一种镍基药芯焊丝及其制备方法和应用

背景技术

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背景技术：

1、目前，随着航空航天事业发展迅速，导致高温和腐蚀苛刻环境的出现，使得作为高温部件的合金材料需要有更优良的综合性能，急需研制新的更优性能的高温合金。镍基高温合金具有卓越的综合力学性能、抗氧化性和组织稳定性，在海洋、石油、化工、核电等行业广泛应用，解决了一般不锈钢和其他金属、非金属材料无法解决的工程问题。而其中的inconel625合金具有优异的高温蠕变持久强度、抗氧化性能、抗腐蚀性能、加工性能和焊接性能，但在高温、高压及复杂的腐蚀环境下长期服役时，易出现强度-韧性/塑性-耐腐蚀性失配的现象，使合金未达到设计使用寿命而提前失效，极大制约了合金的使用。因此，实现inconel625合金的高强度、良好塑性/韧性和耐腐蚀性是长期以来亟待解决的问题，近年来，在inconel系列合金中添加氧化物颗粒和陶瓷颗粒是镍基高温合金的热门课题。

2、专利cn108788516a公开了一种镍铬钼钨系镍基药芯焊丝，包括镍基合金钢带以及填充在该镍基合金钢带内的药芯粉，药芯粉质量百分比成分如下：15-20％的金属铬粉，27-32％的金属镍粉，1.5-3％的金属锰粉，10-15％的金红石，0.5-1.5％的钛铁，3-6％的长石，2-4％的石英，1-2.5％的氟化稀土，1-3％的冰晶石，4-7％的钨铁，13-16％的钼铁，0.4-0.7％的钒铁，1-3％的氟化钙，其余为铁粉。

3、专利cn114083177b公开了一种复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝，包括外层金属皮和内层药芯，药芯按以下重量比组成：碳化钨25～40％，碳化钛20～35％，ni-cr-b-si合金粉20～30％，金属锰1～3％，余量为镍粉。镍作为粘结基体，碳化钨、碳化钛作为复合碳化物起到强化的作用，提高了镍合金的耐磨、耐腐蚀性能。

4、钨铁以及复合碳化物陶瓷颗粒的添加能提高镍基药芯焊丝性能，但添加物不能有效改变材料的位错，难以提高合金高温强度；且添加物在金属基体中分散不均匀，容易发生团聚现象，阻碍了镍基药用焊丝性能的进一步提升。

5、加入氧化物颗粒形成镍基氧化物弥散强化(oxidedispersionstrengthened，ods)合金是近年来另一个热门课题，通过在合金基体添加惰性的氧化物质点(例如y2o3)，使合金在高温下利用均匀弥散分布的氧化物质点阻止位错运动。镍基ods合金不同于以γ′相为主要强化相的传统镍基高温合金，在高温时γ′相发生溶解会大大降低镍基高温合金的力学性能，惰性的纳米氧化物颗粒具有优异的高温稳定性，使镍基ods合金的高温力学性能大大提升，使其可以广泛应用于航空发动机和工业燃气轮机的热端部件。近年来ods合金中的纳米氧化物颗粒有al2o3和tho2等，其中al2o3颗粒在合金中的高温稳定性较差，tho2中的th为放射性元素。亟需研发一种具有更高性能的镍基氧化物弥散强化合金镍基药芯焊丝。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明提供了一种镍基药芯焊丝及其制备方法和应用，将纳米三氧化钨引入镍基药芯焊丝中，改善镍基合金的高温强度和热强性，同时提高合金的硬度和摩擦性能和耐腐蚀性能，解决了镍基药芯焊丝高温耐腐强度、热强性和力学性能低的问题。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种镍基药芯焊丝，由外皮和药粉两部分组成，药粉填充率(填充率为药粉质量与药粉、外皮质量之和的比值)为30％-40％，外皮为in625镍基合金带，内包药粉，按总质量百分比为100％计，药粉包括如下组分：cr21-26％，mo3-5％，nb3-5.5％，co0.4-1％，zr0.5-1％，si0.5-1％，sc0.5-1％，wo30.2-1％％，余为ni。

4、in625镍基合金带按总质量百分比质量分数为100％计，包含以下成分：c1～2％，cr20.0％～23.0％，mo8.0％～10.0％，al≤0.40％，ti≤0.40％，fe≤5.00％，nb3.14％～4.15％，si≤0.50％，mn≤0.50％，s≤0.015％，p≤0.015％，cu≤0.070％，ni为余量。

5、优选地，药粉中wo3含量为0.5-0.8％；wo3纯度大于99％；wo3的粒径为480-520nm。

6、优选地，药粉中zr、si和sc的质量比例为1:1:1，组成联合脱氧剂。

7、三氧化钨是钨的氧化物中最稳定的一种，不溶于水和除氢氟酸外的无机酸，具有较强的耐腐蚀性能。在升温过程中，wo3的晶格结构会发生变化，会有单斜晶系(17℃-330℃)、正交晶系(330℃-740℃)和正方晶系(≥740℃)这三种晶体结构出现，导致体积变化，产生晶格畸变，从而促进烧结致密化。同时，1000℃高温下wo3能被c还原为c。wo3和c的混合物在一定温度下会发生下列反应：

8、wo3+3c＝3w+3co                (1)

9、2wo3+3c＝2w+3co2                   (2)

10、wo3+3co＝w+3co2             (3)

11、co2+c＝2co          (4)

12、反应初始阶段为固相反应，相互紧密接触的wo3被碳还原,生成少量co或co2，此时还原进程受c向wo3表面扩散的速度制约。在1000℃以上温度时，碳氧化合物只能以co的形式存在，因此在有一定浓度的co和co2后，还原反应转变为气-固反应，从而还原进程显著加快。

13、因此，将纳米三氧化钨引入镍基药芯焊丝中，不仅能改善镍基合金的高温耐腐，同时纳米三氧化钨的引入还可能与合金的c发生还原反应生成对合金有利的w元素，进而提高合金的硬度和摩擦性能，还避免了使用昂贵的钨粉。

14、所述药粉的制备方法包括以下步骤：采用静电自组装工艺将纳米wo3粉末均匀地分散于雾化镍粉中得到合金粉末；接着将该合金粉末与zr、si和sc组成的联合脱氧剂混合，形成药芯粉末。

15、具体包括以下步骤：

16、1)将粒径为150-200μm的雾化镍粉加入到去离子水与正丙醇混合溶液中，搅拌后，加入4-5wt％的3-氯丙基三甲氧基硅烷，并继续搅拌l-2h后进行真空抽滤，得到表面带正电荷的雾化镍粉；

17、2)在冰水浴条件下，wo3粉末加入到去离子水与甲醇质量比为1:l的混合溶液中，搅拌后，加入4-5wt％的十六烷基硫酸钠，继续搅拌1-2h后得到表面带有负电荷的wo3悬浮液；

18、3)在冰水浴及超声搅拌的条件下，将步骤1)得到的表面带正电荷的雾化镍粉缓慢加入到步骤2)得到的表面带有负电荷的wo3悬浮液中，继续搅拌0.5-1h后，进行真空抽滤和冷冻干燥，得到分散在雾化镍粉中wo3；

19、4)将zr、si和sc和步骤3)得到的分散在雾化镍粉中wo3分别过60目筛子，然后将所选其它粉末放入v型混粉机内混合30min后得到均匀混合的药芯粉末。

20、步骤1)中去离子水与正丙醇水的体积比为(1-3)：5，优选为1.5：5。

21、本发明还提供一种镍基药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：将上述药粉的制备方法得到的药粉填充在in625镍基合金带得到镍基药芯焊丝，具体包括以下步骤：镍基合金带经过超声清洗后轧成u形槽，将药粉填充至u形槽内，将u形槽合口后，对其进行轧制成型和连续拉拔减径处理，制备出焊丝；对焊丝表面进行机械清理，得到药芯焊丝。

22、本发明还保护所述镍基药芯焊丝的应用，用于堆焊，优选采用等离子弧焊，工艺参数为；电压：20-24v；电流：100-120a；送丝速度：7.5m/min；气体流速：18-20l/min；焊丝伸出导电嘴的长度：10-12mm。

23、优选的，所述镍基药芯焊丝应用于垃圾焚烧炉管壁的堆焊。

24、本发明的有益效果如下：

25、(1)纳米wo3引入镍基合金中提高合金的高温强度，纳米wo3颗粒起到钉扎作用阻碍位错运动，从而达到弥散强化的效果。在高温时，位错攀移越过纳米wo3颗粒需要消耗更多的能量，且纳米wo3颗粒与基体应力场的作用对位错具有吸引作用，导致位错离开纳米wo3颗粒需要更高的剪切应力，从而提高合金的高温强度。

26、(2)wo3的引入提高了合金热强性、硬度和摩擦性能。wo3的引入会伴随w的出现，w能与合金基体形成固溶体，引起基体发生晶格畸变阻碍位错运动；w可以进入γ'相中，可以有效提高合金热强性；w的引入还能提高合金的硬度和摩擦性能。

27、(3)wo3的引入提高合金的耐腐蚀性能。wo3本身具有较强的耐腐蚀性能，引入镍基合金中能一定程度的增加合金的耐腐蚀性能。且在焊接过程中，wo3的晶格结构会发生变化，产生单斜晶系(17℃-330℃)、正交晶系(330℃-740℃)和正方晶系(≥740℃)三种晶体结构，导致体积变化，产生晶格畸变，从而促进烧结致密化，更耐腐蚀。

28、(4)本发明采用静电自组装工艺使纳米wo3均匀地分散于雾化镍粉中，有效避免了颗粒之间的团聚，充分发挥纳米wo3的作用，解决了wo3增强体与镍基体之间润湿性和界面结合力不足的问题。

29、总之，本发明将纳米三氧化钨引入镍基药芯焊丝中，改善镍基合金的高温强度和热强性，同时提高合金的硬度和摩擦性能和耐腐蚀性能，解决了镍基药芯焊丝高温耐腐强度、热强性和力学性能低的问题，还避免了使用昂贵的钨粉，再结合采用静电自组装工艺使纳米wo3均匀地分散于雾化镍粉中，有效避免了颗粒之间的团聚，充分发挥纳米wo3的作用，解决了wo3增强体与镍基体之间润湿性和界面结合力不足的问题。