專利名稱：用于高溫?zé)犭娕急Ｗo(hù)管表面熔覆的粉心焊絲及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于高溫?zé)犭娕急Ｗo(hù)管表面熔覆的 粉心焊絲及制備方法，適于制備Mo-Si-Ni-Al系熔覆層的粉芯焊絲。 技術(shù)領(lǐng)域
水泥企業(yè)生產(chǎn)線都要對分解爐中部、窯尾煙、窯頭罩等進(jìn)行溫度測量， 一些測點(diǎn)要 求保護(hù)管在1000-130(TC的溫度變化范圍和沖蝕條件下長壽命工作。目前已在水泥工業(yè) 上應(yīng)用的熱電偶保護(hù)套管材料主要有高溫合金保護(hù)管和陶瓷保護(hù)管兩大類。高溫合金 保護(hù)管的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、耐腐蝕性能與導(dǎo)熱性能好。但在IOOO'C及以上的溫度下，高 溫合金保護(hù)管的強(qiáng)度、耐磨性急劇下降，這使得高溫合金管的壽命短，需頻繁更換保 護(hù)管，無法滿足水泥企業(yè)正常生產(chǎn)的要求。
陶瓷保護(hù)管的常用材料有石英、高溫陶瓷、氧化鎂、氧化鋁、MoSi2 (二硅化鉬) 等。雖然陶瓷保護(hù)管具有高的高溫耐磨性，但與金屬材料比，陶瓷保護(hù)管存在導(dǎo)熱率 差、可加工性差、熱響應(yīng)敏感性差和抗熱震性能差等缺點(diǎn)。由于陶瓷保護(hù)管抗熱震性 能差，在使用過程中存在因沖擊和熱震而導(dǎo)致保護(hù)管脆裂的問題。
在陶瓷保護(hù)管的候選材料中，MoSi2材料具有高的耐高溫氧化性而備受關(guān)注。MoSb 的熔點(diǎn)高達(dá)2030'C，其原子結(jié)合方式為共價(jià)鍵與金屬鍵的混合，它具有陶瓷和金屬的 綜合性能，具有優(yōu)異的抗高溫氧化能力，具有在多數(shù)酸、堿、鹽等介質(zhì)條件下耐腐蝕 的功能(氧化性酸和鹽除外)，還具有良好的導(dǎo)電性、高的熱穩(wěn)定性及抵抗鈉、錫、鉛、 鋰、鉍等熔融金屬液浸蝕的能力。但MoSi2零部件常采用粉末冶金方法生產(chǎn)，該方法使 MoSi2制品尺寸和形狀受到很大的限制。如采用粉末冶金方法生產(chǎn)MoSi2保護(hù)管，還存 在如下缺點(diǎn)(1)保護(hù)管在室溫下具有陶瓷的脆性而難以加工或焊接；(2)在400~700 'C溫度區(qū)間內(nèi)MoSi2會產(chǎn)生嚴(yán)重粉化失效問題；(3)生產(chǎn)成本高，使MoSi2保護(hù)管難以 大范圍推廣應(yīng)用。
如選用高溫合金作為保護(hù)管的基體材料，并在基體材料上制備MoSi2類耐高溫涂覆 層，就可避免上述缺點(diǎn)，使保護(hù)管在室溫-中溫具有基體材料的韌性；在高溫時(shí)，保護(hù) 管的高溫強(qiáng)度由所選基體材料決定，而MoSi2涂覆層承擔(dān)抗高溫氧化、耐磨的功能。
如僅采用MoSb作為抗高溫氧化、耐磨涂覆層材料，存在如下缺點(diǎn)(1)由于MoSi2
與基體合金材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，在快速凝固的過程中產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力和組織 應(yīng)力，使涂層在冷卻收縮的過程產(chǎn)生大量的橫向裂紋，這將嚴(yán)重影響涂覆層的抗高溫
氧化、耐磨性能；(2)在400 70(TC中溫區(qū)間，MoSi2表面還無法形成均勻致密的Si02
保護(hù)膜，導(dǎo)致O沿晶界快速擴(kuò)散，發(fā)生災(zāi)難性的"粉化"現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于高溫?zé)犭娕急Ｗo(hù)管表面熔覆的粉心焊絲及制備方法，提出了一種形成Mo-Si-Ni-Al系耐高溫氧化、耐磨熔覆層的方法和用于高溫?zé)犭娕?保護(hù)管表面熔覆的粉心焊絲，利用氬弧熔覆法在耐高溫合金保護(hù)管基體上制備 Mo-Si-Ni-Al系耐高溫、耐磨熔覆層。該保護(hù)管兼顧了金屬和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)，具有導(dǎo)熱性 好、抗熱震性強(qiáng)、耐熱、耐磨等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的粉芯焊絲中的混合粉末由Mo、 Si、 Al、 Ni、 Zr02組成，各組份重量的范 圍為Mo:30-44.1wt.%， Si: 17.6-26%， Al:14.5-22%， ZrO2:0-2%， Ni:余量;以上粉末中， Mo與Si的重量比在1.69-1.71范圍；利用鎳箔包裹上述復(fù)合粉末形成粉芯絲。
復(fù)合粉末在粉芯絲中所占的重量百分比為85-86%，利用氬弧焊槍將粉芯焊絲熔覆 在保護(hù)管基體材料外表面。
本發(fā)明的制備工藝包括以下步驟
1、 選用在保護(hù)管外表面制備高溫耐磨熔覆層用的粉芯焊絲。
(1) 按以下配比稱取粉末材料Mo(純度99-99.9%、粒度200-300目):30-44.1wt0/。， Si(純度99-99.9%、粒度100-300目):17.6-26wt.0/。， Al(純度99-99.9%、粒度200-300 目):14.5-22wt.。/。， ZrCb(純度99-99.9%、粒度200-300目):0-2wt.0/。， Ni(純度99-99.9%、 粒度100-200目):余量。以上粉末中，Mo與Si的重量比在1.69-1.71范圍。將上述粉末 置于干燥箱中，在90-110'C下干燥2-3小時(shí)，然后在球磨機(jī)中進(jìn)行球磨混料3-5小時(shí)， 得到混合粉末?；旌戏勰┲?含有Mo、 Si的目的是使熔覆層中生成耐高溫氧化、耐磨 的鉬-硅化合物(MoSi2、 Mo5Si3)?；旌戏勰┲屑尤隯r02的目的是細(xì)化晶粒、提高熔 覆層韌性。此外，在氬弧熔覆的過程中少量的Al原子還將置換MoSi2中Si原子形成 Mo(Ai，Si)2相，從而進(jìn)一步提高M(jìn)oSi2的抗高溫氧化溫度、改善高溫力學(xué)性能以及抑制 MoSi2中溫粉化。高溫下，熔覆層中的Si、 Al元素發(fā)生選擇性氧化，優(yōu)先與氧結(jié)合， 在覆層表面形成完整、致密、穩(wěn)定的Si02、 Al203保護(hù)層，阻止氧的進(jìn)一步擴(kuò)散，從而 使熔覆層具備優(yōu)異的抗高溫氧化能力。
(2) 選用Ni箔(純度》99%，厚度為50-200 um，寬度為25-50mm，長度 300-400mm)作為包裹上述混合粉末的外皮材料。利用手工或制備粉芯絲的包料機(jī)械 裝置將混合粉末包裹于Ni箔內(nèi)，形成具有近似圓形截面的粉芯焊絲?；旌戏勰┰诜坌?焊絲中所占的重量百分比為85-86wt.%。
2、 以鎳基或鐵基高溫合金作為基體管材，基體管材的內(nèi)徑在6-15mm范圍，管壁 厚度在4-10mm范圍，管材長度在200-1500tnm范圍。為了防止管材在烙覆過程中發(fā)生 管壁塌陷或熱彎曲問題，實(shí)施熔覆工藝前需在管材內(nèi)填充石墨碳棒。設(shè)管材內(nèi)徑為 dotnm，貝J石墨碳棒直斗5為(do-0.5)mm。
3、 對待熔覆基體管材外壁進(jìn)行除油、除污處理和噴砂除銹處理。
4、 利用熔覆工作臺實(shí)施熔覆工藝。將待熔覆管材一端固定在由調(diào)速電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn) 的三爪卡盤上，并在管材不需制備熔覆層的管段加V形支撐架(當(dāng)管材長度小于620mm 時(shí)不需要支撐架)。通過工作臺的調(diào)速裝置控制三爪卡盤作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)管材的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；氬弧焊槍固定在擺動器上，擺動器底座固定在由絲杠驅(qū)動作直線運(yùn)動的平 板上。采用手動送絲方法制備熔覆層，從管材自由端外表面開始實(shí)施熔覆工藝。通過控制管材旋轉(zhuǎn)速度、由絲杠驅(qū)動平板的移動速度、手動送絲速度，從而實(shí)現(xiàn)氬弧焊槍 在管材外表面的相對螺旋運(yùn)動和連續(xù)搭接熔覆，在管材外表面得到厚度為1.5-3mm的 熔覆層。熔覆工藝參數(shù)如下氬弧焊槍熔覆電流為150-300A，擺動器擺幅值為l-4mm、 擺動頻率為0.3-0.8Hz，管材的轉(zhuǎn)速為2-6rpm，由絲杠驅(qū)動平板的移動速度為 0.5-1.5mm/s，手動送絲的平均送絲速度為1.5-4mm/s。按上述工藝參數(shù)通過單層、搭接 熔覆，在管材外壁得到厚度為1.5-3mm的熔覆層。具有熔覆層管材的長度為 280-400mm。完成熔覆層制備工藝后，將具有熔覆層的管材從工作臺上卸下。熔覆工 作臺實(shí)物照片見圖5。
5、 選用直徑為6-15mm的鎳基高溫合金棒材(如GH3039)作為封閉管材端口的 材料，設(shè)管材內(nèi)徑為d，則將棒材加工成直徑為d+0.5mm、長度為12mm的堵頭；利 用手工捶擊法將堵頭壓入具有熔覆層段的管材端部開口處，使管材的一端封閉；然后 在管材封閉端手工堆焊步驟1所述的粉芯焊絲，端面熔覆層厚度為4-8mm。
6、 對具有熔覆層的管材進(jìn)行磨削加工，使管材的外徑、長度及端部尺寸達(dá)到設(shè)計(jì) 要求，并利用手工震動敲擊法去除保護(hù)管內(nèi)部填充的石墨碳棒。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，避免了陶瓷材料抗熱振性差的缺點(diǎn)，具有導(dǎo)熱性好、抗熱震 性強(qiáng)、耐熱、耐磨等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明所制備熔覆層的抗氧化溫度最高可達(dá)130(TC，其室 溫硬度可達(dá)900-1100HV。


圖l為熔覆層的XRD結(jié)果，NiAl相l(xiāng)， Mo(Si,Al)2相2， MosSi3相3。 圖2為熔覆層斷面掃描電鏡照片。
圖3為110(TC高溫氧化100小時(shí)后熔覆層表面氧化物的掃描電鏡照片，Al203-Si02 復(fù)合氧化物4。
圖4為保護(hù)管沿軸線方向截面圖，管材基體5，熔覆層6，堵頭7，封閉端熔覆層8。
圖5為熔覆工作臺實(shí)物照片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例
1、 制備粉芯焊絲。
(1) 按以下配比稱取粉末材料Mo(純度99.9%、粒度-200目):36wt.。/。， Si(純度 99.9%、粒度-200目):21.2wt.0/(), Al(純度99.9%、粒度-200 @):18.4wt.%， ZrO"純度 99-99.9%、粒度-250目):2wt.。/。， Ni(純度99.9%、粒度-100目):余量。將上述粉末置于 干燥箱中，在11(TC下干燥3小時(shí)，然后在球磨機(jī)中進(jìn)行球磨混料5小時(shí)，得到混合粉 末。
(2) 選用Ni箔(純度》99%，厚度為80um，寬度為40mm，長度為350mm) 作為包裹上述混合粉末的外皮材料。利用手工包料方法將混合粉末包裹于Ni箔內(nèi)，混 合粉末在粉芯焊絲中所占的重量百分比為85%。
2、 選定GH3039鎳基高溫合金管作為基體管材，其內(nèi)徑為8mm、管壁厚度為6mm、管材長度為600mm。實(shí)施熔覆工藝前在管材內(nèi)填充石墨碳棒，石墨碳棒直徑為7.5mm。
3、 對待熔覆基體管材外壁進(jìn)行除油、除污處理和噴砂除銹處理。
4、 將待熔覆管材的一端固定在熔覆工作臺可旋轉(zhuǎn)的卡盤上，其另一端自由。通過 工作臺的調(diào)速裝置控制卡盤作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)管材的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；氬弧焊槍固定在 擺動器上，擺動器底座固定在由絲杠驅(qū)動作直線運(yùn)動的平板上。從管材自由端外表面 開始實(shí)施熔覆工藝。通過控制管材旋轉(zhuǎn)速度、由絲杠驅(qū)動平板的移動速度、手動送絲 速度，從而實(shí)現(xiàn)氬弧焊槍在管材外表面的相對螺旋運(yùn)動和連續(xù)搭接熔覆，在管材外表 面得到平均厚度為2.5mm的熔覆層，具有熔覆層管材的長度為300mm。熔覆工藝參數(shù) 如下氬弧焊槍熔覆電流為260A，擺動器擺幅值為2.5mm、擺動頻率為0.5Hz，管材 的轉(zhuǎn)速為3rpm，由絲杠驅(qū)動平板的移動速度為0.75mm/s，手動送絲的平均送絲速度約 為3mm/s。完成熔覆層制備工藝后，將管材從工作臺上卸下。
5、 選用直徑為10mm的GH3039棒材作為封閉管材端口的材料，將棒材加工成直 徑為8.05mm、長度為12mm的堵頭；利用手工捶擊法將堵頭壓入具有熔覆層段的管材 端部開口處，使管材的一端封閉；然后在管材封閉端堆焊步驟1所述的粉芯焊絲，端 面熔覆層厚度為6mm。
6、 對具有熔覆層的管材進(jìn)行磨削加工，使管材的外徑為22mm。利用手工震動敲 擊法去除保護(hù)管內(nèi)部填充的石墨碳棒。
圖1為按實(shí)施例1所得熔覆層的XRD結(jié)果；圖2為按實(shí)施例.1所得熔覆層斷面 掃描電鏡照片；圖3為按實(shí)施例1所得熔覆層在IIO(TC下高溫氧化100小時(shí)后熔覆層 表面氧化物的場發(fā)射掃描電鏡照片(10000倍)，根據(jù)能譜分析結(jié)果，表面生成了致密 的氧化膜，氧化物顆粒主要由Al203-Si02組成；圖4為完成上述制備工藝后的保護(hù)管 沿軸線方向截面圖，圖5為熔覆工作臺實(shí)物照片。
權(quán)利要求
1、一種用于高溫?zé)犭娕急Ｗo(hù)管表面熔覆的粉心焊絲，其特征在于，粉芯焊絲中的混合粉末由Mo、Si、Al、ZrO2、Ni組成，各組份重量的范圍為Mo30-44.1wt.％，Si17.6-26％，Al14.5-22％，ZrO20-2％，Ni余量；以上粉末中，Mo與Si的重量比在1.69-1.71范圍；利用鎳箔包裹上述復(fù)合粉末形成粉芯絲。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述粉芯焊絲，其特征在于，復(fù)合粉末在粉芯絲中所占的重量 百分比為85-86%，利用氬弧焊槍將粉芯焊絲熔覆在保護(hù)管基體材料外表面。
3、 一種制備權(quán)利要求1所述用于高溫?zé)犭娕急Ｗo(hù)管表面熔覆的粉心焊絲的方法， 其特征在于，制備工藝為(1) 選用在保護(hù)管外表面制備高溫耐磨熔覆層用的粉芯焊絲 按以下配比稱取粉末材料Mo: 30-44.1wt.%， Si: 17.6-26wt.%， Al: 14.5-22wt.%，Zr02: 0-2wt.%， Ni:余量；以上粉末中，Mo與Si的重量比在1.69-1.71范圍；將上述 粉末置于干燥箱中，在90-ll(TC下干燥2-3小時(shí)，然后在球磨機(jī)中進(jìn)行球磨混料3-5 小時(shí)，得到混合粉末；選用Ni箔作為包裹上述混合粉末的外皮材料，利用手工或制備 粉芯絲的包料機(jī)械裝置將混合粉末包裹于Ni箔內(nèi)，形成具有近似圓形截面的粉芯焊絲， 混合粉末在粉芯焊絲中所占的重量百分比為85-86wt.%;(2) 以鎳基或鐵基高溫合金作為基體管材，基體管材的內(nèi)徑在6-15mm范圍，管 壁厚度在4-10mm范圍，管材長度在200-1500mm范圍；(3) 利用熔覆工作臺實(shí)施熔覆工藝；(4) 選用直徑為6-15mm的鎳基高溫合金棒材作為封閉管材端口的材料，設(shè)管材 內(nèi)徑為d，則將棒材加工成直徑為d+0.5mm、長度為12mm的堵頭；利用手工捶擊法 將堵頭壓入具有熔覆層段的管材端部開口處，使管材的一端封閉；然后在管材封閉端 手工堆焊步驟(1)所述的粉芯焊絲，端面熔覆層厚度為4-8mm;(5) 對具有熔覆層的管材進(jìn)行磨削加工，使管材的外徑、長度及端部尺寸達(dá)到設(shè) 計(jì)要求。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述Ni箔的純度》9911/。，厚度為 50-200 iim，寬度為25-50mm，長度300-400mm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的熔覆工藝為將待熔覆管材 一端固定在由調(diào)速電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)的三爪卡盤上，并在管材不需制備熔覆層的管段加V形支撐架，通過工作臺的調(diào)速裝置控制三爪卡盤作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)管材的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動； 氬弧焊槍固定在擺動器上，擺動器底座固定在由絲杠驅(qū)動作直線運(yùn)動的平板上；采用 手動送絲方法制備熔覆層，從管材自由端外表面開始實(shí)施熔覆工藝；通過控制管材旋 轉(zhuǎn)速度、由絲杠驅(qū)動平板的移動速度、手動送絲速度，從而實(shí)現(xiàn)氬弧焊槍在管材外表 面的相對螺旋運(yùn)動和連續(xù)搭接熔覆，在管材外表面得到厚度為1.5-3mm的熔覆層。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述的熔覆工藝的工藝參數(shù)為氬 '弧焊槍熔覆電流為150-300A，擺動器擺幅值為l-4mm、擺動頻率為0.3-0.8Hz，管材的 轉(zhuǎn)速為2-6rpm，由絲杠驅(qū)動平板的移動速度為0.5-1.5mm/s，手動送絲的平均送絲速度 為1.5-4mm/s。
全文摘要
一種用于高溫?zé)犭娕急Ｗo(hù)管表面熔覆的粉心焊絲及制備方法，屬于表面工程技術(shù)領(lǐng)域。粉芯焊絲中的混合粉末由Mo、Si、Al、ZrO₂、Ni組成，各組份重量的范圍為Mo30-44.1wt.％，Si17.6-26％，Al14.5-22％，ZrO₂0-2％，Ni余量；以上粉末中，Mo與Si的重量比在1.69-1.71范圍；利用鎳箔包裹上述復(fù)合粉末形成粉芯絲。復(fù)合粉末在粉芯絲中所占的重量百分比為85-86％，利用氬弧焊槍將粉芯焊絲熔覆在保護(hù)管基體材料外表面。優(yōu)點(diǎn)在于，避免了陶瓷材料抗熱振性差的缺點(diǎn)，具有導(dǎo)熱性好、抗熱震性強(qiáng)、耐熱、耐磨等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明所制備熔覆層的抗氧化溫度最高可達(dá)1300℃，其室溫硬度可達(dá)900-1100HV。
文檔編號B23K9/04GK101574761SQ20091008617
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月12日
發(fā)明者劉宗德, 寶志堅(jiān), 斌 李, 娟 田 申請人:華北電力大學(xué);北京華電納鑫科技有限公司