CN101838758A

CN101838758A - 一种无钴镍基合金

Info

Publication number: CN101838758A
Application number: CN 201010179986
Authority: CN
Inventors: 刘双; 傅戈雁; 张宗列; 陆建东; 魏宏璞
Original assignee: Suzhou University; CNNC Sufa Technology Industry Co Ltd
Current assignee: Suzhou University; CNNC Sufa Technology Industry Co Ltd
Priority date: 2010-05-24
Filing date: 2010-05-24
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2030-05-24
Also published as: CN101838758B

Abstract

本发明公开了一种无钴镍基合金粉末，所述无钴镍基合金粉末的组分及含量为：碳(C)：1.0～1.2％，铬(Cr)：24.0～28.0％，钨(W)：4.0～6.0％，硅(Si)：2.4～2.8％，铝(Al)：6.0～10.0％，钼(Mo)：4.0～6.0％，硼(B)：0.8～1.0％，氧化钇(Y₂O₃)：1.0～5.0％，其余为镍(Ni)，上述百分数为重量百分数。由于本发明采用的无钴镍基合金粉末配方结合激光熔覆工艺，制备得到的合金涂层组织致密无缺陷，可与核电阀门基体良好地冶金结合，同时在高温下的耐磨性能优良，因此尤其适用于核电阀门密封面，符合阀门在核环境下工作的需要。

Description

一种无钴镍基合金

技术领域

本发明属于合金材料领域，涉及一种无钴镍基合金，具体涉及一种应用于核电阀门密封面强化涂层的无钴镍基合金。

背景技术

阀门在机械产品中占有相当大的比重，尤其是在核电、火电、石化、冶金等行业中，阀门更是起着关键作用，用量非常大。随着科学技术的进步，近年来国内外各阀门行业用阀，在向高参数，如大尺寸、耐高温高压、耐强腐蚀强摩擦、高可靠性和高寿命方向发展。

高参数阀门的使用条件相当苛刻，而所要求的安全性和可靠性又非常高。例如对核级阀门，要求其综合使用寿命达40年以上(第三代压水堆核电站的核级阀门使用寿命要求60年)。据统计，核电等行业典型阀门最常见的故障类型为内、外泄漏和密封面损坏。阀门密封面的质量，包括耐磨性、耐蚀性、耐高温等综合性能直接影响到阀门的可靠性和使用寿命。

迄今为止，核阀密封面堆焊材料一般均为含钴合金，如Stellite06或Stellite21等。Stellite钴基合金具有良好的高温性能、极好的低摩擦和抗磨损特性、优异的耐热腐蚀性及耐热疲劳性能，特别是在热态下具有优越的耐擦伤性能，因而常用来堆焊临界或超临界参数的蒸汽阀门，以及堆焊使用条件比较恶劣，抗磨损、抗腐蚀性能要求较高的阀门密封面。然而，由于钴基合金价格昂贵，且我国钴资源缺乏，我国科技工作者一直都在寻求钴基合金的替代品。另外，对于在核环境下工作的阀门，钴基合金凸现出一个很大的缺陷：由钴基合金磨损和腐蚀碎片中的Co-59受到中子照射后激发将形成Co-60同位素，Co-60是半衰期极长的强放射源，在停堆检修时造成检修时间的增加和对维修人员的威胁，也会大大增加核燃料屏蔽的难度和成本。

因此需要研究开发一系列具有自主知识产权的、成本相对低廉、制备工艺相对简单、并且在高温下具有抗氧化、抗磨损性能的、可以用做核级阀门密封面强化材料的无钴合金材料。

发明内容

本发明目的是提供一种无钴镍基合金粉末组合物以及采用所述无钴镍基合金粉末组合物制备核电阀门密封面无钴镍基合金涂层的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种无钴镍基合金粉末，所述无钴镍基合金粉末的组分及含量为：

碳(C)：1.0～1.2％，

铬(Cr)：24.0～28.0％，

钨(W)：4.0～6.0％，

硅(Si)：2.4～2.8％，

铝(Al)：6.0～10.0％，

钼(Mo)：4.0～6.0％，

硼(B)：0.8～1.0％，

氧化钇(Y₂O₃)：1.0～5.0％，

其余为镍(Ni)，上述百分数为重量百分数。

上述技术方案中，所述合金粉末的粒度为200～300目。

采用上述无钴镍基合金粉末制备核电阀门密封面无钴镍基合金涂层的方法可选用以下两种中的任一种，

方法一包括以下步骤：

(1)按下述重量百分数配制粉末：碳(C)：1.0～1.2％，铬(Cr)：24.0～28.0％，钨(W)：4.0～6.0％，硅(Si)：2.4～2.8％，铝(Al)：6.0～10.0％，钼(Mo)：4.0～6.0％，硼(B)：0.8～1.0％，氧化钇(Y₂O₃)：1.0～5.0％，其余为镍(Ni)，用机械球磨法获得镍铬合金粉末混合物，粉末粒度达到200～300目，并烘干；

(2)用醋酸纤维素作为粘接剂，与上述混合合金粉末调和成糊状，在核电阀门密封面上涂敷成预铺涂层，并烘干；

(3)采用功率密度为10⁴～10⁵W/cm²的激光束辐照所述预铺涂层，同时向熔池吹入惰性气体-氮气以避免熔池氧化；所述激光为CO₂气体激光器产生，激光功率为4KW～6KW，扫描速度为3～6mm/s，光斑直径为3～5mm；

(4)根据核电阀门密封面强化涂层所需面积大小，采用单道激光扫描或多道搭接激光扫描即可得到镍铬合金核电阀门密封面强化涂层。

上述技术方案中，步骤(4)中所述多道搭接的搭接率为50％。

方法二包括以下步骤：

(1)按下述重量百分比配制粉末：碳(C)：1.0～1.2％，铬(Cr)：24.0～28.0％，钨(W)：4.0～6.0％，硅(Si)：2.4～2.8％，铝(Al)：6.0～10.0％，钼(Mo)：4.0～6.0％，硼(B)：0.8～1.0％，氧化钇(Y₂O₃)：1.0～5.0％，其余为镍(Ni)，用机械球磨法获得该镍基合金粉末混合物，粉末粒度达到200～300目，并烘干；

(2)采用功率密度为10⁴～10⁵W/cm²的激光束辐照基体材料(1Cr18Ni9Ti不锈钢)表面形成熔池，采用惰性气体同步送粉方式将混合粉末送入熔池，同时采用惰性气体保护熔池以避免氧化；所述激光采用CO₂气体激光器产生，激光功率为4KW～6KW，扫描速度为3～6mm/s，光斑直径为4～5mm；

(3)根据核电阀门密封面强化涂层所需面积大小，采用单道激光扫描或多道搭接激光扫描即可获得无钴镍基合金核电阀门密封面强化涂层。

上述方案中，步骤(3)中所述多道搭接的搭接率为50％。

本发明的原理为：

(1)C是调整硬度的主要元素，它的主要作用是在熔覆层中形成碳化物。碳含量过低，如低于0.3％，将会大幅度降低合金的硬度，难以形成应有的碳化物(如M₇C₃)；碳含量过高，如超过1.5％，将形成过量的碳化物，大大消耗了合金中Cr、W等组元，从而难以形成必要的金属间化合物，而且过多的粗大碳化物将使组织塑性、韧性严重下降，达不到使堆焊合金既具有良好的耐磨性能又有足够的韧性要求。

(2)加入足够的Cr、Si、W、Al是为了保证能有适量的碳化物、金属间化合物等强化相的析出。当形成Cr₇C₃型碳化物时，能对合金性能产生最有利的影响，而且Cr的存在有助于在合金表面形成致密的粘性氧化膜，大大提高了合金的耐腐蚀性和抗氧化性。但Cr含量过高，超过40.0％时，合金的自熔性下降并使合金变脆，容易开裂。当W％＞10.0％时，合金变脆，易裂。Ni₃Si具有较好的高温稳定性且SiO₂具有优异的抗氧化特性，但当Si含量过多时，共晶量大幅增加将会使材料的塑性和韧性显著下降，甚至造成堆焊层的脆化，一般Si的含量在1.5％到5.0％为宜。金属间化合物Ni₃Al(通常称为γ’相)具有较好的高温强度和耐高温氧化特性，能产生强烈的时效硬化作用。Al的含量一般在2.7～16.0％之间。总之，要确保适合于在高温中工作的关键就是在堆焊熔覆条件下能够生成热稳定性比较好的硬质相。

(3)加入少量的Mo，能起到细化熔覆层组织，抑制粗大针状脆性硬质相及提高韧性相成分的作用。Mo一方面具有较强的阻止奥氏体长大的作用，使得熔覆层组织细化；另一方面，Mo一部分固溶于熔覆层中，使晶格发生大的畸变，增加熔覆层的红硬性和高温强度，另一部分形成的Mo的碳化合物(Mo₂C)，在溶液凝固时以细小颗粒状弥散析出，大大提高了形核率，因而熔覆层的组织得到显著细化。因而熔覆层的韧性增加，塑性提高，裂纹敏感性降低。但是钼生成的氧化物MoO₃在高温下具有挥发性，影响熔覆层的高温抗氧化和高温耐磨损特性。因此一般情况下，Mo的含量不宜大于6.0％。

(4)B可与Cr、Ni形成硼化物，而且B和Si可降低合金在液态时的表面张力，改善润湿性，起到“熔剂”的作用，并具有自身脱氧造渣的能力。其次B常富集于晶界区域，造成局部的合金化，阻碍晶界移动和晶界迁移，从而起到强化晶界的作用。再者，B可以改善Ni₃Al、Ni₃Si等金属间化合物的韧性。但是考虑到抗辐射，B的含量不宜过高。

(5)稀土元素原子半径较大，电子结构特殊，又十分活泼，以极少的量即可明显改变金属及合金的组织和性能。少量Y₂O₃对镍基合金不仅能细化晶粒，增强涂层的塑性和韧性，而且能有效增强涂层的抗磨损性能。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.由于本发明采用无钴镍基合金粉末，避免使用贵金属Co，减少了成本；

2.由于本发明采用的无钴镍基合金粉末配方结合激光熔覆工艺，制备得到的合金涂层组织致密无缺陷，可与核电阀门基体良好地冶金结合，同时在高温下的耐磨性能优良(磨损试验结果显示：本发明所述合金的磨损体积量与钴基Stellite06几乎相同)，因此尤其适用于核电阀门密封面，特别符合阀门在核环境下工作的需要。

附图说明

图1为实施例一中无钴镍基合金涂层的金相显微组织图；

图2为实施例二中无钴镍基合金和钴基Stellite06在高温磨损试验中磨痕截面轮廓图，其中(a)为无钴镍基合金，(b)为Stellite06合金。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：

(1)配制无钴镍基合金粉末，按照重量百分比，各组分及其含量为：

碳(C)：1.0％，铬(Cr)：25％，钨(W)：4.2％，硅(Si)：2.5％，铝(Al)：7％，钼(Mo)：4.5％，硼(B)：0.8％，氧化钇(Y₂O₃)：5％，其余为镍(Ni)，用机械球磨法获得镍铬合金粉末混合物，粉末粒度达到200～300目，并烘干；

用乙醚溶解甲基纤维素作为粘接剂，与上述粉末混合物调和成糊状，在不锈钢基材的核电阀门密封面上均匀预涂上一层厚度2.0mm的环形预铺涂层，并在烘箱中烘干；

(2)将所需加工的核电阀门置于激光加工机床上，将激光工作头引到目标区域的正上方；

(3)在1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢基材的核电阀门密封面上，用功率为6000W的激光辐照基材表面形成熔池，同时向熔池吹入惰性气体-氮气以保护熔池被氧化；所述激光为CO₂气体激光，激光束扫描速度为3mm/s，光斑直径为4.0mm，采用3道激光搭接扫描，搭接率50％，获得一道平均直径15mm、宽度约6mm、厚度约2mm的环形密封面涂层。

对上述无钴镍基合金涂层进行结构分析，得金相显微组织图1。

实施例二

对实施例一所得密封面涂层进行高温磨损试验(高温磨损试验方法参见L.Dubourg，D.Ursescu，et al..Laser Cladding of MMC coatings on aluminiumsubstrate：influence of composition and microstructure on mechanicalproperties[J].Wear，258(1-2)：1745-1754.)，摩擦磨损试验条件下：旋转速度v＝200r/min，载荷F＝500g，摩擦轨道半径r＝6mm，前5min温度从常温上升到360℃，然后持续保温120min，对磨球为直径6mm的SiN球，无润滑。

结果如图2所示，实施例一所得密封面涂层和Stellite06磨损体积量分别为0.682mm³和0.6465mm³。

实施例三：

碳(C)：1.2％，铬(Cr)：27％，钨(W)：5.8％，硅(Si)：2.8％，铝(Al)：10.0％，钼(Mo)：6.0％，硼(B)：0.8％，氧化钇(Y₂O₃)：2.0％，其余为镍(Ni)，采用搅拌球磨机混合配制所需的混合粉末，粉末粒度为200～300目，并在烘箱中烘干；

(3)在1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢基材的核电阀门密封面上，用功率为6000W的激光辐照基材表面形成熔池，同步送入配制好的合金粉末，粉载气为氮气，氮气同时作为保护气保护熔池以防氧化；所述激光为CO₂气体激光，光束扫描速度为3mm/s，光斑尺寸4.0mm；获得一道平均直径15mm、宽度约6.0mm、厚度约2mm的环形密封面涂层。

Claims

1.一种无钴镍基合金粉末，其特征在于，所述无钴镍基合金粉末的组分及含量为：

碳：1.0～1.2％，

铬：24.0～28.0％，

钨：4.0～6.0％，

硅：2.4～2.8％，

铝：6.0～10.0％，

钼：4.0～6.0％，

硼：0.8～1.0％，

氧化钇：1.0～5.0％，

其余为镍，上述百分数为重量百分数。

2.根据权利要求1所述无钴镍基合金粉末，其特征在于，所述合金粉末的粒度为200～300目。

3.一种制备核电阀门密封面无钴镍基合金涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按下述重量百分数配制粉末：碳：1.0～1.2％，铬：24.0～28.0％，钨：4.0～6.0％，硅：2.4～2.8％，铝：6.0～10.0％，钼：4.0～6.0％，硼：0.8～1.0％，氧化钇：1.0～5.0％，其余为镍，用机械球磨法获得镍铬合金粉末混合物，粉末粒度达到200～300目，并烘干；

4.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述多道搭接的搭接率为50％。

5.一种制备核电阀门密封面无钴镍基合金涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按下述重量百分比配制粉末：碳：1.0～1.2％，铬：24.0～28.0％，钨：4.0～6.0％，硅：2.4～2.8％，铝：6.0～10.0％，钼：4.0～6.0％，硼：0.8～1.0％，氧化钇：1.0～5.0％，其余为镍，用机械球磨法获得该镍基合金粉末混合物，粉末粒度达到200～300目，并烘干；

(2)采用功率密度为10⁴～10⁵W/cm²的激光束辐照基体材料表面形成熔池，采用惰性气体同步送粉方式将混合粉末送入熔池，同时采用惰性气体保护熔池以避免氧化；所述激光采用CO₂气体激光器产生，功率为4KW～6KW，激光束扫描速度为3～6mm/s，光斑直径为3～5mm；

6.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述混合粉末送入熔池的速率为：15～25g/min。

7.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述多道搭接的搭接率为50％。