界的發(fā)展升級。由于蒸汽溫度和壓力的提高，對火電機組耐熱鋼的抗蠕變、抗疲勞、抗高溫氧化與腐蝕等性能都提出了更苛刻的要求，在使用新型耐熱鋼的同時，必須解決這些鋼的焊接問題。我國目前電站火力發(fā)電機組所用的耐熱鋼主要有T91 OCr-IMoVNb)鋼、T92鋼、 12Cr2MoffVTiB鋼、Super304H鋼、102鋼等，這些鋼采用傳統(tǒng)的焊接方法，尚未取得理想的效果。常規(guī)熔化焊方法如埋弧焊、手工電弧焊、TIG焊、MIG焊和MAG焊等，通常形成較寬的焊縫和熱影響區(qū)，容易產(chǎn)生較大的焊接變形以及殘余應力。高能束流焊接方法(電子束焊接和激光焊接方法等)雖然熱能集中，整體熱輸入量明顯下降，形成的接頭區(qū)域(焊縫和熱影響區(qū))顯著小于常規(guī)熔化焊方法，且焊接接頭性能和精度有較大提高，但高能束流焊接方法仍屬于熔化焊一類，其焊接溫度超過了母材熔點，不可避免會對母材造成熱損傷。塑性連接方法(如摩擦焊)雖然連接溫度在母材熔點之下，對母材性能的影響較低，但接頭存在組織弱化區(qū)，且接頭結(jié)合強度有限。為了降低連接工藝對母材組織性能的不良影響，近年來擴散連接方法得到了較快的發(fā)展。瞬時液相擴散連接(Transient liquid-phase bonding，簡稱TLP)作為一種新型焊接技術(shù)在耐熱鋼管道焊接中受到廣泛關(guān)注。其原理是在被連接的管道之間預置低熔點合金中間層，加壓加熱后在母材間形成低熔點的液相，在一定溫度和壓力下，利用合金元素的快速擴散使母材瞬時液化，并隨后等溫凝固而完成焊接過程。作為TPL連接的中間層，須具備以下條件1)熔點低于母材；2)與母材間的潤濕性好；3)不形成有害的金屬間化合物； 4)完成等溫凝固快；5)成分均勻化快。從目前電站鋼管以及石油管道擴散連接相關(guān)文獻記載，如T91鋼管的瞬時液相擴散連接、TP304H鋼管的瞬時液相擴散連接、TP304H/12CrMoV異種鋼管的瞬時液相擴散連接等研究工作可知，中間層主要采用!^e-Ni-Cr-Si-B系非晶箔帶合金。這種非晶箔帶合金中間層的優(yōu)點在于厚度均勻可控，成分均勻且相對“潔凈”，即雜質(zhì)含量低，無需粘接劑，焊接效果優(yōu)良。但其不足之處為非晶箔帶制備工藝復雜，成本高，以管道直徑和壁厚裁剪合適形狀的中間層，特別是對于異型截面管道及大直徑管道存在一定難度，且利用率較低。利用微束等離子噴涂自熔性合金粉末制備中間層的方法，可有效克服上述非晶箔帶合金中間層存在的缺點。經(jīng)檢索，有關(guān)采用微束等離子噴涂自熔性合金粉末制備中間層的方法鮮有報道。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有耐熱鋼管瞬時液相擴散連接非晶箔帶合金中間層存在的問題，本發(fā)明研制一種耐熱鋼管瞬時液相擴散連接中間層合金的制備方法，該方法要解決的問題是采用微束等離子噴涂自熔性合金粉末，在耐熱鋼管連接界面制備中間層實現(xiàn)瞬時液相擴散連接的方法。采用這種方法，可在耐熱鋼管(包括規(guī)則形狀和異型截面形狀鋼管)連接界面快速方便地制備中間層合金，滿足瞬時液相擴散連接高強度焊接接頭的要求。本發(fā)明的主要技術(shù)方案是利用微束等離子噴涂設備，采用MCrfeBSi自熔性合金粉末(市售鎳基噴焊粉末)制備中間層。具體地說，是在耐熱鋼管連接界面處經(jīng)過凈化糙化處理后，采用微束等離子噴涂工藝在其連接界面上進行中間層噴涂制備，為隨后耐熱鋼管瞬時液相擴散連接做好中間層預置工作。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
一種耐熱鋼管瞬時液相擴散連接中間層合金的制備方法，該方法包括以下步驟 第一步、對耐熱鋼管連接界面，即端面進行車削或切割，使鋼管端面平直且與管道軸線呈90°角垂直；
第二步、噴涂前對耐熱鋼管連接界面進行預處理是指對鋼管端面用酒精或丙酮清洗除油，待噴涂表面進行噴砂糙化處理，使之露出潔凈糙化的金屬表面；
第三步、采用微束等離子噴涂方法對耐熱鋼管連接界面的一側(cè)噴涂中間層，中間層合金噴涂用材為球狀的NiCrfeBSi鎳基自熔性合金粉末，粒度范圍45 15 μ m,其成分以質(zhì)量百分比計為鉻Cr 0 16%，鐵Fe 6 14%wt，硼B(yǎng) 1. 5 3. 5%wt，硅Si 2. 5 4. 0%wt，碳 C 0. 1 0. 8%wt，鈷 Co 10%wt，余量為鎳 Ni ；
第四步、采用氬氣作為等離子氣體及送粉氣體，其工藝參數(shù)為噴涂電壓32V 38V，噴涂電流20A 65A，噴涂距離30 120mm，氬氣流量0. 8 3. OL/min,沉積束斑直徑3_ IOmm,獲得的中間層厚度50 μ m 100 μ m,然后立即進行瞬時液相擴散連接。進一步，步驟四中所述的工藝參數(shù)優(yōu)選噴涂電壓34V 36V，噴涂電流35A-50A， 噴涂距離40 100mm，氬氣流量1. 0 2. 5L/min，沉積束斑直徑4mm 8mm，獲得的中間層厚度 60μπι 90μπιο本發(fā)明的積極效果是
1、本發(fā)明所述的在耐熱鋼管端面制備中間層合金的方法中，所使用的材料為自熔性合金粉末，有良好的“自釬劑”作用，不形成穩(wěn)定的有害相，熔點在950 1300°C之間，低于被連接耐熱鋼母材的熔點，滿足TPL連接的中間層須具備的條件；在加壓加熱時，熔化了的中間層合金能順利地漫流于母材表面，為中間層/母材形成合金過渡層，從而形成冶金結(jié)合提供了良好的溶解、擴散條件；由于中間層主體組成元素為鎳Ni，鉻Cr和鈷Co，焊接后可使焊縫區(qū)同母材一樣具備抗高溫氧化性能、抗腐蝕性能、抗低溫脆斷性能等。2、本發(fā)明所述的在耐熱鋼管端面制備中間層合金的方法中，由于所使用的微束等離子噴涂系統(tǒng)采用氬氣作為等離子氣體及送粉氣體，可以防止粉末在加熱噴敷過程中發(fā)生進一步氧化，以保證中間層合金成分的“純凈”；由于等離子束成緊束狀，粒子束流沉積直徑可縮小至3 5 mm，在薄壁鋼管端部噴涂，提高了噴涂粉末的利用率；由于微束等離子噴涂功率比傳統(tǒng)的APS的功率小得多，在噴涂薄壁管件時能避免局部的過熱和變形而影響到隨后的對中焊接；由于工作時等離子氣體流量小(最大選用約2. 5 L/ min)，可以有效利用等離子氣體，降低成本。3、采用本發(fā)明所述的微束等離子噴涂制備中間層合金的方法，可有效克服非晶箔帶中間層合金制備工藝復雜，成本高，利用率低，特別是對于異型截面管道及大直徑管道難以裁剪合適形狀的中間層的缺點；同采用非晶箔帶合金制備中間層相比，本發(fā)明提供的微束等離子噴涂自熔性合金粉末制備中間層的方法，具有操作簡便、適用性強的特點，可節(jié)省高合金中間層材料，便于推廣使用。
具體實施例方式
以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。實施例1
外徑為0 63. 5mm、壁厚為5mm的T91 (9Cr_lMoVNb)/T91鋼管，在其端面微束等離子噴涂制備中間層合金的工藝步驟為
第一步、對耐熱鋼管連接界面，即端面進行車削或切割，使鋼管端面平直且與管道軸線呈90°角垂直；
第二步、噴涂前對耐熱鋼管連接界面進行預處理是指對鋼管端面用酒精或丙酮清洗除油，待噴涂表面進行噴砂糙化處理，使之露出潔凈糙化的金屬表面；
第三步、采用微束等離子噴涂方法對耐熱鋼管連接界面的一側(cè)噴涂中間層，中間層合金噴涂用材為球狀的NiCrfeBSi鎳基自熔性合金粉末，粒度范圍45 15 μ m,其成分以質(zhì)量百分比計為鉻 Cr 10. 0% wt,^Fe 8. 0%wt，硼 B 2. 2%wt，硅 Si 2. 5%wt，碳 C 0. 15% wt，鈷 Col0%wt，余量為鎳Ni ；
第四步、采用氬氣作為等離子氣體及送粉氣體，其工藝參數(shù)為噴涂電壓34V，噴涂電流40A，噴涂距離40mm，氬氣流量1. 4L/min，沉積束斑直徑4mm，獲得的中間層厚度60 μ m, 然后立即進行瞬時液相擴散連接，由于采用氬氣(惰性氣體)作為等離子氣體及送粉氣體， 所述的中間層合金成分與MCri^BSi鎳基自熔性合金粉末成分一致。實施例2:
外徑為0 63. 5mm、壁厚為5mm的T91 (9Cr_lMoVNb)/102鋼管，在其端面微束等離子噴涂制備中間層合金的工藝步驟為；
第一步、對耐熱鋼管連接界面，即端面進行車削或切割，使鋼管端面平直且與管道軸線呈90°角垂直；
第二步、噴涂前對耐熱鋼管連接界面進行預處理是指對鋼管端面用酒精或丙酮清洗除油，待噴涂表面進行噴砂糙化處理，使之露出潔凈糙化的金屬表面；
第三步、采用微束等離子噴涂方法對鋼管連接界面的一側(cè)噴涂中間層，中間層合金噴涂用材為球狀的NiCrf^eBSi鎳基自熔性合金粉末，粒度范圍45 15 μ m，其成分以質(zhì)量百分比計為鉻 Cr 8.0% wt,^Fe 12. 0%wt，硼 B 3. 0%wt，硅 Si 3. 5%wt，碳 C 0. 25% wt，鈷 Col0%wt，余量為鎳Ni ；
第四步、采用氬氣作為等離子氣體及送粉氣體，其工藝參數(shù)為噴涂電壓35V，噴涂電流45A，噴涂距離50mm，氬氣流量1. 7L/min，沉積束斑直徑5mm，獲得的中間層厚度65 μ m, 然后立即進行瞬時液相擴散連接，由于采用氬氣(惰性氣體)作為等離子氣體及送粉氣體， 所述的中間層合金成分與NiCrfeBSi自熔性合金粉末成分一致。實施例3:
外徑為Φ 63. 5mm、壁厚為5mm的T91 (9Cr-IMoVNb) /12Cr2MoffVTiB鋼管，在其端面微束等離子噴涂制備中間層合金的工藝步驟為
第一步、對耐熱鋼管連接界面，即端面進行車削或切割，使鋼管端面平直且與管道軸線呈90°角垂直；第二步、噴涂前對耐熱鋼管連接界面進行預處理是指對鋼管端面用酒精或丙酮清洗除油，待噴涂表面進行噴砂糙化處理，使之露出潔凈糙化的金屬表面；
第三步、采用微束等離子噴涂方法對耐熱鋼管連接界面的一側(cè)噴涂中間層，中間層合金噴涂用材為球狀的NiCrfeBSi鎳基自熔性合金粉末，粒度范圍45 15 μ m,其成分以質(zhì)量百分比計為鉻 Cr 6. 0% wt，鐵 Fe 10. 0%wt，硼 B 3. 5%wt，硅 Si 4. 0%wt，碳 C 0. 35% wt，鈷 Co 10%wt，余量為鎳Ni ；
第四步、采用氬氣作為等離子氣體及送粉氣體，其工藝參數(shù)為噴涂電壓36V，噴涂電流50A，噴涂距離60mm，氬氣流量2. OL/min，沉積束斑直徑6mm，獲得的中間層厚度70 μ m, 然后立即進行瞬時液相擴散連接，由于采用氬氣(惰性氣體)作為等離子氣體及送粉氣體， 所述的中間層合金成分與MCri^BSi鎳基自熔性合金粉末成分一致。
綜上所述，本發(fā)明不僅適用于規(guī)則形狀耐熱鋼管中間層合金的制備，用于異型截面耐熱鋼管道及大直徑管道中間層合金的制備，優(yōu)勢更加顯著；本發(fā)明的實施可以快速簡便地在耐熱鋼管焊接端面噴涂制備MCri^eBSi鎳基自熔性合金中間層，用于耐熱鋼管瞬時液相擴散連接可以獲得結(jié)合強度高的連接接頭；還可用于其它材質(zhì)鋼管瞬時液相擴散連接中間層合金的制備。
權(quán)利要求
1.一種耐熱鋼管瞬時液相擴散連接中間層合金的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟第一步、對耐熱鋼管連接界面，即端面進行車削或切割，使鋼管端面平直且與管道軸線呈90°角垂直；第二步、噴涂前對耐熱鋼管連接界面進行預處理是指對鋼管端面用酒精或丙酮清洗除油，待噴涂表面進行噴砂糙化處理，使之露出潔凈糙化的金屬表面；第三步、采用微束等離子噴涂方法對耐熱鋼管連接界面的一側(cè)噴涂中間層，中間層合金噴涂用材為球狀的NiCrfeBSi鎳基自熔性合金粉末，粒度范圍45 15 μ m,其成分以質(zhì)量百分比計為鉻Cr 0 16%，鐵Fe 6 14%wt，硼B(yǎng) 1. 5 3. 5%wt，硅Si 2. 5 4. 0%wt，碳 C 0. 1 0. 8%wt，鈷 Co 10%wt，余量為鎳 Ni ；第四步、采用氬氣作為等離子氣體及送粉氣體，其工藝參數(shù)為噴涂電壓32V 38V，噴涂電流20A 65A，噴涂距離30 120mm，氬氣流量0. 8 3. OL/min,沉積束斑直徑3謹 IOmm,獲得的中間層厚度50 μ m 100 μ m,然后立即進行瞬時液相擴散連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐熱鋼管瞬時液相擴散連接中間層合金的制備方法， 其特征在于步驟三中的中間層合金噴涂用材為球狀的MCri^eBSi鎳基自熔性合金粉末， 粒度范圍45 15 μ m，其成分以質(zhì)量百分比計為鉻Cr 10. 0%襯，鐵狗8. 0%wt，硼B(yǎng)2.2%wt，硅 Si 2. 5%wt，碳 C 0. 15% wt，鈷 Col0%wt，余量為鎳 Ni。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐熱鋼管瞬時液相擴散連接中間層合金的制備方法， 其特征在于步驟三中的中間層合金噴涂用材為球狀的NiCrFeBSi鎳基自熔性合金粉末， 粒度范圍45 15 μ m，其成分以質(zhì)量百分比計為鉻Cr 8.0%襯，鐵狗12. 0%wt，硼B(yǎng)3.0%wt，硅 Si 3. 5%wt，碳 C 0. 25% wt，鈷 Col0%wt，余量為鎳 Ni。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐熱鋼管瞬時液相擴散連接中間層合金的制備方法， 其特征在于步驟三中的中間層合金噴涂用材為球狀的MCri^eBSi鎳基自熔性合金粉末， 粒度范圍45 15 μ m，其成分以質(zhì)量百分比計為鉻Cr 6.0%襯，鐵狗10. 0%wt，硼B(yǎng) 3. 5%wt，硅 Si 4. 0%wt，碳 C 0. 35% wt，鈷 Co 10%wt，余量為鎳 N。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐熱鋼管瞬時液相擴散連接中間層合金的制備方法， 其特征在于步驟四中所述的工藝參數(shù)為噴涂電壓34V 36V，噴涂電流35A-50A，噴涂距離40 100mm，氬氣流量1. 0 2. 5L/min，沉積束斑直徑4mm 8mm，獲得的中間層厚度 60 μ m 90 μ m0
全文摘要
本發(fā)明提供一種耐熱鋼管瞬時液相擴散連接中間層合金的制備方法包括先對耐熱鋼管連接界面進行平整加工，使鋼管端面平直；對鋼管端面用酒精或丙酮清洗除油，并進行噴砂糙化處理；用微束等離子噴涂方法在鋼管連接界面一側(cè)制備NiCrFeBSi鎳基自熔性合金中間層，采用氬氣作為等離子氣體及送粉氣體，工藝參數(shù)為噴涂電壓32V-38V，噴涂電流20A-65A，噴涂距離30-120mm，氬氣流量0.8-3.0L/min，沉積束斑直徑3mm-10mm，獲得的中間層厚度50μm-100μm；然后立即進行瞬時液相擴散連接。本發(fā)明同采用非晶箔帶合金中間層相比具有操作簡便、適用性強，能節(jié)省高合金中間層材料，便于推廣的特點。
文檔編號C22C19/03GK102166687SQ20111002565
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月24日
發(fā)明者凌文丹, 崔紅保, 管紅艷, 袁慶龍, 鄧小玲, 陳思杰 申請人:河南理工大學