摘（zhāi）要：本文通過論述（shù）用液氬全程保護氣霧（wù）化法製取高溫合金焊（hàn）粉的原理，以及試製結果，表明采用氬氣保護（hù）、氣霧化工藝、真（zhēn）空錠非真空（kōng）熔煉、霧化噴嘴改進、提高鋼水溫度等（děng）措施製取鎳基高溫合金焊粉，可獲得精準的化學（xué）成分和較（jiào）低的含（hán）氧量，與通常采用真空（kōng）霧化法製取的高溫合金焊粉的結果相當，可進行批（pī）量生產。

 

　　0 序（xù）言 

 

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（jiàn）下操作的設備越來越多，並有向大型化、高參數發展的趨勢，不鏽鋼、鎳基材（cái）料（Ni-Mo、Ni-Cr-Mo）類設備是首選材料。如果 全部用（yòng）上述材（cái）料製造，代（dài）價太高。為了降低生產成（chéng）本（běn），節省昂貴的材料，隻要（yào）在設備表麵或內壁堆 焊一層鎳基高溫合金或不鏽鋼，即可增加設備的耐腐蝕性能。特別是（shì）鎳基高溫（wēn）合金，屬於比較重要 的耐腐（fǔ）蝕材料,和普（pǔ）通不（bú）鏽鋼、其它耐腐蝕金屬（shǔ）、非金屬的材料相比,它們在各種不同的腐蝕環境中， 甚至是化學腐蝕（shí）與電化學（xué）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（xìng）能和 機（jī）加工性能,其綜合抗腐蝕性能比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（kè）的 當代工業。

 

　　成熟的氣霧（wù）化製粉工藝和氬氣保護煉鋼方式（shì），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（zài）液氬保護下實現傾倒（dǎo）鋼（gāng）液、氣霧（wù）化，全過（guò）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（hàn）粉

 

　　1.1 氣霧化法製粉原理

 

　　根據合金牌號的化（huà）學成（chéng）分配料（liào）後，通（tōng）過中頻爐加熱熔（róng）化金屬材料後，熔融金屬按一定的澆注速度，通過霧化噴嘴，在密（mì）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，形成細小的合金液滴，合金液滴在霧化室（shì）內做自由落體飛行，通過一特定噴嘴（zuǐ）用超音速的氣（qì）體射流將熔融的金屬或合金液流粉碎形成金屬或（huò）合金粉末的過程，將飛行的合金液滴在（zài）0.5——1.0秒瞬（shùn）間凝（níng）固成細小（xiǎo）的（de）粉末。

 

　　此（cǐ）方（fāng）法（fǎ）可以（yǐ）生產熔點低於1700℃的各種（zhǒng）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（huà）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（wù）化介質（zhì）有氮氣、氬氣或空（kōng）氣。

 

　　氣霧（wù）化生產金（jīn）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，製得範圍廣泛的、具有多種化學成分的合金粉末。

 

　　2）製得的粉末具有化學成分（fèn）相（xiàng）同且均勻，沒有偏析（xī），非金屬夾雜物少，純（chún）度高（gāo）。

 

　　3）粉末（mò）顆粒成（chéng）球形或類球形，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）粉末的氧化物主要集中在顆粒的（de）表麵，其氧化程度可借助於調節（jiē）霧化工（gōng）藝（yì）參（cān）數進行調整，能獲得（dé）含氧量極低的優質合金粉（fěn）末。

 

　　5）粉末性能重複性高，適於大批量生產性能一（yī）致的粉末。

 

　　1.2 氬氣全程保護

 

　　氬氣是一種惰性氣體，不與（yǔ）鋼液發生任何反應，用以（yǐ）隔離空（kōng）氣，保證鋼液的穩定，可確保 合金在熔（róng）化、澆注等過程中不受氧氣（qì）、氮氣汙（wū）染，可得到氧含量較低的粉末。氬氣保護係統包 括以下幾個部分：

 

　　1.2.1爐頂吹氬

 

　　真空錠（dìng）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（shēng）成氧化物，增（zēng）加材 料夾雜物（wù）。為（wéi）此，公司專門設計了氬氣保護罩，加熱熔化的（de）過程中，爐內充滿氬氣，完全隔離 空氣（qì），在爐料熔化後，撤掉保（bǎo）護罩，造（zào）渣保護，同時啟動爐底吹氬裝置。

 

　　1.2.2爐底吹氬

 

　　在爐（lú）底（dǐ）安裝透氣（qì）轉，當鋼液熔化後，打開氬氣閥門，氬氣（qì）從爐底吹入鋼液內部，並且（qiě）上浮， 上浮過程中，鋼液內（nèi）的其它（tā）氣體（tǐ）和雜質進入氬氣（qì）泡內，隨氬氣一起上浮，鋼液得以淨化（huà）。

 

　　1.2.3 出鋼（gāng）過程氬氣保護

 

　　為防止鋼液在出鋼（gāng）過程中的二次氧化，專門設計了出鋼保護罩，安裝在爐嘴（zuǐ），出鋼過程中， 鋼（gāng）液流完全被（bèi）罩在氬氣氣氛中，隔（gé）離了空（kōng）氣。

 

　　1.3 嚴格采（cǎi）用氣（qì）霧化製粉工藝（yì）和液氬全程保護煉鋼方式，輔助（zhù）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（huà）裝置中使霧化介質獲得高能量、高速度的部件，它對霧化（huà）效率和霧化過程的穩定（dìng）性 起重要作（zuò）用。利用公司專利“組合式噴嘴及其合金粉末垂直氣霧化裝置”，保證霧化（huà）介質與金屬液流 之間形成最合理的噴射角度；使金屬液流變成明顯的紊流；中（zhōng）間（jiān）是主（zhǔ）噴嘴，實施錐形噴射，外圍增 加（jiā）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二次冷卻的同時，約束金屬液滴橫 向飛行（háng），加快粉末下（xià）降速度，可以防止液滴和高（gāo）溫的小金屬球粘連，保證粉末球形良好，大幅（fú）度減 少“衛（wèi）星球粉”。 輔助噴嘴實施的二次破碎和二次冷卻對提高粉末整體質量作用明顯（xiǎn）：

 

　　1）減少了大顆粒，使（shǐ）得到的適用粉末比例提高，即提高了成品率；

 

　　2）減少了衛（wèi）星球粉，使（shǐ）粉末表麵更（gèng）加光滑，粉末間的磨（mó）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（de）空心率，由原來的 5％下降到 1％以下（xià）；粉末成（chéng）品（pǐn）率明顯提高，達到 50—70％，節約（yuē）了霧化氣體、電能、人工費用。

 

　　1.3.2 提（tí）高鋼溫

 

　　高溫（wēn）合金粘性大，通過提高金屬液流的（de）溫度，即提高金屬液流（liú）過熱度來提（tí）高粉（fěn）末的成球（qiú）率。當 霧化溫度為 1300℃時，粉末的球形度不高，粉末以類球形為主並且粉末表麵粗糙（cāo），這是因為金屬液（yè） 流的溫度較低時，其粘度增大，使金屬（shǔ）粉末成球困難，另（lìng）外較低的金（jīn）屬液流溫度使金屬粉末的凝固 時間縮短，粉末在未收縮（suō）成球之前已經凝固。當霧化溫度達到 1500℃時，粉（fěn）末（mò）球形度高且粉末（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，這是因為它在延長金屬（shǔ）粉末的凝固時間（jiān）的同 時，還能使金屬（shǔ）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（kòng） 製在 200-300℃時能得到球形度高，表麵光潔的優質粉末。[2]

 

　　生產實踐表明（míng）：增（zēng）加金屬液流過熱度可降低粉末的平均粒徑（jìng），這是由（yóu）於（yú）溫度升（shēng）高時液體體積膨（péng） 脹，分子問距增大，削弱了體相分子對表麵層分子的作用力。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（shǔ）溫 度（dù）的升高而減（jiǎn）小逐（zhú）漸降低。而金屬熔融液體的表麵張力與（yǔ）粘（zhān）度的降低使熔融金屬在霧化過（guò）程中容易 被霧化氣體衝擊撕（sī）裂成（chéng）微小液滴，有利於金屬液流的（de）破碎。

 

　　2、試製鎳基高溫（wēn）合金焊粉

 

　　2.1 鎳基高溫合金焊粉

 

　　鎳基高溫合（hé）金焊粉在機械、化工、航空等領域中得到了廣泛的應用，其堆焊層有良好的抗（kàng）氧化 性能和和耐蝕（shí）性能，並且其堆焊（hàn）溫度範圍與不鏽鋼及（jí）高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（yè）和民用製品的高速發展（zhǎn）， 鎳（niè）基高溫合金在（zài）民用製品的（de）使用上也日漸增加。因此鎳基高溫合金焊（hàn）粉適用堆焊在高（gāo）溫、腐蝕下工作 的碳鋼、不鏽（xiù）鋼、耐熱鋼及高溫合金零部件上。在堆焊過程中要求焊粉（fěn）的化（huà）學成分均（jun1）勻、穩（wěn）定，且 具有較低的氧（yǎng）含量及低的雜質，以便使（shǐ）堆焊過程工藝良好、粉末與基材潤濕充分，並減少（shǎo）氧化物夾 雜導致的堆焊接頭（堆焊層）的缺陷（xiàn），但（dàn）國（guó）內（nèi）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、批量過小等現狀，或需要有更精（jīng）良的生產設備，導（dǎo）致（zhì）堆焊部位存在缺陷而不能正常工 作，因此長期以來均（jun1）依賴進口。

 

　　2.2 試驗內（nèi）容

 

　　所試製生產ERNiCrMo-3（Inconel625）焊粉，球形狀，按使用（yòng）工況指標，其中氧含量控（kòng）製在0.08%以下。對生產的（de）鎳（niè）基（jī）高溫（wēn）合金粉末的化學成分（fèn）、氧含量成分控製如表1要求，

 

 

 

　　2.3 生產原理

 

　　鎳基高溫合金粉末氣霧化生產是以電解鎳板（bǎn）為（wéi）原料（liào），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合化學（xué）成分要求的（de）熔液，己預熱的中（zhōng）間包置（zhì）於噴嘴上方，且與噴嘴對中聚集，然後將熔融（róng）的金屬液流注入（rù）到漏包坩鍋（中間包（bāo））中，在中間包（bāo）的下方放置有氣霧化噴嘴，當熔融的金屬（shǔ）液流通過漏嘴經流噴嘴時，同時（shí）開啟（qǐ）高壓氮氣匯流裝置，使之保持一定的壓（yā）力，通過噴嘴的高速霧（wù）化氣流以一定的角度將通過中間包流經漏嘴的合金流衝擊成合（hé）金液滴，合（hé）金液滴落入霧（wù）化桶內，凝固（gù）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2、圖3。

 

 

 

 

 

 

　　2.4 試驗結果（guǒ）及分析

 

　　2.4.1 化學成分的控製

 

　　粉末化學成分的穩定性、精確性直接影響到堆焊接頭的性能高低及堆焊溫（wēn）度的選擇，因此在生產過程中采取（qǔ）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（yuán）材料檢驗規範（fàn）對每批原材料進行檢驗，嚴禁（jìn）潮濕或（huò）鏽蝕的爐料或（huò）返回料（liào）進入 熔煉爐，並對所有原材（cái）料進（jìn）行適當的處理。 鎳板厚度不小於3mm，邊緣無樹枝狀結（jié）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（chāo）過鎳板單麵麵積的10%。

 

　　金屬鉻表麵應呈灰白色（sè），斷麵應致密無氣（qì）孔（kǒng）。

 

　　鉬條表（biǎo）麵應光潔，呈銀灰色或（huò）銀灰（huī）色金屬光澤，，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）材料，避免因爐（lú）襯（chèn）材料不合理所造（zào）成的汙染

 

　　采用酸性中頻感應爐熔煉，石英砂坩鍋應（yīng）保持（chí）良好狀態，新坩鍋在使用前（qián）需用金屬鎳或（huò）同種合（hé）金洗（xǐ）爐一到兩次。

 

　　4）嚴（yán）格控製熔（róng）煉溫度和（hé）時間

 

　　這些條件（jiàn）會影響合金元（yuán）素的燒損量以及鎳基高溫合金粉末合金化程度。在生產（chǎn）過程中一般熔（róng）液的過 熱度在200℃-300℃，並在爐料（liào）全部熔化並扒渣後（hòu）鎮（zhèn）靜3-5分鍾，再轉入霧（wù）化（huà）工序。 試製（zhì）的鎳基（jī）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粉末的氧含量（liàng）

 

　　粉末中的氧（yǎng）含量是影響堆焊接頭質量的主要（yào）因素之一，當粉末中氧含量過高時，粉末中的氧化（huà）物會阻礙粉末與金屬基體之間的潤濕，使兩者不能較好的熔合；而且由於氧（yǎng）化物的（de）熔點較高，會在堆焊接頭中形成氧化物夾雜導致缺陷，使零件在高溫工作狀態下產生（shēng）應力集中，損害部（bù）件。因此控製粉末氧含量是衡量（liàng）粉末質量（liàng）的關鍵。由於本生產過程的所有工序均在非真（zhēn）空環境下進（jìn）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法來防止粉末的（de）氧化。

 

　　熔煉方式對粉末的氧含（hán）量影響 ：真空霧化法為原材料在真空中頻感應爐中熔化、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（chū），在（zài）其它霧化工藝（yì）參數相同的情況下，真空霧化法得到的焊粉的氧含量稍低於大氣熔煉時（shí）的氧含量，僅低0.004%。[3]

 

 

　　3、結論（lùn）

 

　　利用成熟的氣霧化製粉工藝和（hé）氬（yà）氣保（bǎo）護煉鋼方式，將（jiāng）製取鎳基高溫合金粉末、鐵基高溫合金粉末等粘度較大的合金粉末。即：將原材料在真空爐內做成真空錠，而後在非真（zhēn）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（wēn）合金焊粉，化學成（chéng）分（fèn）符合相關（guān）標準，且氧含量得到了與真空爐（lú）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（xiào）的控製。同時，可按此工藝（yì）可批量生產高溫合金焊粉，促進（jìn）了高溫合 金焊粉的國產化，加快了高效焊接（jiē）的步伐。