隨著石油化工工業(yè)的迅速發(fā)展，處于高壓、高溫以及在腐蝕條件下操作的設(shè)備越來越多，并有向大型化、高參數(shù)發(fā)展的趨勢，不銹鋼、鎳基材料（Ni-Mo、Ni-Cr-Mo）類設(shè)備是首選材料。如果 全部用上述材料制造，代價太高。為了降低生產(chǎn)成本，節(jié)省昂貴的材料，只要在設(shè)備表面或內(nèi)壁堆 焊一層鎳基高溫合金或不銹鋼，即可增加設(shè)備的耐腐蝕性能。特別是鎳基高溫合金，屬于比較重要 的耐腐蝕材料,和普通不銹鋼、其它耐腐蝕金屬、非金屬的材料相比,它們在各種不同的腐蝕環(huán)境中， 甚至是化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕中,具備耐各種形式的腐蝕和破壞的能力,并且具備良好的力學(xué)性能和 機加工性能,其綜合抗腐蝕性能比一般不銹鋼及其它耐腐蝕金屬材料強，尤其適宜于介質(zhì)環(huán)境苛刻的 當(dāng)代工業(yè)。
成熟的氣霧化制粉工藝和氬氣保護煉鋼方式，即：將原材料在真空爐內(nèi)做成真空錠，之后在非 真空爐中重熔，并在液氬保護下實現(xiàn)傾倒鋼液、氣霧化，全過程氬氣保護鋼液，得到與真空爐霧化 法制取同樣質(zhì)量的產(chǎn)品。
1、氬氣保護氣霧化法制取高溫合金焊粉
1.1 氣霧化法制粉原理
根據(jù)合金牌號的化學(xué)成分配料后，通過中頻爐加熱熔化金屬材料后，熔融金屬按一定的澆注速度，通過霧化噴嘴，在密閉的霧化室內(nèi)（霧化室內(nèi)充滿純氮氣，氧含量低于0.02%以下）由高速氮氣沖擊合金流柱，形成細小的合金液滴，合金液滴在霧化室內(nèi)做自由落體飛行，通過一特定噴嘴用超音速的氣體射流將熔融的金屬或合金液流粉碎形成金屬或合金粉末的過程，將飛行的合金液滴在0.5——1.0秒瞬間凝固成細小的粉末。
此方法可以生產(chǎn)熔點低于1700℃的各種金屬及合金粉末，所得粉末為球形，粉末表面的氧化程度也比水霧化的低（只有l(wèi)/10左右），且粉末粒度分布寬（中位徑10-100μm）。常用的霧化介質(zhì)有氮氣、氬氣或空氣。
氣霧化生產(chǎn)金屬或合金粉末具有下列特點：[1]
1）在熔煉過程中可加入各種合金元素，制得范圍廣泛的、具有多種化學(xué)成分的合金粉末。
2）制得的粉末具有化學(xué)成分相同且均勻，沒有偏析，非金屬夾雜物少，純度高。
3）粉末顆粒成球形或類球形，且顆粒大小、粒度分布可通過改變霧化工藝和調(diào)節(jié)工藝參數(shù)進行調(diào)整。
4）粉末的氧化物主要集中在顆粒的表面，其氧化程度可借助于調(diào)節(jié)霧化工藝參數(shù)進行調(diào)整，能獲得含氧量極低的優(yōu)質(zhì)合金粉末。
5）粉末性能重復(fù)性高，適于大批量生產(chǎn)性能一致的粉末。
1.2 氬氣全程保護
氬氣是一種惰性氣體，不與鋼液發(fā)生任何反應(yīng)，用以隔離空氣，保證鋼液的穩(wěn)定，可確保 合金在熔化、澆注等過程中不受氧氣、氮氣污染，可得到氧含量較低的粉末。氬氣保護系統(tǒng)包 括以下幾個部分：
1.2.1爐頂吹氬
真空錠在在非真空狀態(tài)下，加熱、熔化，表面發(fā)紅后會被空氣氧化，生成氧化物，增加材 料夾雜物。為此，公司專門設(shè)計了氬氣保護罩，加熱熔化的過程中，爐內(nèi)充滿氬氣，完全隔離 空氣，在爐料熔化后，撤掉保護罩，造渣保護，同時啟動爐底吹氬裝置。
1.2.2爐底吹氬
在爐底安裝透氣轉(zhuǎn)，當(dāng)鋼液熔化后，打開氬氣閥門，氬氣從爐底吹入鋼液內(nèi)部，并且上浮， 上浮過程中，鋼液內(nèi)的其它氣體和雜質(zhì)進入氬氣泡內(nèi)，隨氬氣一起上浮，鋼液得以凈化。
1.2.3 出鋼過程氬氣保護
為防止鋼液在出鋼過程中的二次氧化，專門設(shè)計了出鋼保護罩，安裝在爐嘴，出鋼過程中， 鋼液流完全被罩在氬氣氣氛中，隔離了空氣。
1.3 嚴格采用氣霧化制粉工藝和液氬全程保護煉鋼方式，輔助于合理的霧化裝置（噴嘴）和鋼溫
1.3.1 霧化裝置（噴嘴）
噴嘴是霧化裝置中使霧化介質(zhì)獲得高能量、高速度的部件，它對霧化效率和霧化過程的穩(wěn)定性 起重要作用。利用公司專利“組合式噴嘴及其合金粉末垂直氣霧化裝置”，保證霧化介質(zhì)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；中間是主噴嘴，實施錐形噴射，外圍增 加輔助噴嘴，實施環(huán)形平行噴射，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，加快粉末下降速度，可以防止液滴和高溫的小金屬球粘連，保證粉末球形良好，大幅度減 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(zhì)量作用明顯：
1）減少了大顆粒，使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，使粉末表面更加光滑，粉末間的磨擦力減少，流動性能提高；
3）減少了空心球粉，使粉末的堆積密度提高，即提高了松裝比； 粉末的空心率，由原來的 5％下降到 1％以下；粉末成品率明顯提高，達到 50—70％，節(jié)約了霧化氣體、電能、人工費用。
1.3.2 提高鋼溫
高溫合金粘性大，通過提高金屬液流的溫度，即提高金屬液流過熱度來提高粉末的成球率。當(dāng) 霧化溫度為 1300℃時，粉末的球形度不高，粉末以類球形為主并且粉末表面粗糙，這是因為金屬液 流的溫度較低時，其粘度增大，使金屬粉末成球困難，另外較低的金屬液流溫度使金屬粉末的凝固 時間縮短，粉末在未收縮成球之前已經(jīng)凝固。當(dāng)霧化溫度達到 1500℃時，粉末球形度高且粉末表面 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粉末的凝固時間的同 時，還能使金屬液的粘度降低從而使金屬粉末的球化時間縮短，即在實際生產(chǎn)金屬液流的過熱度控 制在 200-300℃時能得到球形度高，表面光潔的優(yōu)質(zhì)粉末。[2]
生產(chǎn)實踐表明：增加金屬液流過熱度可降低粉末的平均粒徑，這是由于溫度升高時液體體積膨 脹，分子問距增大，削弱了體相分子對表面層分子的作用力。同時溫度升高時，氣相蒸汽壓變大， 密度增大，氣相分子對液體表面分子作用增強，從而導(dǎo)致金屬熔融液體的表面張力與粘度隨金屬溫 度的升高而減小逐漸降低。而金屬熔融液體的表面張力與粘度的降低使熔融金屬在霧化過程中容易 被霧化氣體沖擊撕裂成微小液滴，有利于金屬液流的破碎。
2、試制鎳基高溫合金焊粉
2.1 鎳基高溫合金焊粉
鎳基高溫合金焊粉在機械、化工、航空等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，其堆焊層有良好的抗氧化 性能和和耐蝕性能，并且其堆焊溫度范圍與不銹鋼及高溫合金的熱處理制度相一致，ERNiCrMo-3（Inconel625）、ERNiCrMo-10（HC-22） 。而且隨著近幾年汽車工業(yè)和民用制品的高速發(fā)展， 鎳基高溫合金在民用制品的使用上也日漸增加。因此鎳基高溫合金焊粉適用堆焊在高溫、腐蝕下工作 的碳鋼、不銹鋼、耐熱鋼及高溫合金零部件上。在堆焊過程中要求焊粉的化學(xué)成分均勻、穩(wěn)定，且 具有較低的氧含量及低的雜質(zhì)，以便使堆焊過程工藝良好、粉末與基材潤濕充分，并減少氧化物夾 雜導(dǎo)致的堆焊接頭（堆焊層）的缺陷，但國內(nèi)生產(chǎn)的鎳基高溫合金焊粉由于存在氧含量較高、粉末 形狀難控制、批量過小等現(xiàn)狀，或需要有更精良的生產(chǎn)設(shè)備，導(dǎo)致堆焊部位存在缺陷而不能正常工 作，因此長期以來均依賴進口。
2.2 試驗內(nèi)容
所試制生產(chǎn)ERNiCrMo-3（Inconel625）焊粉，球形狀，按使用工況指標(biāo)，其中氧含量控制在0.08%以下。對生產(chǎn)的鎳基高溫合金粉末的化學(xué)成分、氧含量成分控制如表1要求，
2.3 生產(chǎn)原理
鎳基高溫合金粉末氣霧化生產(chǎn)是以電解鎳板為原料，添加Cr、Si、Mn、Fe、Mo、Nb等金屬或合金，在中頻感應(yīng)爐中熔煉成符合化學(xué)成分要求的熔液，己預(yù)熱的中間包置于噴嘴上方，且與噴嘴對中聚集，然后將熔融的金屬液流注入到漏包坩鍋（中間包）中，在中間包的下方放置有氣霧化噴嘴，當(dāng)熔融的金屬液流通過漏嘴經(jīng)流噴嘴時，同時開啟高壓氮氣匯流裝置，使之保持一定的壓力，通過噴嘴的高速霧化氣流以一定的角度將通過中間包流經(jīng)漏嘴的合金流沖擊成合金液滴，合金液滴落入霧化桶內(nèi)，凝固成合金粉末。整個制粉過程均在非真空狀態(tài)下運行。見圖1、圖2、圖3。
2.4 試驗結(jié)果及分析
2.4.1 化學(xué)成分的控制
粉末化學(xué)成分的穩(wěn)定性、精確性直接影響到堆焊接頭的性能高低及堆焊溫度的選擇，因此在生產(chǎn)過程中采取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，按原材料檢驗規(guī)范對每批原材料進行檢驗，嚴禁潮濕或銹蝕的爐料或返回料進入 熔煉爐，并對所有原材料進行適當(dāng)?shù)奶幚怼?鎳板厚度不小于3mm，邊緣無樹枝狀結(jié)粒和密集氣孔，板面不得有直徑大于2mm的氣孔，直徑 0.5-2mm的密集氣孔總面積不得超過鎳板單面面積的10%。
金屬鉻表面應(yīng)呈灰白色，斷面應(yīng)致密無氣孔。
鉬條表面應(yīng)光潔，呈銀灰色或銀灰色金屬光澤，，不得有嚴重的淡黃色或深黑色氧化和沾污現(xiàn)象等。
2)選合適的爐襯材料，避免因爐襯材料不合理所造成的污染
采用酸性中頻感應(yīng)爐熔煉，石英砂坩鍋應(yīng)保持良好狀態(tài)，新坩鍋在使用前需用金屬鎳或同種合金洗爐一到兩次。
4）嚴格控制熔煉溫度和時間
這些條件會影響合金元素的燒損量以及鎳基高溫合金粉末合金化程度。在生產(chǎn)過程中一般熔液的過 熱度在200℃-300℃，并在爐料全部熔化并扒渣后鎮(zhèn)靜3-5分鐘，再轉(zhuǎn)入霧化工序。 試制的鎳基高溫合金焊粉ERNiCrMo-3（Inconel625）的化學(xué)成分，與進口焊粉的化學(xué)成分、氧含量 實測，見表2。
2.4.2粉末的氧含量
粉末中的氧含量是影響堆焊接頭質(zhì)量的主要因素之一，當(dāng)粉末中氧含量過高時，粉末中的氧化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；而且由于氧化物的熔點較高，會在堆焊接頭中形成氧化物夾雜導(dǎo)致缺陷，使零件在高溫工作狀態(tài)下產(chǎn)生應(yīng)力集中，損害部件。因此控制粉末氧含量是衡量粉末質(zhì)量的關(guān)鍵。由于本生產(chǎn)過程的所有工序均在非真空環(huán)境下進行，因此在生產(chǎn)過程中，我們針對不同的生產(chǎn)工序采取了許多方法來防止粉末的氧化。
熔煉方式對粉末的氧含量影響 ：真空霧化法為原材料在真空中頻感應(yīng)爐中熔化、重熔、霧化；而非真空熔煉為大氣環(huán)境中熔煉、重熔、霧化。表3可以看出，在其它霧化工藝參數(shù)相同的情況下，真空霧化法得到的焊粉的氧含量稍低于大氣熔煉時的氧含量，僅低0.004%。[3]
3、結(jié)論
利用成熟的氣霧化制粉工藝和氬氣保護煉鋼方式，將制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(nèi)做成真空錠，而后在非真空爐中重熔，并在氬氣保護下實現(xiàn)傾倒鋼液、氣霧化，全過程液氬保護鋼液，成功試制了ERNiCrMo-3（Inconel625）、ERNiCrMo-10（HC-22）、ERNiFeCr-1(Incoloy825)、Monel 400（蒙乃爾）、HC-276等粘度較大的高溫合金焊粉，化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準，且氧含量得到了與真空爐霧化法制取同樣質(zhì)量的產(chǎn)品。
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