专利名称：一种用于原位合成MoSi的制作方法
技术领域：
本发明属于抗高温氧化表面技术领域，特别是提供了一种用于原位合成MoSi2堆焊层的粉芯焊丝，用于钨极氩弧堆焊法原位合成。
在各种抗高温氧化涂覆层中，硅化物涂层具有最佳的高温抗氧化性。而在硅化物中，MoSi2因具有极好的抗高温氧化性、抗腐蚀性能和高的硬度而成为一种极具竞争力的抗高温氧化材料。
以MoSi2为代表的钼硅化物可作为高温合金、难熔合金等材料的耐高温腐蚀涂覆层。传统的MoSi2涂覆层在基体(如Mo合金)和涂层之间存在明显的界面，因两者热膨胀系数不同，极易造成涂层的开裂剥落，一般寿命不长，仅用于一些工作寿命较短的高温部件。采用增加涂覆层厚度、涂覆层的合金化和涂覆层材料的致密化等方法是提高MoSi2涂覆层在高温氧化环境下工作寿命的有效手段。
涂覆层的合金化是改善涂覆层综合性能、提高涂覆层寿命的重要途径。涂覆层中加入B、Cr、W、Ge等元素，有利于降低薄膜的熔化温度、提高涂层自动治愈能力、改善钼硅化物涂层的塑性，提高热循环条件下涂层的寿命。
目前的技术主要用于制备厚度小于2mm的MoSi2涂层或扩渗层，现有的制备技术主要有包渗法、料浆法、热浸法、气相沉积法、溶盐法、热喷涂法、激光熔覆合成法以及其它复合表面技术等。除热喷涂和激光熔覆法外，许多工艺均需要将基体材料置于较高温度环境中来制备涂层。气相沉积法能得到较高性能的涂层，但也存在生产效率较低、设备成本高、涂层厚度小于mm级、处理物大小受真空炉限制等局限性。总体来看，国内外现有热喷涂工艺大都是将已合成的MoSi2哦粉末喷涂至工件表面，所得到的钼硅化物涂层的厚度一般为0.2-2mm，仍不能满足工件工作寿命长的要求。热喷涂法制备钼硅化物涂层的局限性在于(1)一般不能原位合成钼硅化物涂层；(2)涂层厚度一般小于2mm；(3)涂层的气孔率为1-15％；(4)涂层与基体一般为机械结合，结合强度为10-80MPa。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于原位合成MoSi2堆焊层的粉芯焊丝，解决了原位合成厚度为2-10mm MoSi2堆焊层的技术难题。
本发明的焊丝采用钼外皮包Mo、Si粉的粉芯焊丝以及钼外皮包Si、B、Cr、W、Ge等粉末的粉芯焊丝，通过钨极氩弧焊的冶金过程原位合成MoSi2或合金化MoSi2堆焊层，堆焊层与基体为冶金结合。
本发明焊丝采用钨极氩弧堆焊法原位合成MoSi2堆焊层的粉芯焊丝制备。
1、粉芯焊丝的外皮为金属钼箔，粉芯材料由Si和Mo粉组成，焊丝外皮Mo与粉芯中粉料的重量配比为Mo外皮30％-35％，Mo粉34％-40％，其中Mo外皮与Mo粉的总重量在粉芯焊丝中所占重量百分比为69％-70％，余量为Si粉；
2、粉芯焊丝的外皮为金属钼箔，粉芯材料由Si、B、Cr、W、Ge等元素组成；外皮Mo与粉芯中粉料的重量配比为Mo外皮54-64％，B粉2-5％，Cr粉3-10％，W粉2-5％，Ge粉1-2％，余量为Si粉；其中B、Cr、W、Ge粉重量之和所占百分比为8-15％；3、外皮所用钼箔厚度为50-120μm，粉芯焊丝的单位长度的重量为0.5-2g/cm；4、推荐选用的各种粉末的粒度为Si粉200-300目，B粉300-400目，Cr粉250-400目，W粉300-450目，Ge粉300-400目。
该粉芯焊丝的具体施工原理如下利用钨极氩弧焊枪加热粉芯焊丝，焊丝Si颗粒首先熔化并同Mo的外表面(Mo颗粒或Mo箔)接触而发生放热反应生成MoSi2(合成MoSi2的绝热燃烧温度约为1900K)；通过原位合成MoSi2过程中的放热反应，可提高电弧熔化区的瞬时温度；伴随着电弧能量的输入，当反应物温度超过MoSi2熔点2030K时，Mo-Si形成熔融熔体；当电弧因移动而离开Mo-Si熔体后，Mo-Si熔体由于基体自激冷和空气对流作用而凝固，形成凝固的MoSi2堆焊层；由于空气中氧的作用，堆焊层中有时会存在少量的Mo17O47相，由于反应物的局部偏析的原因，堆焊层有时存在少量的Mo5Si3相或MoSi0.65相。
本发明的优点在于，可使用常规的直流钨极氩弧焊设备进行堆焊，可选择最大工作电流为300-400A的钨极氩弧焊设备。单枪堆焊时，单道堆焊层横截面为盈月状，如需形成宽度大于3-5mm的堆焊层时，须采用多道搭接堆焊法，氩弧重熔搭接区宽度约为2-3mm，通过搭接堆焊形成的单层堆焊层厚度可达2-4mm，重复堆焊可形成厚度达4-10mm厚的堆焊层。
实施堆焊时，可手工操作或自动操作焊枪进行堆焊(工件或焊枪按编程自动移动)，为了尽可能保证在氩弧区域的焊丝中心线与氩弧移动的中心线重合，推荐采用手工送焊丝的喂料方式。为了避免堆焊后因冷却速度过快引起的穿透性裂纹，需采用缓冷措施(施工时在已完成的堆焊区覆盖石棉、堆焊完毕后将工件在炉内保温并随炉冷却)。
不同单位长度重量焊丝所推荐的焊接电流及焊枪移动速度如表1所示表1单位长度重量焊丝所推荐的焊接电流及焊枪移动速度
在制造工艺上为了保证获得高纯度的MoSi2物堆焊层，需采用超声波清洗去除工件表面的油污、锈蚀和水分。该制造工艺比较简单、易于控制，成本低。
图1为采用氩弧堆焊法在A3钢基体上原位合成MoSi2堆焊层的x射线衍射图谱及分析结果。
图2为采用氩弧堆焊法在高温合金(GH3039)基体上原位合成MoSi2堆焊层的x射线衍射图谱及分析结果。
图3为采用氩弧堆焊法在Mo基体上原位合成MoSi2堆焊层的x射线衍射图谱及分析结果。
图4为氩弧堆焊法在A3钢基体上原位合成MoSi2堆焊层的微观组织形貌-50x。
图5为氩弧堆焊法在A3钢基体上原位合成MoSi2堆焊层的微观组织形貌-2kx。
图6为图5中1点处的能谱结果。
图7为图5中2点处的能谱结果。
图8为采用氩弧堆焊法在A3钢基体上原位合成合金化MoSi2堆焊层的x射线衍射图谱及分析结果。
图9为氩弧堆焊法在A3钢基体上原位合成合金化MoSi2堆焊层的微观组织形貌-60x。
图10为氩弧堆焊法在A3钢基体上原位合成合金化MoSi2堆焊层的微观组织形貌-1kx。
图11为图10中1点处的能谱结果。
具体实施例方式
实施例1按表2配料形成粉芯焊丝，分别在A3钢、高温合金(GH3039)和Mo基体上堆焊MoSi2层，堆焊参数如表3所示。图1～图3为三种基体上的堆焊层X衍射分析结果，从图1中可以看出，基体为A3钢时，在堆焊层中除检测到了MoSi2外，还有少量的Mo5Si3、Si5C3等相；从图2中可以看出，基体为GH3039时，在堆焊层中除检测到了MoSi2外，还有少量的MoSi0.65相。从图3中可以看出，基体为Mo时，在堆焊层中除检测到了MoSi2外，还有少量的Mo17O47相。
图4～图7为氩弧堆焊法A3钢基体上原位合成MoSi2堆焊层的显微组织和能谱分析结果。从图6和图7中可以看出，在堆焊层中检测到了Mo、Si和由基体扩散到堆焊层中的Fe。这说明采用本发明提供的粉芯焊丝可以成功地在各种基材上原位合成MoSi2堆焊层。
表2粉芯焊丝配料表
表3堆焊参数表
实施例2按表4配料形成粉芯焊丝，在A3钢基体上堆焊合金化MoSi2层，堆焊电流为140A，焊枪移动速度为1.5mm/s。图8为堆焊层的X衍射分析结果，从图8中可以看出，在堆焊层中除检测到了MoSi2外，还有WSi2、CrSi2等相。
图9～图11为氩弧堆焊法A3钢基体上原位合成合金化MoSi2堆焊层的显微组织和能谱分析结果。从图11中可以看出，在堆焊层中检测到了Mo、Si、Cr、W、B、Ge。这说明采用本发明提供的粉芯焊丝可以成功地在各种基材上原位合成合金化MoSi2堆焊层。
表4合金化粉芯焊丝配料表
权利要求
1.一种用于原位合成MoSi2堆焊层的粉芯焊丝，其特征在于粉芯焊丝的外皮为金属钼箔，粉芯材料由Si和Mo粉组成，焊丝外皮Mo与粉芯中粉料的重量配比为Mo外皮30％-35％，Mo粉34％-40％，其中Mo外皮与Mo粉的总重量在粉芯焊丝中所占重量百分比为69％-70％，余量为Si粉。
2.按照权利要求1所述粉芯焊丝，其特征在于粉芯焊丝的外皮为金属钼箔，粉芯材料由Si、B、Cr、W、Ge元素组成；外皮Mo与粉芯中粉料的重量配比为Mo外皮54-64％，B粉2-5％，Cr粉3-10％，W粉2-5％，Ge粉1-2％，余量为Si粉；其中B、Cr、W、Ge粉重量之和所占百分比为8-15％。
3.按照权利要求1或2所述粉芯焊丝，其特征在于外皮所用钼箔厚度50-120μm，粉芯焊丝的单位长度的重量为0.5-2g/cm。
全文摘要
一种用于原位合成MoSi
文档编号B23K35/02GK1974111SQ200610165338
公开日2007年6月6日 申请日期2006年12月18日 优先权日2006年12月18日
发明者刘宗德, 刘静静, 宝志坚 申请人:华北电力大学