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CN102166687B - 一种耐热钢管瞬时液相扩散连接中间层合金的制备方法 - Google Patents

一种耐热钢管瞬时液相扩散连接中间层合金的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种耐热钢管瞬时液相扩散连接中间层合金的制备方法包括:先对耐热钢管连接界面进行平整加工,使钢管端面平直;对钢管端面用酒精或丙酮清洗除油,并进行喷砂糙化处理;用微束等离子喷涂方法在钢管连接界面一侧制备NiCrFeBSi镍基自熔性合金中间层,采用氩气作为等离子气体及送粉气体,工艺参数为:喷涂电压32V-38V,喷涂电流20A-65A,喷涂距离30-120mm,氩气流量0.8-3.0L/min,沉积束斑直径3mm-10mm,获得的中间层厚度50μm-100μm;然后立即进行瞬时液相扩散连接。本发明同采用非晶箔带合金中间层相比具有操作简便、适用性强,能节省高合金中间层材料,便于推广的特点。

Description

一种耐热钢管瞬时液相扩散连接中间层合金的制备方法
技术领域:
本发明属于耐热钢焊接技术领域,具体涉及一种耐热钢管瞬时液相扩散连接中间层合金的制备方法。
背景技术:
随着电站机组容量、规模和参数的不断提高,火电厂热力系统经历了从低压→中压→高压→超高压→亚临界的发展升级。由于蒸汽温度和压力的提高,对火电机组耐热钢的抗蠕变、抗疲劳、抗高温氧化与腐蚀等性能都提出了更苛刻的要求,在使用新型耐热钢的同时,必须解决这些钢的焊接问题。
我国目前电站火力发电机组所用的耐热钢主要有T91(9Cr-1MoVNb)钢、T92钢、12Cr2MoWVTiB钢、Super304H钢、102钢等,这些钢采用传统的焊接方法,尚未取得理想的效果。常规熔化焊方法如埋弧焊、手工电弧焊、TIG焊、MIG焊和MAG焊等,通常形成较宽的焊缝和热影响区,容易产生较大的焊接变形以及残余应力。高能束流焊接方法(电子束焊接和激光焊接方法等)虽然热能集中,整体热输入量明显下降,形成的接头区域(焊缝和热影响区)显著小于常规熔化焊方法,且焊接接头性能和精度有较大提高,但高能束流焊接方法仍属于熔化焊一类,其焊接温度超过了母材熔点,不可避免会对母材造成热损伤。塑性连接方法(如摩擦焊)虽然连接温度在母材熔点之下,对母材性能的影响较低,但接头存在组织弱化区,且接头结合强度有限。为了降低连接工艺对母材组织性能的不良影响,近年来扩散连接方法得到了较快的发展。
瞬时液相扩散连接(Transient liquid-phase bonding,简称TLP)作为一种新型焊接技术在耐热钢管道焊接中受到广泛关注。其原理是在被连接的管道之间预置低熔点合金中间层,加压加热后在母材间形成低熔点的液相,在一定温度和压力下,利用合金元素的快速扩散使母材瞬时液化,并随后等温凝固而完成焊接过程。作为TPL连接的中间层,须具备以下条件:1)熔点低于母材;2)与母材间的润湿性好;3)不形成有害的金属间化合物;4)完成等温凝固快;5)成分均匀化快。从目前电站钢管以及石油管道扩散连接相关文献记载,如T91钢管的瞬时液相扩散连接、TP304H钢管的瞬时液相扩散连接、TP304H/12CrMoV异种钢管的瞬时液相扩散连接等研究工作可知,中间层主要采用Fe-Ni-Cr-Si-B系非晶箔带合金。这种非晶箔带合金中间层的优点在于厚度均匀可控,成分均匀且相对“洁净”,即杂质含量低,无需粘接剂,焊接效果优良。但其不足之处为非晶箔带制备工艺复杂,成本高,以管道直径和壁厚裁剪合适形状的中间层,特别是对于异型截面管道及大直径管道存在一定难度,且利用率较低。利用微束等离子喷涂自熔性合金粉末制备中间层的方法,可有效克服上述非晶箔带合金中间层存在的缺点。经检索,有关采用微束等离子喷涂自熔性合金粉末制备中间层的方法鲜有报道。
发明内容:                                                             
针对现有耐热钢管瞬时液相扩散连接非晶箔带合金中间层存在的问题,本发明研制一种耐热钢管瞬时液相扩散连接中间层合金的制备方法,该方法要解决的问题是采用微束等离子喷涂自熔性合金粉末,在耐热钢管连接界面制备中间层实现瞬时液相扩散连接的方法。采用这种方法,可在耐热钢管(包括规则形状和异型截面形状钢管)连接界面快速方便地制备中间层合金,满足瞬时液相扩散连接高强度焊接接头的要求。
本发明的主要技术方案是利用微束等离子喷涂设备,采用NiCrFeBSi自熔性合金粉末(市售镍基喷焊粉末)制备中间层。具体地说,是在耐热钢管连接界面处经过净化糙化处理后,采用微束等离子喷涂工艺在其连接界面上进行中间层喷涂制备,为随后耐热钢管瞬时液相扩散连接做好中间层预置工作。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种耐热钢管瞬时液相扩散连接中间层合金的制备方法,该方法包括以下步骤: 
第一步、对耐热钢管连接界面,即端面进行车削或切割,使钢管端面平直且与管道轴线呈90°角垂直;
第二步、喷涂前对耐热钢管连接界面进行预处理:是指对钢管端面用酒精或丙酮清洗除油,待喷涂表面进行喷砂糙化处理,使之露出洁净糙化的金属表面;
第三步、采用微束等离子喷涂方法对耐热钢管连接界面的一侧喷涂中间层,中间层合金喷涂用材为球状的NiCrFeBSi镍基自熔性合金粉末,粒度范围45~15μm,其成分以质量百分比计为:铬Cr 0~16%,铁Fe 6~14%wt,硼B 1.5~3.5%wt,硅Si 2.5~4.0%wt,碳C 0.1~0.8%wt,钴Co 10%wt,余量为镍Ni;
第四步、采用氩气作为等离子气体及送粉气体,其工艺参数为:喷涂电压32V~38V,喷涂电流20A~65A,喷涂距离30~120mm,氩气流量0.8~3.0L/min,沉积束斑直径3mm~10mm,获得的中间层厚度50μm~100μm,然后立即进行瞬时液相扩散连接。 
进一步,步骤四中所述的工艺参数优选:喷涂电压34V~36V,喷涂电流35A-50A,喷涂距离40~100mm,氩气流量1.0~2.5L/min,沉积束斑直径4mm~8mm,获得的中间层厚度60μm~90μm。
本发明的积极效果是:
1、本发明所述的在耐热钢管端面制备中间层合金的方法中,所使用的材料为自熔性合金粉末,有良好的“自钎剂”作用,不形成稳定的有害相,熔点在950~1300℃之间,低于被连接耐热钢母材的熔点,满足TPL连接的中间层须具备的条件;在加压加热时,熔化了的中间层合金能顺利地漫流于母材表面,为中间层/母材形成合金过渡层,从而形成冶金结合提供了良好的溶解、扩散条件;由于中间层主体组成元素为镍Ni,铬Cr和钴Co,焊接后可使焊缝区同母材一样具备抗高温氧化性能、抗腐蚀性能、抗低温脆断性能等。
2、本发明所述的在耐热钢管端面制备中间层合金的方法中,由于所使用的微束等离子喷涂系统采用氩气作为等离子气体及送粉气体,可以防止粉末在加热喷敷过程中发生进一步氧化,以保证中间层合金成分的“纯净”;由于等离子束成紧束状,粒子束流沉积直径可缩小至3~5 mm,在薄壁钢管端部喷涂,提高了喷涂粉末的利用率;由于微束等离子喷涂功率比传统的APS 的功率小得多,在喷涂薄壁管件时能避免局部的过热和变形而影响到随后的对中焊接;由于工作时等离子气体流量小(最大选用约2.5 L/ min),可以有效利用等离子气体,降低成本。
3、采用本发明所述的微束等离子喷涂制备中间层合金的方法,可有效克服非晶箔带中间层合金制备工艺复杂,成本高,利用率低,特别是对于异型截面管道及大直径管道难以裁剪合适形状的中间层的缺点;同采用非晶箔带合金制备中间层相比,本发明提供的微束等离子喷涂自熔性合金粉末制备中间层的方法,具有操作简便、适用性强的特点,可节省高合金中间层材料,便于推广使用。
具体实施方式:
以下结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1: 
外径为φ63.5mm、壁厚为5mm的T91(9Cr-1MoVNb)/T91钢管,在其端面微束等离子喷涂制备中间层合金的工艺步骤为:
第一步、对耐热钢管连接界面,即端面进行车削或切割,使钢管端面平直且与管道轴线呈90°角垂直;
第二步、喷涂前对耐热钢管连接界面进行预处理:是指对钢管端面用酒精或丙酮清洗除油,待喷涂表面进行喷砂糙化处理,使之露出洁净糙化的金属表面;
第三步、采用微束等离子喷涂方法对耐热钢管连接界面的一侧喷涂中间层,中间层合金喷涂用材为球状的NiCrFeBSi镍基自熔性合金粉末,粒度范围45~15μm,其成分以质量百分比计为:铬Cr 10.0% wt,铁Fe 8.0%wt,硼B 2.2%wt,硅Si 2.5%wt,碳C 0.15% wt,钴Co10%wt,余量为镍Ni;
第四步、采用氩气作为等离子气体及送粉气体,其工艺参数为:喷涂电压34V,喷涂电流40A,喷涂距离40mm,氩气流量1.4L/min ,沉积束斑直径4mm,获得的中间层厚度60μm,然后立即进行瞬时液相扩散连接,由于采用氩气(惰性气体)作为等离子气体及送粉气体,所述的中间层合金成分与NiCrFeBSi镍基自熔性合金粉末成分一致。
实施例2: 
外径为φ63.5mm、壁厚为5mm的T91(9Cr-1MoVNb)/102钢管,在其端面微束等离子喷涂制备中间层合金的工艺步骤为;
第一步、对耐热钢管连接界面,即端面进行车削或切割,使钢管端面平直且与管道轴线呈90°角垂直;
第二步、喷涂前对耐热钢管连接界面进行预处理:是指对钢管端面用酒精或丙酮清洗除油,待喷涂表面进行喷砂糙化处理,使之露出洁净糙化的金属表面;
第三步、采用微束等离子喷涂方法对钢管连接界面的一侧喷涂中间层,中间层合金喷涂用材为球状的NiCrFeBSi镍基自熔性合金粉末,粒度范围45~15μm,其成分以质量百分比计为:铬Cr 8.0% wt,铁Fe 12.0%wt,硼B 3.0%wt,硅Si 3.5%wt,碳C 0.25% wt,钴Co10%wt,余量为镍Ni;
第四步、采用氩气作为等离子气体及送粉气体,其工艺参数为:喷涂电压35V,喷涂电流45A,喷涂距离50mm,氩气流量1.7L/min ,沉积束斑直径5mm,获得的中间层厚度65μm,然后立即进行瞬时液相扩散连接,由于采用氩气(惰性气体)作为等离子气体及送粉气体,所述的中间层合金成分与NiCrFeBSi自熔性合金粉末成分一致。
实施例3: 
外径为φ63.5mm、壁厚为5mm的T91(9Cr-1MoVNb)/12Cr2MoWVTiB钢管,在其端面微束等离子喷涂制备中间层合金的工艺步骤为:
第一步、对耐热钢管连接界面,即端面进行车削或切割,使钢管端面平直且与管道轴线呈90°角垂直; 
第二步、喷涂前对耐热钢管连接界面进行预处理:是指对钢管端面用酒精或丙酮清洗除油,待喷涂表面进行喷砂糙化处理,使之露出洁净糙化的金属表面;
第三步、采用微束等离子喷涂方法对耐热钢管连接界面的一侧喷涂中间层,中间层合金喷涂用材为球状的NiCrFeBSi镍基自熔性合金粉末,粒度范围45~15μm,其成分以质量百分比计为:铬Cr 6.0% wt,铁Fe 10.0%wt,硼B 3.5%wt,硅Si 4.0%wt,碳C 0.35% wt,钴Co 10%wt,余量为镍Ni;
第四步、采用氩气作为等离子气体及送粉气体,其工艺参数为:喷涂电压36V,喷涂电流50A,喷涂距离60mm,氩气流量2.0L/min ,沉积束斑直径6mm,获得的中间层厚度70μm,然后立即进行瞬时液相扩散连接,由于采用氩气(惰性气体)作为等离子气体及送粉气体,所述的中间层合金成分与NiCrFeBSi镍基自熔性合金粉末成分一致。
综上所述,本发明不仅适用于规则形状耐热钢管中间层合金的制备,用于异型截面耐热钢管道及大直径管道中间层合金的制备,优势更加显著;本发明的实施可以快速简便地在耐热钢管焊接端面喷涂制备NiCrFeBSi镍基自熔性合金中间层,用于耐热钢管瞬时液相扩散连接可以获得结合强度高的连接接头;还可用于其它材质钢管瞬时液相扩散连接中间层合金的制备。

Claims (5)

1.一种耐热钢管瞬时液相扩散连接中间层合金的制备方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
第一步、对耐热钢管连接界面,即端面进行车削或切割,使钢管端面平直且与管道轴线呈90°角垂直;
第二步、喷涂前对耐热钢管连接界面进行预处理:是指对钢管端面用酒精或丙酮清洗除油,待喷涂表面进行喷砂糙化处理,使之露出洁净糙化的金属表面;
第三步、采用微束等离子喷涂方法对耐热钢管连接界面的一侧喷涂中间层,中间层合金喷涂用材为球状的NiCrFeBSi镍基自熔性合金粉末,粒度范围45~15μm,其成分以质量百分比计为:铬Cr 0~16%,铁Fe 6~14%wt,硼B 1.5~3.5%wt,硅Si 2.5~4.0%wt,碳C 0.1~0.8%wt,钴Co 10%wt,余量为镍Ni;
第四步、采用氩气作为等离子气体及送粉气体,其工艺参数为:喷涂电压32V~38V,喷涂电流20A~65A,喷涂距离30~120mm,氩气流量0.8~3.0L/min,沉积束斑直径3mm~10mm,获得的中间层厚度50μm~100μm,然后立即进行瞬时液相扩散连接。
2.根据权利要求1所述的一种耐热钢管瞬时液相扩散连接中间层合金的制备方法,其特征在于:步骤三中的中间层合金喷涂用材为球状的NiCrFeBSi镍基自熔性合金粉末,粒度范围45~15μm,其成分以质量百分比计为:铬Cr 10.0% wt,铁Fe 8.0%wt,硼B 2.2%wt,硅Si 2.5%wt,碳C 0.15% wt,钴Co10%wt,余量为镍Ni。
3.根据权利要求1所述的一种耐热钢管瞬时液相扩散连接中间层合金的制备方法,其特征在于:步骤三中的中间层合金喷涂用材为球状的NiCrFeBSi镍基自熔性合金粉末,粒度范围45~15μm,其成分以质量百分比计为:铬Cr 8.0% wt,铁Fe 12.0%wt,硼B 3.0%wt,硅Si 3.5%wt,碳C 0.25% wt,钴Co10%wt,余量为镍Ni。
4.根据权利要求1所述的一种耐热钢管瞬时液相扩散连接中间层合金的制备方法,其特征在于:步骤三中的中间层合金喷涂用材为球状的NiCrFeBSi镍基自熔性合金粉末,粒度范围45~15μm,其成分以质量百分比计为:铬Cr 6.0% wt,铁Fe 10.0%wt,硼B 3.5%wt,硅Si 4.0%wt,碳C 0.35% wt,钴Co 10%wt,余量为镍Ni。
5.根据权利要求1所述的一种耐热钢管瞬时液相扩散连接中间层合金的制备方法,其特征在于:步骤四中所述的工艺参数为:喷涂电压34V~36V,喷涂电流35A-50A,喷涂距离40~100mm,氩气流量1.0~2.5L/min,沉积束斑直径4mm~8mm,获得的中间层厚度60μm~90μm。
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