高温镍基合金用丝极埋弧烧结焊剂及其制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料领域，涉及一种烧结焊剂，具体涉及一种高温镍基合金用丝极埋弧烧结焊剂。该烧结焊剂配合镍基合金焊丝，可用于镍基合金的焊接，并呈现如本文所述优良效果。本发明还涉及此类高温镍基合金用丝极埋弧烧结焊剂的制备方法。

背景技术

近年来随着现代工业的发展，对材料性能的要求越来越高，设备的服役环境越来越苛刻。为了满足各种严苛的使用环境，耐高压、高温的镍基耐蚀合金凭借其优异的性能得到各行业的普遍认可。广泛应用于陆基或船基燃汽轮机，各种航天、航空发动机的高温燃烧室、热电厂的烟气脱硫设备、军用武器装备以及石油精炼及各种化工等传统工业设备上，镍基合金在核电、光电等清洁能源领域中的应用也占据重要地位，耐高压、高温的镍基耐蚀合金需求量日益增长，因此高效的高温镍基合金用丝极埋弧焊焊材的开发，将有显著的经济效益和广阔的应用前景。

镍基合金焊接时，焊缝中的主要成分是铁和镍，铁和镍能够无限互溶，不形成金属间化合物。在一般情况下，焊接接头的熔合区不会形成扩散层。焊接的主要问题是在焊缝中容易产生气孔和热裂纹。对固溶强化的镍基合金，为了避免在冷却过程中形成碳化物或致脆化的细粒，要求从固溶退火温度就进行快速冷却。

固溶强化处理会通过提高固溶温度，延长固溶时间，增加固溶步骤来减少合金元素偏析，但随着固溶温度的升高，合金的室温抗拉强度和屈服强度逐渐降低，而伸长率逐渐升高。因此要确保焊缝金属在固溶退火温度快速冷却后的力学性能。

基于上述背景，开发一种高温镍基合金用丝极埋弧烧结焊剂，配合镍基合金焊丝焊接后，所得焊缝金属具有良好的抗晶间腐蚀能力和高温拉伸强度，和/或，焊缝金属及其焊接接头经固溶处理后仍具备优异的高温拉伸性能并满足相应工况的使用条件，仍是本领域技术人员迫切期待的。

发明内容

本发明的目的提供一种高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂，期待其配合镍基合金焊丝焊接后，所得焊缝金属具有良好的抗晶间腐蚀能力和/或高温拉伸强度，和/或，焊缝金属及其焊接接头经固溶处理后，仍具备优异的高温拉伸性能，满足相应工况的使用条件。本发明人出人意料的发现，所设计的主要化学成分为CaF

为此，本发明第一方面提供了一种高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂，其特征在于，其是由如下比例细粉混合制成：萤石30-40重量份、硅线石15-30重量份、白刚玉20-30重量份、菱苦土3-10重量份、云母3-10重量份、冰晶石3-10重量份、陶土3-10重量份。

根据本发明第一方面的高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂，其特征在于，其是由如下比例细粉混合制成：萤石30-38重量份、硅线石15-25重量份、白刚玉20-25重量份、菱苦土6-10重量份、云母5-7重量份、冰晶石5-7重量份、陶土5-10重量份。

根据本发明第一方面的高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂，其特征在于，其是由如下比例细粉混合制成：萤石35重量份、硅线石18重量份、白刚玉22重量份、菱苦土8重量份、云母5重量份、冰晶石6重量份、陶土8重量份。例如其具有任一实施例所述配料比例。

根据本发明第一方面的高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂，其特征在于，其是由所述比例的细粉与粘结剂硅酸钾钠制备得到的颗粒物。

根据本发明第一方面的高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂，其特征在于，其是由所述比例的细粉与粘结剂硅酸钾钠制备得到的颗粒物，所用硅酸钾钠重量是细粉总重量的22～25％。

根据本发明第一方面的高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂，其特征在于，所述粘结剂硅酸钾钠的钾钠比为1.5:1。

根据本发明第一方面的高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂，其特征在于，所述粘结剂硅酸钾钠的模数为2.7。

根据本发明第一方面的高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂，其特征在于，所述粘结剂硅酸钾钠在温度为20℃时其波美度为43。

根据本发明第一方面的高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂，其特征在于，所述粘结剂硅酸钾钠的钾钠比为1.5:1、模数为2.7、20℃时波美度为43。

根据本发明第一方面的高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂，其特征在于，其是照如下工艺制备得到的：将配方比例的萤石、硅线石、白刚玉、菱苦土、云母、冰晶石、陶土七种细粉混合干拌(例如2～10min，例如3min～5min)，然后加入硅酸钾钠继续搅拌混合(例如2～10min，例如4min～6min)，得到混合物；将该混合物先进行低温(例如180～230℃例如200℃)烘干(例如35-60min，例如45min，例如除去99％的水分)，再经高温(例如700～900℃例如800℃)烧结(例如50-70min，例如60min)、过筛，得到呈颗粒状的高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂(其可用于与相应焊丝配套使用)。

根据本发明第一方面的高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂，其具有10-60目的粒度，例如具有10～50目的粒度。

根据本发明第一方面的高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂，其具有如下N1～N5任一项所述重量比例的配方：

N1：萤石30重量份、硅线石25重量份、白刚玉20重量份、菱苦土10重量份、云母5重量份、冰晶石5重量份、陶土5重量份；

N2：萤石35重量份、硅线石15重量份、白刚玉25重量份、菱苦土8重量份、云母5重量份、冰晶石5重量份、陶土10重量份；

N3：萤石35重量份、硅线石18重量份、白刚玉22重量份、菱苦土8重量份、云母5重量份、冰晶石6重量份、陶土8重量份；

N4：萤石35重量份、硅线石20重量份、白刚玉20重量份、菱苦土6重量份、云母5重量份、冰晶石7重量份、陶土8重量份；

N5：萤石35重量份、硅线石18重量份、白刚玉22重量份、菱苦土6重量份、云母7重量份、冰晶石7重量份、陶土8重量份。

根据本发明第一方面的高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂，其具有如下N1～N5任一项所述重量比例的配方：

N1：萤石30重量份、硅线石25重量份、白刚玉20重量份、菱苦土10重量份、云母5重量份、冰晶石5重量份、陶土5重量份；

N2：萤石35重量份、硅线石15重量份、白刚玉25重量份、菱苦土8重量份、云母5重量份、冰晶石5重量份、陶土10重量份；

N3：萤石35重量份、硅线石18重量份、白刚玉22重量份、菱苦土8重量份、云母5重量份、冰晶石6重量份、陶土8重量份；

N4：萤石35重量份、硅线石20重量份、白刚玉20重量份、菱苦土6重量份、云母5重量份、冰晶石7重量份、陶土8重量份；

N5：萤石35重量份、硅线石18重量份、白刚玉22重量份、菱苦土6重量份、云母7重量份、冰晶石7重量份、陶土8重量份，

并且，其制备方法如下：将所需烧结焊剂用原料按配方进行配比称重，复验总重量后放入干混器干拌粉2～10min(例如4min)，干混均匀后倒入湿拌器，加入硅酸钾钠(干粉总重量的24％)进行湿拌2～10min(例如5min)，湿拌均匀后将湿粉通过传送带送入造粒盘进行造粒，造粒完成后经传送带送入低温炉，在180-230℃(例如200℃)环境下烘干35-60min(例如45min)，后经提升机提升并筛分，将筛分后在标准粒度范围内的半成品焊剂输送至高温窑烧结，在700-900℃(例如800℃)高温下烧结50-70min(例如60min)，出窑后经冷却、提升、筛分(10～50目)、包装，制成成品焊剂。

进一步的，本发明第二方面提供了一种制备高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂的方法，其特征在于，包括如下步骤：将配方比例的萤石、硅线石、白刚玉、菱苦土、云母、冰晶石、陶土七种细粉混合干拌(例如2～10min，例如3min～5min)，然后加入硅酸钾钠继续搅拌混合(例如2～10min，例如4min～6min)，得到混合物；将该混合物先进行低温(例如180～230℃例如200℃)烘干(例如35-60min，例如45min，例如除去99％的水分)，再经高温(例如700～900℃例如800℃)烧结(例如50-70min，例如60min)、过筛，得到呈颗粒状的高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂(其可用于与相应焊丝配套使用)。

根据本发明第二方面的方法，其特征在于，所述细粉的比例为：萤石30-40重量份、硅线石15-30重量份、白刚玉20-30重量份、菱苦土3-10重量份、云母3-10重量份、冰晶石3-10重量份、陶土3-10重量份。

根据本发明第二方面的方法，其特征在于，所用硅酸钾钠重量是细粉总重量的22～25％。

根据本发明第二方面的方法，其特征在于，所述粘结剂硅酸钾钠的钾钠比为1.5:1。

根据本发明第二方面的方法，其特征在于，所述粘结剂硅酸钾钠的模数为2.7。

根据本发明第二方面的方法，其特征在于，所述粘结剂硅酸钾钠在温度为20℃时其波美度为43。

根据本发明第二方面的方法，其特征在于，所述粘结剂硅酸钾钠的钾钠比为1.5:1、模数为2.7、20℃时波美度为43。

根据本发明第二方面的方法，其特征在于，所述呈颗粒状的高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂具有10-60目的粒度，例如具有10～50目的粒度。

根据本发明第二方面的方法，其特征在于，所述高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂具有如下N1～N5任一项所述重量比例的配方：

N1：萤石30重量份、硅线石25重量份、白刚玉20重量份、菱苦土10重量份、云母5重量份、冰晶石5重量份、陶土5重量份；

N2：萤石35重量份、硅线石15重量份、白刚玉25重量份、菱苦土8重量份、云母5重量份、冰晶石5重量份、陶土10重量份；

N3：萤石35重量份、硅线石18重量份、白刚玉22重量份、菱苦土8重量份、云母5重量份、冰晶石6重量份、陶土8重量份；

N4：萤石35重量份、硅线石20重量份、白刚玉20重量份、菱苦土6重量份、云母5重量份、冰晶石7重量份、陶土8重量份；

N5：萤石35重量份、硅线石18重量份、白刚玉22重量份、菱苦土6重量份、云母7重量份、冰晶石7重量份、陶土8重量份。

根据本发明第二方面的方法，其特征在于，所述高温镍基合金用丝极埋弧焊烧结焊剂具有如下N1～N5任一项所述重量比例的配方：

N1：萤石30重量份、硅线石25重量份、白刚玉20重量份、菱苦土10重量份、云母5重量份、冰晶石5重量份、陶土5重量份；

N2：萤石35重量份、硅线石15重量份、白刚玉25重量份、菱苦土8重量份、云母5重量份、冰晶石5重量份、陶土10重量份；

N3：萤石35重量份、硅线石18重量份、白刚玉22重量份、菱苦土8重量份、云母5重量份、冰晶石6重量份、陶土8重量份；

N4：萤石35重量份、硅线石20重量份、白刚玉20重量份、菱苦土6重量份、云母5重量份、冰晶石7重量份、陶土8重量份；

N5：萤石35重量份、硅线石18重量份、白刚玉22重量份、菱苦土6重量份、云母7重量份、冰晶石7重量份、陶土8重量份，

并且，该方法包括如下步骤：将所需烧结焊剂用原料按配方进行配比称重，复验总重量后放入干混器干拌粉2～10min(例如4min)，干混均匀后倒入湿拌器，加入硅酸钾钠(干粉总重量的24％)进行湿拌2～10min(例如5min)，湿拌均匀后将湿粉通过传送带送入造粒盘进行造粒，造粒完成后经传送带送入低温炉，在180-230℃(例如200℃)环境下烘干35-60min(例如45min)，后经提升机提升并筛分，将筛分后在标准粒度范围内的半成品焊剂输送至高温窑烧结，在700-900℃(例如800℃)高温下烧结50-70min(例如60min)，出窑后经冷却、提升、筛分(10～50目)、包装，制成成品焊剂。

本发明的任一方面的任一实施方案，可以与其它实施方案进行组合，只要它们不会出现矛盾。此外，在本发明任一方面的任一实施方案中，任一技术特征可以适用于其它实施方案中的该技术特征，只要它们不会出现矛盾。下面对本发明作进一步的描述。

本发明所引述的所有文献，它们的全部内容通过引用并入本文，并且如果这些文献所表达的含义与本发明不一致时，以本发明的表述为准。此外，本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义，即便如此，本发明仍然希望在此对这些术语和短语作更详尽的说明和解释，提及的术语和短语如有与公知含义不一致的，以本发明所表述的含义为准。

本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义，即便如此，本发明仍然希望在此对这些术语和短语作更详尽的说明和解释，提及的术语和短语如有与公知含义不一致的，以本发明所表述的含义为准。

在本发明中，术语“重量份”表示本发明焊丝药皮中各组份相互之间的相对量，该“重量份”可以是绝对重量数(例如mg、g、或kg等)，亦可以是重量百分数(例如，重量％或wt％)。当然在以重量百分数(例如，重量％或wt％)计时，一个优选的实施方案是各组份之和为100％。

在本发明中，使用的各种配料是本领域公知的，例如萤石、硅线石、白刚玉、菱苦土、云母、冰晶石、陶土以及钾钠水玻璃等物料，均具有本领域公知的含义，它们都是本领域技术人员在制备焊接材料中常用的原料，并且都可以直接以其上述品名从市场购得。

众所周知，本发明所用萤石的主要成分为CaF

本发明获得的焊剂具有如本发明上下文所述优良的技术效果，例如但不限于如下优点：

本发明烧结焊剂具有优良的脱渣性能。

本发明通过精确地控制卤素化合物与碱性氧化物的加入量来调整熔渣的熔点、密度、黏度、张力等，保证焊缝质量。

本发明通过使焊剂烧结，一般干燥温度为180～230℃，除去99％的水分，再经过700～900℃的高温烧结，确保所得焊剂强度高、吸湿性小，进而保证堆焊层金属的扩散氢含量和氧含量。

本发明通过向焊剂中添加云母，云母富有弹性，有利于焊剂的生产，也可增加焊剂的透气性，使得焊剂烧结效率更高。

本发明合理调配了焊剂各组份的比例，设计出合理的焊剂渣系，很好的调整了熔渣的黏度、表面张力和流动性，焊剂施焊时，焊接过程稳定、脱渣性能优良。

具体实施方式

通过下面的实施例可以对本发明进行进一步的描述，然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。本发明对试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性和/或具体的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。

本实施例1配制5种焊剂，编号为N1-N5。5种烧结焊剂各组分的重量百分含量见表1：

表1：焊剂组份及各组分重量比例(100g)

焊剂制备方法如下：

将所需烧结焊剂用原料按配方进行配比称重，复验总重量后放入干混器干拌粉2～10min(本实施例4min)，干混均匀后倒入湿拌器，加入硅酸钾钠(干粉总重量的24％)进行湿拌2～10min(本实施例5min)，湿拌均匀后将湿粉通过传送带送入造粒盘进行造粒，造粒完成后经传送带送入低温炉，在180-230℃(本实施例200℃)环境下烘干35-60min(本实施例45min，去除99％水分)，后经提升机提升并筛分，将筛分后在标准粒度范围内的半成品焊剂输送至高温窑烧结，在700-900℃(本实施例800℃)高温下烧结50-70min(本实施例60min)，出窑后经冷却、提升、筛分(10～50目)、包装，制成成品焊剂。

本实施例所用硅酸钾钠的钾钠比为1.5:1、模数为2.7、20℃时波美度为43。

将制备好的5种焊剂分别与ERNiCrMo-2焊丝配合进行焊接试验，试验用钢板材质为Q235碳素钢，板厚20mm；焊丝直径：2.5mm。焊接工艺参数见表2。

表2：焊接工艺参数

本发明人使用本领域常规方法测定了焊丝和熔敷金属的化学成分，结果见表3。

表3：焊丝及熔敷金属化学成分，wt.％

以优(3分)、良(2分)、中(1分)、劣(0分)四个评分档级，对上述5种焊剂进行焊接试验，对焊接工艺性能进行评价，结果如下表4。

表4：焊剂焊接工艺性能

以上表4结果表明，从工艺性能的角度讲，N3焊剂明显优于其它配方的焊剂。

鉴于表4所示N1、N3、N5的焊剂焊接工艺性能更优，按照本领域常规的熔敷金属力学性能试验方法，对上述三种焊剂施焊所得熔敷金属的力学性能作进一步考察，测试结果见表5。

表5：熔敷金属力学性能试验结果

从上表结果可见，虽然5种焊剂的配料比例稍有差异，但N3焊剂的性能明显优于其它焊剂。

对N3焊剂施焊所得焊接接头的力学性能作进一步考察，试验结果见表6。

表6：焊接接头力学性能试验结果

以上结果表明N3焊剂具有优良性能。

同表6法测得N1～N2、N4～N5于600℃测定的抗拉强度(MPa)分别为373、364、357、368，屈服强度(MPa)分别为164、157、155、162，于590℃测定的抗拉强度和屈服强度亦显示N3焊剂更优。

接着，依据标准ASTM G28 A法，进一步对N1～N5焊剂施焊所得熔敷金属晶间腐蚀进行测试，结果5种焊剂施焊所得熔敷金属的晶间腐蚀(mm/y)分别为：1.71、1.83、0.83、1.96、1.65，表明N3具有显著更优良的耐腐蚀性能。

另外，参照本实施例1之N3焊剂的配方和制法，不同的仅是使用的硅酸钾钠是干粉总重量的22％和25％，得到2种焊剂分别记为N31和N32；另外，参照本实施例1之N3焊剂的配方和制法，不同的仅是不添加菱苦土，得到的焊剂记为N33；照上文方法测定3种焊剂，结果，N31、N32和N33焊剂焊接工艺性能综合得分分别为9分、8分、2分，焊态条件的延伸率分别为49.7％、48.2％和27.6％，1177℃*95min+水冷条件的延伸率分别为53.1％、54.4％和31.3％，焊态(600℃高温拉伸)条件的延伸率分别为47.4％、46.2％和26.7％，1177℃*95min+水冷(600℃)条件的焊接接头抗拉强度分别为407MPa、396MPa和237MPa，熔敷金属晶间腐蚀测试显示晶间腐蚀(mm/y)分别为：0.78、0.86和2.24，N31和N32二者其余条件和参数测试结果与N3焊剂基本相同，但N33其余条件和参数测试结果均明显不可接受。这些结果表明，N3配方可以混合22％～25％的硅酸钾钠，并且具有优良的效果；还表明配方中添加菱苦土是必须的，否则各种性能均无法接受。本实施例1的结果还表明，虽然N1～N5五种焊剂物料配比变化差异无规律和明显差异可言，然而在这种无规律中N3显示明显更优异的结果。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。