一种镍基高温合金焊材及其制备方法与流程

1.本发明属于焊接材料制造技术领域，涉及一种镍基高温合金焊材及其制备方 法。


背景技术：

2.镍及镍基合金焊材被广泛应用，如离岸钻井平台，陆基或船基燃汽轮机， 各种航天、航空发动机的高温燃烧室、核电、热电厂的相关设备、汽车的新型排 气系统、军用武器装备以及石油精炼及各种化工设备等。其中inconcel 690合金 是一种具有优异抗多种水性介质和高温气氛侵蚀能力的镍基变形合金，它还具有 高的强度，良好的冶金稳定性和优良的加工特性并且表现出显著的抗氧化能力和 优异的抗应力腐蚀能力，在反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器、余热排出热 交换器等核岛主设备中广泛采用。inconcel 690合金的焊接焊材有焊丝、焊带和 焊条等，其中焊丝主要采用ernicrfe
‑
7a镍基焊丝，并且被广泛的用于在核岛 主设备的焊材。然而，国内大多设备主机厂使用的核级镍基高温合金焊材只能依 靠进口，且价格昂贵，周期长。为实现关键核心技术“自主可控”的国家战略， 减少对核级镍基高温合金焊丝进口的依赖，贵州航天新力科技有限公司与东方电 气(广州)重型机器有限公司联合开展了对镍基焊丝进行研制攻关，这对于提高 我国高端装备用焊接材料的研究与产业化发展，加速我国新材料、新技术及新工 艺的进步，推动产业结构调整和产业结构优化均具有积极意义。
3.镍基高温合金焊材采用传统工艺方法制备后，容易产生均匀性差以及纯度不 高的问题，在后期手工和自动tig焊接过程中还会影响母材的组织性能以及容 易出现焊接开裂等问题。随着航天、航空、核能、军用等高端装备制造领域的高 速发展，极端环境下的服役对制造关键部件用高端焊材的综合力学性能即强韧 性、耐疲劳性能等提出了更高要求，而材料纯净度和均质性恰恰是影响材料综合 力学性能的关键因素。
4.公告号为cn105562963b的专利文件公开了一种成材率较高的制备镍基合 金焊丝方法，其合金的组分及质量百分比为c：0.4％～0.45％，mn：1.0％～1.5％， si：0.15％～1.2％，p≤0.025％，s≤0.02％，cr：28％～30％，ni：49％～51％，co ≤0.1％，mo≤0.1％，ti≤0.1％，al≤0.1％，w：4.0％～5.0％，其余为铁；制备 方法是通过合金熔炼—电渣重熔—热锻开坯—热轧退火—酸洗、修磨—冷拉—氢 退，电渣重熔采用caf2、al2o3、cao渣系。
5.公开号为cn106881540a的专利文件公开了一种镍基合金、焊材，化学成 分以重量百分比计为：cr:25
‑
33％，fe:4
‑
5％，mn:1
‑
2％，nb:0.1
‑
0.4％，mo:0.2
‑
1％， co:0.1
‑
8％，c≤0.02％，余下为ni及不可避免杂质。


技术实现要素：

6.本发明为解决上述问题，提供了一种镍基高温合金焊材及其制备方法。
7.1、一种镍基高温合金焊材，所述镍基高温合金焊材的组分为：以质量百分 含量计，含c≤0.04％，mn 0.60～1.00％，fe 7.00～11.0％，cr 28.0～30.5％， mo0.30～0.45％，si0.10～0.25％，nb ta 0.5～1.0％，p≤0.003％，s≤0.003％，al ≤0.25％，ti≤
0.35％，co≤0.02％，cu≤0.02％，n≤0.02％，b≤0.003％，h≤ 2ppm，o≤30ppm，co n v≤0.5％，ni余量。
8.2、上述镍基高温合金焊材的制备方法，包括以下步骤：
9.(1)原料选择：精选s、p、b、co、as、sn、sb、cu、pb元素含量低的 优质原材料，其所选原材料有害杂质元素的化学成分重量百分比应滿足以下要 求：s≤0.003％、p≤0.003％、b≤0.003％、co≤0.02％、as≤0.001％、 sn≤0.0025％、sb≤0.0025％、cu≤0.02％、pb≤0.0025％；
10.(2)真空感应熔炼：将准备的原材料分三次装入坩埚内，第一次装入75～ 80％的原材料后即关闭炉盖，真空度抽至0.1～0.5pa，待通电熔化70～80％后， 再第二次装入10～15％的原材料，至原材料全部熔化完毕；测量钢水温度为1590 ～1620℃时，第三次补加5～10％的原材料作微合金化调整钢水化学成分，使其 化学成分的重量百分比滿足下述要求：c 0.02～0.030％、cr 28.0～30.5％、fe 7.0 ～11％、ni≥58.0％、nb ta 0.5～1.0％，s≤0.003％、p≤0.003％、b≤ 0.003％、co≤0.02％、al≤0.25％、ti≤0.35％、钢水温度控制为1610～ 1620℃；
11.(3)气体保护电渣重熔：渣系，caf2:al2o3:cao:mgo:tio2＝50:22:20:5:3； 渣料烘烤温度700～800℃，烘烤时间≥4h；渣量：80
±
1kg；渣阻摇摆范围设定： 0.7～0.5mohm；电渣锭表面修磨干净露出金属本色后，在头、尾取样分析c、al、 ti元素含量，补缩端取样位置为距端面70
±
5mm，底垫端取样位置为距端面150
ꢀ±
10mm；
12.(4)真空自耗重熔：熔炼前对设备进行检查，确定设备状态良好，冷态真 空度≤0.67pa，漏气率≤0.133pa/min；电极棒头尾切除干净，两端要平整，表面 需经砂轮研磨干净，若表面不好需扒皮清理后，缩孔朝下自耗重熔；采用熔速 熔滴控制；熔速控制在4.0～3.0kg/min，熔滴设定值4～6；
13.(5)锻造开坯：在800t液压机上完成，锻造后进行热轧处理；
14.(6)热轧盘圆：采用方坯135mm*135mm，加热到1150℃后轧制成直径 5.5mm，保证直径公差
±
0.02mm，椭圆度
±
0.01mm；
15.(7)拉丝：将步骤(6)得到的盘圆丝经酸洗、粗拉、精拉、光亮、层绕处 理后即得到镍基高温合金焊材。
16.进一步，所述的锻造开坯，其锻造出坯以及热轧温度在900～1150℃，坯料经 5火成形，总锻造比为11.6。
17.进一步，所述的酸洗，具体可以采用硫酸、硝酸进行，每道拉丝前都进行一 次酸洗。
18.进一步，所述的粗拉，是按照焊材直径：φ5.5mm—φ4.08mm—φ3.2mm —φ2.16mm—φ1.46mm依次进行拉丝。
19.进一步，所述的精拉，是将焊材由φ1.46mm逐步拉至最终直径。
20.进一步，所述步骤(7)的拉丝，在每道焊丝拉完后，进行氢退电解酸洗， 焊丝最终直径为0.8mm
‑
1.6mm。
21.综上所述，本发明的有益效果在于：本发明通过采用对合金成份的优化，“真 空感应熔炼 气体保护电渣重熔 真空自耗重熔”三联冶炼工艺制备铸锭，可提高 合金成份中mo、si元素含量；降低合金成份中有害元素p、s元素含量；控制 合金成份中的气体h、o、n元
素含量。再对铸锭进行锻造开坯、热轧盘圆、热 处理以及拉丝，可制备出一种高纯高均质的高温ni
‑
cr
‑
fe系镍基合金焊材 xhs690m。
22.其中，“真空感应熔炼 气体保护电渣重熔 真空自耗重熔”三联冶炼工艺制备 铸锭，可以有效提高合金锭纯净度、减少合金元素偏析和提高化学成分均匀性：
ꢀ①
真空感应熔炼有利于精确控制合金成分，尤其是控制活泼元素ti、al，在熔炼 过程中还可通过电磁搅拌等方式均匀化合金元素，改善成分偏析问题；
②
保护电 渣重熔可降低合金锭杂质含量，可进一步去除p、s含量；
③
真空自耗重熔可以 进一步去除合金锭中的有害气体h、o、n并提高化学成分均匀性。
具体实施方式
23.下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这 些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求 所要求保护的范围。
24.实施例1
25.1、一种镍基高温合金焊材，所述镍基高温合金焊材的组分为：以质量百分 含量计，含c≤0.04％，mn 0.60％，fe 10.0％，cr 28.5％，mo 0.40％，si 0.10％， nb ta0.9％，p≤0.003％，s≤0.003％，al≤0.25％，ti≤0.35％，co≤0.02％，cu ≤0.02％，n≤0.02％，b≤0.003％，h≤2ppm，o≤30ppm，co n v≤0.5％， ni余量。
26.2、上述镍基高温合金焊材的制备方法，包括以下步骤：
27.(1)原料选择：精选s、p、b、co、as、sn、sb、cu、pb元素含量低的 优质原材料，其所选原材料有害杂质元素的化学成分重量百分比应滿足以下要 求：s≤0.003％、p≤0.003％、b≤0.003％、co≤0.02％、as≤0.001％、 sn≤0.0025％、sb≤0.0025％、cu≤0.02％、pb≤0.0025％；
28.(2)真空感应熔炼：将准备的原材料分三次装入坩埚内，第一次装入75％ 的原材料后即关闭炉盖，真空度抽至0.4pa，待通电熔化75％后，再第二次装入 10％的原材料，至原材料全部熔化完毕；测量钢水温度为1600℃时，第三次补 加10％的原材料作微合金化调整钢水化学成分，使其化学成分的重量百分比滿足 下述要求：c 0.02～0.030％、cr 28.0～30.5％、fe 7.0～11％、ni≥58.0％、nb ta 0.5～1.0％，s≤0.003％、p≤0.003％、b≤0.003％、co≤0.02％、al≤ 0.25％、ti≤0.35％、钢水温度控制为1610～1620℃；在熔炼过程中元素进行 在线检测，数据实时控制；
29.(3)气体保护电渣重熔：渣系，caf2:al2o3:cao:mgo:tio2＝50:22:20:5:3； 渣料烘烤温度750℃，烘烤时间5h；渣量：80
±
1kg；渣阻摇摆范围设定： 0.7～0.5mohm；电渣锭表面修磨干净露出金属本色后，在头、尾取样分析c、al、 ti元素含量，补缩端取样位置为距端面70
±
5mm，底垫端取样位置为距端面150
ꢀ±
10mm；
30.(4)真空自耗重熔：熔炼前对设备进行检查，确定设备状态良好，冷态真 空度≤0.67pa，漏气率≤0.133pa/min；电极棒头尾切除干净，两端要平整，表面 需经砂轮研磨干净，若表面不好需扒皮清理后，缩孔朝下自耗重熔；采用熔速 熔滴控制；熔速控制在4.0～3.0kg/min，熔滴设定值4～6；
31.(5)锻造开坯：在800t液压机上完成，锻造后进行热轧处理，锻造出坯以 及热轧温
度在1100℃，坯料经5火成形，总锻造比为11.6。
32.(6)热轧盘圆：采用方坯135mm*135mm，加热到1150℃后轧制成直径 5.5mm，保证直径公差
±
0.02mm，椭圆度
±
0.01mm；
33.(7)拉丝：将步骤(6)得到的盘圆丝经酸洗、粗拉、精拉、光亮、层绕处 理后即得到镍基高温合金焊材。
34.进一步，所述的酸洗，具体是采用硫酸进行洗涤，每道拉丝前都进行一次酸 洗。
35.进一步，所述的粗拉，是按照焊材直径：φ5.5mm—φ4.08mm—φ3.2mm —φ2.16mm—φ1.46mm依次进行拉丝；所述的精拉，是将焊材由φ1.46mm 逐步拉至最终直径。
36.进一步，在每道焊丝拉完后，进行氢退电解酸洗，以消除拉丝过程的残余应 力和表面的氧化物，焊丝最终直径为0.8mm
‑
1.6mm。
37.实施例2
38.1、一种镍基高温合金焊材，所述镍基高温合金焊材的组分为：以质量百分 含量计，含c≤0.04％，mn 0.60％，fe 10.0％，cr 28.5％，mo 0.40％，si 0.10％， nb ta0.9％，p≤0.003％，s≤0.003％，al≤0.25％，ti≤0.35％，co≤0.02％，cu ≤0.02％，n≤0.02％，b≤0.003％，h≤2ppm，o≤30ppm，co n v≤0.5％， ni余量。
39.2、上述镍基高温合金焊材的制备方法，包括以下步骤：
40.(1)原料选择：精选s、p、b、co、as、sn、sb、cu、pb元素含量低的 优质原材料，其所选原材料有害杂质元素的化学成分重量百分比应滿足以下要 求：s≤0.003％、p≤0.003％、b≤0.003％、co≤0.02％、as≤0.001％、 sn≤0.0025％、sb≤0.0025％、cu≤0.02％、pb≤0.0025％；
41.(2)真空感应熔炼：将准备的原材料分三次装入坩埚内，第一次装入80％ 的原材料后即关闭炉盖，真空度抽至0.5pa，待通电熔化80％后，再第二次装入 15％的原材料，至原材料全部熔化完毕；测量钢水温度为1620℃时，第三次补加 5％的原材料作微合金化调整钢水化学成分，使其化学成分的重量百分比滿足下 述要求：c 0.02～0.030％、cr 28.0～30.5％、fe 7.0～11％、ni≥58.0％、nb ta 0.85～0.95％，s≤0.003％、p≤0.003％、b≤0.003％、co≤0.02％、al≤ 0.25％、ti≤0.35％、钢水温度控制为1610～1620℃；在熔炼过程中元素进行 在线检测，数据实时控制；
42.(3)气体保护电渣重熔：渣系，caf2:al2o3:cao:mgo:tio2＝50:22:20:5:3； 渣料烘烤温度800℃，烘烤时间4h；渣量：80
±
1kg；渣阻摇摆范围设定： 0.7～0.5mohm；电渣锭表面修磨干净露出金属本色后，在头、尾取样分析c、al、 ti元素含量，补缩端取样位置为距端面70
±
5mm，底垫端取样位置为距端面150
ꢀ±
10mm；
43.(4)真空自耗重熔：熔炼前对设备进行检查，确定设备状态良好，冷态真 空度≤0.67pa，漏气率≤0.133pa/min；电极棒头尾切除干净，两端要平整，表面 需经砂轮研磨干净，若表面不好需扒皮清理后，缩孔朝下自耗重熔；采用熔速 熔滴控制；熔速控制在4.0～3.0kg/min，熔滴设定值4～6；
44.(5)锻造开坯：在800t液压机上完成，锻造后进行热轧处理，锻造出坯以 及热轧温度在900℃，坯料经5火成形，总锻造比为11.6。
45.(6)热轧盘圆：采用方坯135mm*135mm，加热到1150℃后轧制成直径 5.5mm，保证直径公差
±
0.02mm，椭圆度
±
0.01mm；
46.(7)拉丝：将步骤(6)得到的盘圆丝经酸洗、粗拉、精拉、光亮、层绕处 理后即得到镍基高温合金焊材。
47.进一步，所述的酸洗，具体是采用硝酸进行洗涤，每道拉丝前都进行一次酸 洗。
48.进一步，所述的粗拉，是按照焊材直径：φ5.5mm—φ4.08mm—φ3.2mm —φ2.16mm—φ1.46mm依次进行拉丝；所述的精拉，是将焊材由φ1.46mm 逐步拉至最终直径。
49.进一步，在每道焊丝拉完后，进行氢退电解酸洗，以消除拉丝过程的残余应 力和表面的氧化物，焊丝最终直径为0.8mm
‑
1.6mm。
50.实施例3
51.1、一种镍基高温合金焊材，所述镍基高温合金焊材的组分为：以质量百分 含量计，含c≤0.04％，mn 1.00％，fe8.0％，cr 30.0％，mo 0.35％，si 0.15％， nb ta0.8％，p≤0.003％，s≤0.003％，al≤0.25％，ti≤0.35％，co≤0.02％，cu ≤0.02％，n≤0.02％，b≤0.003％，h≤2ppm，o≤30ppm，co n v≤0.5％， ni余量。
52.2、上述镍基高温合金焊材的制备方法，包括以下步骤：
53.(1)原料选择：精选s、p、b、co、as、sn、sb、cu、pb元素含量低的 优质原材料，其所选原材料有害杂质元素的化学成分重量百分比应滿足以下要 求：s≤0.003％、p≤0.003％、b≤0.003％、co≤0.02％、as≤0.001％、 sn≤0.0025％、sb≤0.0025％、cu≤0.02％、pb≤0.0025％；
54.(2)真空感应熔炼：将准备的原材料分三次装入坩埚内，第一次装入75％ 的原材料后即关闭炉盖，真空度抽至0.3pa，待通电熔化80％后，再第二次装入 15％的原材料，至原材料全部熔化完毕；测量钢水温度为1590℃时，第三次补 加10％的原材料作微合金化调整钢水化学成分，使其化学成分的重量百分比滿足 下述要求：c 0.02～0.030％、cr 28.0～30.5％、fe 7.0～11％、ni≥58.0％、nb ta 0.85～0.95％，s≤0.003％、p≤0.003％、b≤0.003％、co≤0.02％、al≤ 0.25％、ti≤0.35％、钢水温度控制为1610～1620℃；在熔炼过程中元素进行 在线检测，数据实时控制；
55.(3)气体保护电渣重熔：渣系，caf2:al2o3:cao:mgo:tio2＝50:22:20:5:3； 渣料烘烤温度700℃，烘烤时间5.5h；渣量：80
±
1kg；渣阻摇摆范围设定： 0.7～0.5mohm；电渣锭表面修磨干净露出金属本色后，在头、尾取样分析c、al、 ti元素含量，补缩端取样位置为距端面70
±
5mm，底垫端取样位置为距端面150
ꢀ±
10mm；
56.(4)真空自耗重熔：熔炼前对设备进行检查，确定设备状态良好，冷态真 空度≤0.67pa，漏气率≤0.133pa/min；电极棒头尾切除干净，两端要平整，表面 需经砂轮研磨干净，若表面不好需扒皮清理后，缩孔朝下自耗重熔；采用熔速 熔滴控制；熔速控制在4.0～3.0kg/min，熔滴设定值4～6；
57.(5)锻造开坯：在800t液压机上完成，锻造后进行热轧处理，锻造出坯以 及热轧温度在900～1150℃，坯料经5火成形，总锻造比为11.6。
58.(6)热轧盘圆：采用方坯135mm*135mm，加热到1150℃后轧制成直径 5.5mm，保证直径公差
±
0.02mm，椭圆度
±
0.01mm；
59.(7)拉丝：将步骤(6)得到的盘圆丝经酸洗、粗拉、精拉、光亮、层绕处 理后即得到镍基高温合金焊材。
60.进一步，所述的酸洗，具体是采用硫酸进行洗涤，每道拉丝前都进行一次酸 洗。
61.进一步，所述的粗拉，是按照焊材直径：φ5.5mm—φ4.08mm—φ3.2mm —φ2.16mm—φ1.46mm依次进行拉丝；所述的精拉，是将焊材由φ1.46mm 逐步拉至最终直径。
62.进一步，在每道焊丝拉完后，进行氢退电解酸洗，以消除拉丝过程的残余应 力和表面的氧化物，焊丝最终直径为0.8mm
‑
1.6mm。
63.本发明的焊丝牌号确定为xhs690m，根据上述实施方式，达到了与国外进 口焊丝asme sfa
‑
5.14中ernicrfe
‑
7a相当的标准要求。其结果如下：
64.一、化学成份指标
65.按asme sfa
‑
5.14中ernicrfe
‑
7a化学成分要求进行测量，结果见表1(％)。
66.表1
[0067][0068]
二、焊丝尺寸
[0069]
按照标准gb/t 15620对焊丝的松弛直径和翘距进行检测，结果见表2。
[0070]
表2
[0071][0072]
三、性能指标
[0073]
(1)室温下的实际拉伸强度结果如表3所示(aws b4.0m)。
[0074]
表3
[0075][0076]
(2)350℃高温下的实际拉伸强度结果如表4所示(astm e21)。
[0077]
表4
[0078][0079]
(3)室温下的实际冲击结果如表5所示。(aws b4.0m和nb2431)
[0080]
表5
[0081][0082]
(4)焊态和焊后热处理态弯曲试验结果如表6所示。(aws b4.0m)
[0083]
表6
[0084][0085]
xhs690m焊丝采用自动tig焊进行焊接试验，焊接过程送丝顺畅，熔池观察 润湿性和流动性良好，与母材、焊道与焊道之间搭接良好，没有发现明显咬边或 气孔，焊缝探伤一次合格，焊接工艺性能总体与进口焊材相当。