耐腐蚀耐摩擦镍基金属粉芯焊丝及其熔覆层制备方法

技术领域

本发明属于高温合金电弧熔覆焊接方法技术领域，具体涉及耐腐蚀耐摩擦镍基金属粉芯焊丝，还涉及上述金属粉芯焊丝用于熔覆层制备的方法。

背景技术

镍铬铁合金作为石油化工、航空航天领域的常用合金，在石油管线、航空发动机、起落架等需要耐腐蚀，耐高温等特殊性能的使用场景均有广泛应用，这是因为在镍基高温合金中，镍含量通常在50wt％以上，同时含有Cr、Mo、Nb等其他合金元素，多种元素的联合作用增强了镍基高温合金的抗高温氧化、耐腐蚀和高温力学性能。风机壳体一般都存在着不同程度的腐蚀和磨损，安装在锅炉不同部位的风机所承受的温度、腐蚀和摩擦也不尽相同，所以就需要针对性的选择防护熔覆层。目前传统低碳钢单一的使用性能，难以满足严苛的性能要求，并且对于风机壳体高性能熔覆层的开发较为薄弱。

目前镍基高温合金铸件成形及组织协调控制方面存在较大的困难，保证铸件具有良好充型能力与提升高温合金铸件力学性能两种相互矛盾的工艺要求常常成为高温合金铸件的机械性能差、成型精度低的主要原因。而电弧熔覆技术将高温合金作为的覆层材料，熔覆在传统钢铁材料上，从而获得了镍基高温合金优异的高温抗氧化性能和耐腐蚀性能，也避免了铸件成型工艺的高难度。并且电弧熔覆操作方便适用于各种复杂工况，精度高，可熔覆材料范围广，对熔覆材料要求较低，环境污染小，加工效率高等优点。相较于传统实芯焊丝大批量生产，针对问题功能性单一的特点，金属型粉芯焊丝成分调控灵活，可为熔覆层精准提供所需成分，并同时提高各项性能。

IN718镍基合金凭借其出色的耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性能等优点，在各类金属表面修复或改性领域被广泛应用，而Inconel 718镍基合金熔覆制造过程中存在的成形困难、元素偏析、裂纹等问题，会导致合金熔覆层性能无法满足金属表面改性或修复的需求，耐腐蚀性能无法满足使用要求，现有技术中，制备耐腐蚀熔覆层，对Inconel 718合金粉末做原材料及激光作为热源制备技术较多，而用丝材并将电弧作为热源制备熔覆层技术较少。

发明内容

本发明目的在于提供耐腐蚀耐摩擦镍基金属粉芯焊丝，用以在低碳钢上电弧熔覆制备耐腐蚀耐摩擦镍基合金熔覆层，解决了低碳钢耐摩擦耐腐蚀性能差和Inconel 718镍基焊丝熔覆制造过程中存在的成形困难、元素偏析、容易产生裂纹的问题。

本发明目的还在于上述耐腐蚀耐摩擦镍基金属粉芯焊丝及其熔覆层的制备方法。

本发明所采用的技术方案是：耐腐蚀耐摩擦镍基金属粉芯焊丝，金属粉芯焊丝包括Inconel 718镍基合金带皮与金属粉芯，金属粉芯由包括以下重量份组成：Ni 40％～65％，Cr 19.0％～19.65％，Fe 5.8％～6.3％，Nb 4.5％～4.97％，Mo 2.52％～2.92％，Ti0.55％～0.77％，Al 0.15％～0.39％，WC 1～25％，以上组分质量百分比之和为100％；金属粉芯焊丝包粉率为35wt.％-40wt.％。

本发明所采用的第二种技术方案是：耐腐蚀耐摩擦镍基金属粉芯焊丝的制备方法，具体如下：

步骤1：按照质量百分比分别称量合金粉末：Ni 40％～65％，Cr 19.0％～19.65％，Fe 5.8％～6.3％，Nb 4.5％～4.97％，Mo 2.52％～2.92％，Ti 0.55％～0.77％，Al 0.15％～0.39％，WC 1～25％，以上组分质量百分比之和为100％；

步骤2：然后将称量好的合金粉末混合均匀置于真空管式炉加热保温干燥后并冷却至室温，得到金属粉芯；

步骤3：将Inconel 718合金带经过拉丝机轧制成U型焊带，然后将步骤2中得到的干燥的混合金属粉末作为金属粉芯放入U型焊带，并随着拉丝机轧制通过模具碾压闭合为O型焊丝，并将粗焊丝再次进行拉拔减径至1.6mm得到金属粉芯焊丝，再用蘸有无水乙醇或丙酮的棉布清除焊丝表面杂质油污。

本发明的特点还在于，

步骤1的烘干具体是将混合称量完成的合金粉末置于真空管式炉中烘干，烘干温度为120℃～220℃，烘干时间为1.5h～2h，持续通入99.9％Ar气体避免氧化。

步骤3拉丝机轧制焊丝过程中需控制填粉速度和填粉量，控制金属粉芯填充率为35wt.％-40wt.％。

本发明所采用的第三种技术方案是：采用耐腐蚀耐摩擦镍基金属粉芯焊丝制备熔覆层的方法，将清除杂志后的金属粉芯焊丝进行剪丝处理，得到合适长度，进行电弧熔覆堆焊并冷却，堆焊完成后得到镍基合金熔覆层，堆焊基体为Q345低合金钢。

堆焊工艺采用TIG焊，保护气体为99.9％纯Ar气体；焊接参数为:焊接电流为165A～170A，焊接电压随焊机焊接电流自动匹配，焊接速度为0.15m/min～0.25m/min。

焊接方式采用多道沉积，后道次熔覆与前一道搭接40％。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用的钨极氩弧焊的熔覆方法在风机壳体材料(Q345低碳钢)表面进行堆焊，堆焊过程中电弧及熔滴过渡稳定，焊接飞溅少，焊缝成型质量高，并且焊接过程热输入大，生产效率高。

(2)本发明的耐腐蚀耐摩擦镍基金属粉芯焊丝，生产过程简单、操作方便，成分可控性高、调节灵活，成本较低，可实现连续生产。

(3)Ni元素作为Inconel718合金带含量最多的合金元素，组成了合金的基体组织，其高温稳定性优良，不会发生同素异构转变，并且可溶解较多合金元素，维持稳定的奥氏体结构；并且可与Al、Ti等元素结合形成可强化机械性能的γ′和γ″相。

(4)Cr元素作为镍基合金重要组成元素，适量Cr的存在起到良好的固溶强化作用，引起晶格畸变，提高合金力学性能，使熔覆层耐磨性得以提升；Cr元素与空气或表面接触介质中的O元素反应形致密氧化膜，阻隔合金基体进一步与腐蚀介质接触并发生反应，提高合金熔覆层的耐腐蚀性。

(5)Ti元素和Al元素一定程度上提高合金的硬度，加入Al和Ti元素可以显著提高合金耐点蚀和耐缝隙腐蚀的能力，因为Al和Ti的原子半径较小，且与O结合可以生成致密氧化膜；同时Al和Ti还是γ′沉淀强化相的基本组成元素，适量Al元素和Ti元素的加入可改善合金的焊接性能。

(6)Fe元素作为低碳钢基体的主要成分，它的加入可抑制焊接过程中的基体与熔覆层间的偏析现象，减少基体对耐磨熔覆层的稀释，保持合金熔覆层的高耐磨耐蚀性质。

(7)WC作为高熔点化合物，在焊接过程中的高温下仅发生部分分解，消耗Laves相所需的Mo，Nb元素，减少晶间Laves相的生成，而Laves相作为裂纹易于形核点位，Laves相的减少可以显著抑制熔覆过程中裂纹发生的可能性。同时未分解的WC在电弧搅拌作用下弥散分布于熔池中，可作为非均匀形核的质点，增加了形核源，或集聚在晶界处，阻碍晶粒长大，细化晶粒，提高了合金熔覆层的强度。

(8)Mo和Nb元素的可以固溶在镍基体中可提高镍基合金机械强度，因二者原子半径较大，固溶强化效果显著。Mo元素与Nb元素都可以与C元素结合形成细小的碳化物颗粒，分布在晶内和晶界处，可以起到弥散强化和晶界强化的作用。

(9)本发明基于钨极氩弧焊，使用制备的镍基合金熔覆层基体与熔覆层结合较好，耐腐蚀性能优异。TIG电弧熔覆适合于各种复杂的工况，设备成本极低，人工操作灵活。本发明中的耐腐蚀耐摩擦镍基金属粉芯焊丝用于电弧熔覆，熔覆层成型质量优良，无明显缺陷与夹渣，焊接弧光烟尘较小。

附图说明

图1是本发明采用耐腐蚀耐摩擦镍基金属粉芯焊丝制备熔覆层及风机壳体材料摩擦磨损实验磨损量结果图；

图2是本发明实施例1制备的熔覆层微观组织图；

图3是本发明实施例2制备的熔覆层微观组织图；

图4是本发明实施例3制备的熔覆层微观组织图；

图5是本发明实施例3制备的熔覆层微观组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用与限制本发明的范围，在阅读本发明后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明耐腐蚀耐摩擦镍基金属粉芯焊丝；金属粉芯焊丝包括金属粉芯和镍基合金带，金属粉芯由以下组分(wt.％)组成：Ni 40％～65％，Cr19.65％，Fe 6.3％，Nb 4.97％，Mo 2.92％，Ti 0.77％，Al 0.39％，WC 1～25％，以上组分质量百分比之和为100％。合金带材料为Inconel 718合金带；金属粉芯填充率为35wt.％-40wt.％。

本发明耐腐蚀耐摩擦镍基金属粉芯焊丝的制备方法，具体操作步骤如下：

步骤1：按照质量百分比分别称量金属型药芯：Ni 40％～65％，Cr 19.0％～19.65％，Fe 5.8％～6.3％，Nb 4.5％～4.97％，Mo 2.52％～2.92％，Ti 0.55％～0.77％，Al 0.15％～0.39％，WC 1～25％，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤2：然后将称量好的合金粉末混合均匀置于真空管式炉加热保温干燥烘干温度为120℃～220℃，烘干时间为1.5h～2h并持续通入99.9％Ar气体然后冷却至室温，得到药芯合金粉。

步骤3：将Inconel 718合金带经过拉丝机由平面状轧制成U型焊带，然后将步骤2中得到的干燥的混合金属粉末作为金属粉芯放入U型焊带，并随着拉丝机轧制通过模具碾压闭合为O型焊丝，过程中控制填粉速度和填粉量；并将粗焊丝再次进行拉拔减径至1.6mm，再用蘸有无水乙醇或丙酮的棉布清除焊丝表面杂质油污。

采用耐腐蚀耐摩擦镍基金属粉芯焊丝制备熔覆层的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：按照质量百分比分别称量金属粉芯：Ni 40％～65％，Cr 19.0％～19.65％，Fe 5.8％～6.3％，Nb 4.5％～4.97％，Mo 2.52％～2.92％，Ti 0.55％～0.77％，Al 0.15％～0.39％，WC 1～25％。

步骤2：然后将称量好的合金粉末混合均匀置于真空管式炉加热保温干燥烘干温度为120℃～220℃，烘干时间为1.5h～2h并持续通入99.9％Ar气体然后冷却至室温，得到金属粉芯。

步骤3：将Inconel 718合金带经过拉丝机由平面状轧制成U型焊带，然后将步骤2中得到的干燥的混合金属粉末作为金属粉芯放入U型焊带，并随着拉丝机轧制通过模具碾压闭合为O型焊丝，过程中控制填粉速度和填粉量；并将粗焊丝再次进行拉拔减径至1.6mm，再用蘸有无水乙醇或丙酮的棉布清除焊丝表面杂质油污。

步骤4：将步骤3中所得焊丝进行剪丝处理，得到合适长度，进行电弧熔覆堆焊并冷却，焊接电流为165A～170A，焊接电压随焊机焊接电流自动匹配，焊接速度为0.15m/min～0.25m/min，保护气体为99.9％Ar气体，焊接方式采用多道沉积，后道次熔覆与前一道搭接40％，堆焊完成后得到所需镍基合金熔覆层，堆焊基体为Q345低合金钢。

实施例1

步骤1,按照质量百分比分别称量金属型药芯：Ni 64％，Cr 19.65％，Fe 6.3％，Nb4.97％，Mo 2.92％，Ti 0.77％，Al 0.39％，WC 1％，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤2,将步骤1中称量好的合金粉末混合均匀并烘干，烘干在真空管式炉中进行，烘干温度为120℃～220℃，烘干时间为1.5h～2h并持续通入99.9％Ar气，然后冷却至室温，得到金属粉芯。

步骤3,将Inconel 718合金带经过拉丝机由平面状轧制成U型焊带，然后将步骤2中得到的干燥的混合金属粉末作为金属粉芯放入U型焊带，并随着拉丝机轧制通过模具碾压闭合为O型焊丝，过程中控制填粉速度和填粉量；并将粗焊丝再次进行拉拔减径至1.6mm，再用蘸有无水乙醇或丙酮的棉布清除焊丝表面杂质油污。

步骤4,将步骤3中所得焊丝进行剪丝处理，得到合适长度，进行电弧熔覆堆焊并冷却，焊接电流为165A～170A，焊接电压随焊机焊接电流自动匹配，焊接速度为0.15m/min～0.25m/min，保护气体为99.9％Ar气体，焊接方式采用多道沉积，后道次熔覆与前一道搭接40％，堆焊完成后得到所需镍基合金熔覆层，堆焊基体为Q345低合金钢。

焊接试验结束后，在3.5％NaCl腐蚀液中对熔覆层进行电化学腐蚀实验和显微组织观察。经实验测试发现，风机壳体材料(Q345钢)开路电位为-0.52V，熔覆层开路电位是-0.28V，风机壳体材料(Q345钢)电极单位面积上的电流大小为9.078×10

实施例2

步骤1,按照质量百分比分别称量金属型药芯Ni 60％，Cr 19.65％，Fe 6.3％，Nb4.97％，Mo 2.92％，Ti 0.77％，Al 0.39％，WC 5％，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤2,将步骤1中称量好的合金粉末混合均匀并烘干，烘干在真空管式炉中进行，烘干温度为120℃～220℃，烘干时间为1.5h～2h并持续通入99.9％Ar气，然后冷却至室温，得到金属粉芯。

步骤3,将Inconel 718合金带经过拉丝机由平面状轧制成U型焊带，然后将步骤2中得到的干燥的混合金属粉末作为金属粉芯放入U型焊带，并随着拉丝机轧制通过模具碾压闭合为O型焊丝，过程中控制填粉速度和填粉量；并将粗焊丝再次进行拉拔减径至1.6mm，再用蘸有无水乙醇或丙酮的棉布清除焊丝表面杂质油污。

步骤4,将步骤3中所得焊丝进行剪丝处理，得到合适长度，进行电弧熔覆堆焊并冷却，焊接电流为165A～170A，焊接电压随焊机焊接电流自动匹配，焊接速度为0.15m/min～0.25m/min，保护气体为99.9％Ar气体，焊接方式采用多道沉积，后道次熔覆与前一道搭接40％，堆焊完成后得到所需镍基合金熔覆层，堆焊基体为Q345低合金钢。

焊接试验结束后，在3.5％NaCl腐蚀液中对熔覆层进行电化学腐蚀实验和显微组织观察。经实验测试发现，风机壳体材料(Q345钢)开路电位为-0.52V，熔覆层开路电位是-0.27V，风机壳体材料(Q345钢)电极单位面积上的电流大小为9.078×10

实施例3

步骤1,按照质量百分比分别称量金属粉芯焊丝：Ni 50％，Cr 19.65％，Fe 6.3％，Nb 4.97％，Mo 2.92％，Ti 0.77％，Al 0.39％，WC 15％，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤2,将步骤1中称量好的合金粉末混合均匀并烘干，烘干在真空管式炉中进行，烘干温度为120℃～220℃，烘干时间为1.5h～2h并持续通入99.9％Ar气，然后冷却至室温，得到金属粉芯。

步骤3,将Inconel 718合金带经过拉丝机由平面状轧制成U型焊带，然后将步骤2中得到的干燥的混合金属粉末作为金属粉芯放入U型焊带，并随着拉丝机轧制通过模具碾压闭合为O型焊丝，过程中控制填粉速度和填粉量；并将粗焊丝再次进行拉拔减径至1.6mm，再用蘸有无水乙醇或丙酮的棉布清除焊丝表面杂质油污。

步骤4,将步骤3中所得焊丝进行剪丝处理，得到合适长度，进行电弧熔覆堆焊并冷却，焊接电流为165A～170A，焊接电压随焊机焊接电流自动匹配，焊接速度为0.15m/min～0.25m/min，保护气体为99.9％Ar气体，焊接方式采用多道沉积，后道次熔覆与前一道搭接40％，堆焊完成后得到所需镍基合金熔覆层，堆焊基体为Q345低合金钢。

焊接试验结束后，在3.5％NaCl腐蚀液中对熔覆层进行电化学腐蚀实验和显微组织观察。经实验测试发现，风机壳体材料(Q345钢)开路电位为-0.52V，熔覆层开路电位是-0.23V，风机壳体材料(Q345钢)电极单位面积上的电流大小为9.078×10

实施例4

步骤1,按照质量百分比分别称量金属型药芯：Ni 40％，Cr 19.65％，Fe 6.3％，Nb4.97％，Mo 2.92％，Ti 0.77％，Al 0.39％，WC 25％，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤2,将步骤1中称量好的合金粉末混合均匀并烘干，烘干在真空管式炉中进行，烘干温度为120℃～220℃，烘干时间为1.5h～2h并持续通入99.9％Ar气，然后冷却至室温，得到金属粉芯。

步骤3,将Inconel 718合金带经过拉丝机由平面状轧制成U型焊带，然后将步骤2中得到的干燥的混合金属粉末作为金属粉芯放入U型焊带，并随着拉丝机轧制通过模具碾压闭合为O型焊丝，过程中控制填粉速度和填粉量；并将粗焊丝再次进行拉拔减径至1.6mm，再用蘸有无水乙醇或丙酮的棉布清除焊丝表面杂质油污。

步骤4,将步骤3中所得焊丝进行剪丝处理，得到合适长度，进行电弧熔覆堆焊并冷却，焊接电流为165A～170A，焊接电压随焊机焊接电流自动匹配，焊接速度为0.15m/min～0.25m/min，保护气体为99.9％Ar气体，焊接方式采用多道沉积，后道次熔覆与前一道搭接40％，堆焊完成后得到所需镍基合金熔覆层，堆焊基体为Q345低合金钢。

焊接试验结束后，在3.5％NaCl腐蚀液中对熔覆层进行电化学腐蚀实验和显微组织观察。经实验测试发现，风机壳体材料(Q345钢)开路电位为-0.52V，熔覆层开路电位是-0.17V，风机壳体材料(Q345钢)电极单位面积上的电流大小为9.078×10