CN1021308C - 改进的或有关高温下耐蚀的叠层金属结构 - Google Patents

Abstract

一种用于在高温下汽轮机部件的耐蚀的硬表面不锈钢底金属的叠层金属结构和方法。叠层金属结构采用一层隔离层，它夹在不锈钢底金属和硬表面层之间。隔离层主要由镍、或镍基合金构成，而且选择具有介于底金属热膨胀系数和硬表面材料热膨胀系数之间的热膨胀系数。这个改进的结构产生一种相对地免除裂纹的焊着溶敷物，它可以提供更长的使用寿命汽轮机部件，因此较少因修理而停机。

Description

本发明涉及高温下耐蚀的叠层金属结构。

发电厂所用的汽轮机的部件通常由于多种机械的原因包括磨蚀、冲蚀、侵蚀、腐蚀和金属与金属摩擦而遭到严重的磨蚀。在位于高压汽轮机上部和下部汽轮的汽流导向处的关键部件和衬套尤其敏感到这种现象。这些部件典型地用不锈钢亦即含铬12%的材料制造。由于这种金属在其回火条件下是不硬的（15-20洛氏“C”硬度即15-20HRC），通常使用诸如硬表面层或覆盖层（Cladding）的保护层来延长这些部件的使用寿命。

所用的这种保护层之一是钨铬钴硬质合金“6”（STELLITE“6”），它是非常硬的金属，已经是硬化表面使用的一种标准材料。它通常产生一种能抗金属与金属磨损、磨蚀和碰撞的表面。然而，由于局部地在含铬12%的底金属和焊接溶敷物之间的热膨胀系数不同，因而STELLITE经常伴随有裂纹。而且，此种裂纹也可以伸延进入底金属中，因为焊接温度而常常强烈地使它变硬。这可能导致部件过早损坏而需修理或更换。

更换这些磨损、侵蚀或裂纹的部件可能是很大的花费。单是停机每天就可能花费10万美元，因为电的应用是把电力卖到其他地方以满足用户的需要。除了这种花费以外，还有雇用修理人员以及购买和储备备件的费用也是相当大的。

在为了减少停机和必然的花费而做的努力中，现在开发了多种新的合金，以延长汽轮机部件的使用寿命。其中一种合金是来自印第安纳州Kokomo的Cabot公司的三基合金（TRIBALOY）400。三基合金是一种钴基合金，因此，即使高温下它也保持其硬度。请参阅T.B.Jefferson等人所著1983年2月俄亥俄州克利夫（Cleveland，OH，）市出版的“金属及其焊接“一书中的James    F.Lincoln的“电弧焊接原理”，结合该文章借此作为参考文献。三基合金的溶敷物（deposits）和以12%铬为基础的不锈钢底金属的受热影响区域遗憾地在焊接后有裂纹和砂眼，因此，并不完全令人满意。

为了产生冶金上合格的溶敷物，焊接工业已经传统地依靠一种“隔离”层。隔离作为一种手段已经在商业文献上公开，它把一种过渡合金放到底金属上，随后将被焊到不同的化学组成的部件上。1985年2月出版的Birchfield著“焊接设计与加工”第38-48页“局部损坏或金属覆盖尺寸过小的补救”，该文也作为参考文献。Birchfield的文章评论了各种工艺过程和选择金属覆盖层的材料，它揭示了隔离在不同合金之间提供一个冶金的桥樑，并且揭示了隔离材料必须是容易地可焊接在底金属上，并与焊接填充金属是一致的，焊接填充金属将把隔离部分和配接部分结合在一起。该文章还揭示了如下的例子：焊着在碳钢或低合金钢衬底上的高镍焊接金属，后来被焊在高合金钢的低金属上;镍铬铁合金在焊到不锈钢之前，先焊在不锈钢覆盖层的底合金钢上。这个参考文献虽然讲述了对隔离层的一种用法，但是未能提出有关热冲击和汽轮机部件底金属裂缝的问题。而且，这一参考文献要求隔离层在附着到底金属的配接部分之 前，先被焊接到单独的隔离部分上。

因此，仍然需要硬化表面金属的表面的一种方法，以提供具有延长使用寿命的汽轮机部件。还需要一种修理的工艺过程，以使在发电设备上不锈钢的潜在焊接应力和裂纹减至最小。

因此，本发明属于用于在高温下耐损的一种叠层金属结构，其特征为，所述的结构包括：（1）由不锈钢组成的底金属;（2）主要包括镍、镍基合金、或它们的混合物的隔离层，所述的隔离层被固接（bond）在所述的底金属上;和（3）层叠在所述的隔离层上面的一种硬表面，所述的隔离层和所述的硬表面层的所述的组合形成了一个坚固地连续的外套，以保护所述的底金属免遭在高温下磨蚀。最好是，隔离层和硬表面层焊接。

本发明还包括一种制造叠层金属结构的方法，正如在前面最后一段所引用的，其特征为，底金属和它坚固地连续的外套加热一段足够的时间，以至少减轻一部分由于应用所述的隔离层和硬表面层所引起的应力。

这种热处理工艺过程特别适于减轻溶敷物的焊接应力，和在底金属的受热影响区域内马氏体的回火。硬表面层和隔离层的组合体，特别是采用焊后热处理，将对汽轮机部件提供更长的使用寿命和较少的修理停机。最好是，隔离层含铬超过12%（重量），这样，在焊接期间底金属的铬含量就不会由底金属扩散开。本发明的叠层金属结构实际上避免了与焊接有关的热或冷裂纹。这种硬表面结构是特别适用于发电设备中含铬12%的汽轮机部件。

为此，本发明提供一种叠层金属结构，在高温下耐蚀性最好，并且提供一种硬表面的方法，用于相同的目的。在这里叙述的工艺过程 和结构可以在任何高温作业中应用，例如在热处理炉、内燃机和阀门上应用。然而，本发明特别适用于汽轮机部件，尤其适用于由那些含铬12%的不锈钢所制造的部件，它们在充满蒸汽的缸腔内经受严重的氧化和划痕。设计该结构和方法来保护相当软的不锈钢底金属，这些金属在大约华氏900度以上受到金属与金属的摩擦。置于底金属和硬表面层之间的隔离层由镍、镍基合金、或者两者混合物构成。选择这些材料做隔离层是因为镍及其合金具有的热膨胀系数，它介于通常用于汽轮机上的不锈钢底层的热膨胀系数和最硬表面材料的热膨胀系数之间。硬表面层最好含有钴，以便在发电厂运行条件下保持叠层金属结构的高温硬度。

为更清楚地理解本发明，现在将用举例的方式并结合附图加以叙述本发明的实施例，附图是叠层金属结构的断面透视图。

参考图1，这里示出一个叠层金属结构100，设计该结构是为了耐蚀，特别是在高温下耐蚀。图1中的结构，举例来说，可以代表汽轮机部件的一部分，诸如关键部件或衬套。结构100包括由不锈钢组成的底金属10，一隔离层20固接在底金属10上，隔离层20主要由镍、镍基合金、或它们的混合物构成。叠置在隔离层上面的是通常用硬表面材料做成的硬表面层30，但是它最好含钴以改善高温硬度。本发明的隔离层20和硬表面层30的组合体形成了一个坚固地连续的外套，以保护底金属10免遭高温下的磨蚀。在这里使用的，“外套”指的是任何机械或冶金地把金属固接到底金属10上，而且包括由于覆盖（Cladding）、焊接或热喷涂产生的溶敷物。

本发明的底金属10最好是约含8-16铬的铬不锈钢。通常，这种材料指的是不含镍的不锈钢类，这类不锈钢常常称为“纯铬”不 锈钢或马化体不锈钢。然而，钢的马氏体特性在很大程度上根据含碳量，高含碳量往往使钢更加乌氏体化。这些钢通常被认为是可以进行热处理的，并包括如下不锈钢规格号码：（美国钢铁学会标准）AISI403，AISI410，AISI414，AISI416，AISI418专用，420，420Se，431，AISI440A，AISI440B，AISI440C和AISI440Se。用于制造汽轮机部件（即关键部件和衬套）的基本型号是AISI410或AISI403，这两种中的每一种的铬含量约为12%。由于合金中其它成分的作用，这一系列材料能从焊接温度强烈地淬火，甚至用空气冷却也是如此，如果不采用保护措施，它们（还有使用它们的焊接材料）可能出现裂纹，这是因为产生了高硬度的缘故。然而，予热这些钢材可以降低温差，并使钢材慢慢冷却，这将会减少裂纹出现的趋向。底金属和焊接结构保持尽可能没有裂纹以避免失败是本发明的主要目的。

虽然一种纯12%铬材料诸如AISI403或AISI410用作本发明的底材料是较好的，但是硬表面技术还使用了软钢（低碳钢）、合金钢、高碳钢和/或这些钢材的组合物。然而，由于汽轮机发电厂的环境是有腐蚀性的，因此这种较好的底金属10的叠层金属结构是不锈钢，更好是含铬12%的不锈钢。

本发明的隔离层20是一种具有热膨胀系数其值在底金属的热膨胀系数和硬表面层的膨胀系数之间的软材料。最好的是，该隔离层主要由镍、镍基合金、或它们的混合物构成。隔离层20固接在底金属10上最好是焊接。隔离层20还增加了该结构的总体强度，因为在硬表面层30和底金属10之间的固接靠它自身是不可能有足以保持 多层硬表面溶敷物不致脱开的强度。请参阅T.B.Jefferson等人所著“金属及其焊接”一书第297-298页。

本发明的隔离层选择较软的材料以经受住由焊接过程的热所引起的热膨胀的冲击。镍及其合金作为用于本发明的隔离层20的较好金属，因为这些材料的热膨胀系数介于较好的、含铬12%的底金属的热膨胀系数和较好的、硬表面材料的热膨胀系数之间。镍和镍合金还有许多附加的优点，因为它们甚至在高温下仍具有优良的耐蚀和耐氧化性能，还因为它们使得有可能用较好的硬表面材料覆盖层而没有明显的裂纹。此外，隔离层20还应含有约12（重量）%以上的铬。这样，在焊接期间避免铬从含铬12%的不锈钢中扩散进入焊接的溶敷物中，并且保持底金属10的耐蚀性。

有一种重要的、可用于本目的的合金就是蒙乃尔高强度耐蚀镍铜锰铁合金（MONEL），它是镍67%、铜28%、锰和硅5%相组合的。MONEL用在汽轮机部件遭受磨损和腐蚀的地方特别有价值。同样有用的是MONEL的各种淬火后的变种，诸如K    MONEL，H    MONEL，S    MONEL，R    MONEL和N    MONEL。用于隔离层20最好的材料是铬镍铁合金（因康镍合金INCONEL），它是镍铬合金。对本发明的目的特别有价值的材料是INCONEL-82、ASME    SF    5.14、ERNICR-3类，该材料按重量百分比呈现如下合成：碳（0.1）;锰（2.5-3.5）;铁（3.0）;磷最大（0.03）;硫最大（0.05）;硅（0.5）;铜最大（0.5）;镍最小（67.0）;钴最大（0.1）;钶和钽（2.0-3.0）;钛最大（0.75）;钽（0.3）;和铬（18.0-22.0）。隔离层20通常具有厚度大约0.25毫米至5毫米，较好的是约2 毫米。在固接到底金属以后，通过机械加工该层，可以得到这个厚度。

选择用于硬表面层30的材料应具有洛氏硬度读数显著大于底金属的硬度读数，最好是在30-55Rc（即30-55HRC;30-55洛氏硬度“C”）的范围。一般来说，硬表面材料的选择可根据予计的运行要求和磨蚀的性质以及其他条件来决定。用于本发明的典型的硬表面合金包括碳化铬合金、碳化钨合金、高碳铬合金、奥氏体锰钢、奥氏体不锈钢（镍铬型钢）、高速工具钢、空气或油淬火工具钢、中碳和合金钢、钴基硬表面材料和镍基硬表面合金。本发明的硬表面合金最好是包含钴，以给予已完工的汽轮机部件高温下的高硬度。最好的材料是三基合金（TRIBALOY）-400和钨铬钴硬质合金（STELLITE）-6，前者被选为汽轮机静止不动部件的较好材料，后者被选为汽轮机转动部件的较好材料。尽管STELLITE-6是普通的材料，TRIBALOY-400是相对比较新的合金材料，它主要包含（以重量百分比计）：碳（0.02）、硅（2.6）、铬（8.5）、钼（28.5）、镍和铁（3.0）、其余是钴。这些材料被选择只是作为例子而已，而那些本技术上的专业人员可以找到呈现相似特性的各种合金的替代品。本发明的硬表面层具有约为1.27-6.35毫米的厚度较好，更好的是约4.57毫米。

隔离层20和硬表面层30可用那些在金属加工业中已知的任一机械的、冶金的、或化学的手段固接到或配置在底金属10上。最好是，隔离层20焊到底金属上，接着把硬表面层30焊到该隔离层上。为这个目的，可应用的典型的外套加工方法包括：热喷涂、等离子体传导电弧焊、有保护的金属电弧焊、金属焊条惰性气体保护焊接 （MIG）或钨电极惰性气体保护电弧焊接（TIG）。对本发明的目的最好的方法是钨电极惰性气体保护电弧焊接。下面是对应用于较佳隔离层20的INCONEL-82，和应用于较佳硬表面层30的TRIBALOY-400，使用钨电极惰性气体保护电弧焊接的方法较佳基本参数的详细总结：

基本参数

材料：    INCONEL-82    TRIBALOY-400

电流（安培）：    150-180    200-225

电压（伏特）：    20-25    25-30

气流（立方英尺/分）：15    15

焊条直径（吋）：    3/32    3/16

保护气体：    氩99.8%    氩99.8%

电极    钨：    2%钍    2%钍

在本发明的一个较佳方法中，使用上述的工艺规程，把INCONEL-82焊到底金属上，以提供大约2.54毫米厚度的隔离层。该隔离层最好是被机械加工至约2.03毫米的厚度。由此得出的，包括底金属和隔离层的中等的组合物在硬表面层30焊在隔离层20上之前和在焊接期间，被加热到约232℃-482℃，最好是约400℃。正如此处使用的，在硬表面层30焊接期间衬底层的温度称为“层间的温度”。

予先加热对下列各项是有利的：（1）当应用电弧焊时，减小不锈钢热冲击损坏的可能性;（2）缓慢冷却以防止形成过大的融合区; （3）防止焊接本身硬度过大;（4）使焊接处和底金属的冷却均衡，以此将收缩裂缝的可能性减至最小。请参阅T.B.Jefferson等人所著“金属及其焊接”第332页。

在焊着硬表面材料之后，叠层金属结构最好是用焊后热处理来回火。当底金属10是较好的、含铬12%的不锈钢时，选择焊后热处理的温度应高到足以使马氏体回火形成在这个底金属内。较好的热处理工艺过程包括已焊好的结构加热一段时间，这段时间足够至少减轻由于本发明的方法的各种固接步骤所引起的最大应力。本发明的较佳热处理温度范围是593°-627℃。

由上述固接操作所产生的叠层金属结构100通常在温度约为232-482℃。该结构可以允许在隔离的空气中冷却，或者在放入热处理炉之前保持在其层间温度左右。该叠层金属结构100然后以约每小时30-40℃加热，最好是约每小时38℃，直到获得约593-627℃的均匀的温度为止。然后将该结构100保持此温度约1-3小时。最好是，使该结构保持在最佳温度按该部件的每一吋厚度应该保持一小时，对那些厚度小于1吋的部件，最少要保持一小时。在热处理以后，最好让该部件在约每小时低于38℃的速率冷却。这可以在一个隔热的环境内完成冷却，即在蛭石炉、Kaowool（考伍尔）炉或慢速冷却炉内冷却。这一冷却步骤是连续的，至少直到叠层金属结构100得到约149℃均匀的温度为止，在此温度下，冷却速率已不重要，并且该结构可以被暴露在环境温度下。必须注意的是，这个热处理工艺过程只是为了说明性的，而那些本技术的专业人员可以找到代替的热处理工艺程序，这些程序将给底金属的焊件和热效应区域提供足够的回火。

总之，本发明提供一种叠层金属结构100，它显示出较少的缺点，而同时都保持了从室温至高温的耐蚀性能。由INCONEL    82和TRIBALOY-400组成的较佳的组合体产生出一个具有洛氏“C”硬度约40-50读数的表面。INCONEL    82隔离层具有一热膨胀系数介于底金属的热膨胀系数和硬表面材料TRIBALOY-400的热膨胀系数之间。同时，INCONEL    82由18.0-22.0（重量）%的铬构成，它使得把这种合金焊着在含铬最低程度的不锈钢底金属上。最后，本发明的结构容易的使用现有的焊接工艺规程制造，并且提供更加耐久的汽轮机部件。

对于在汽轮机系统内位于导流处的不锈钢关键部件和衬套而言，这种结构和方法特别有利于减少裂纹和有利于延长使用寿命。这些部件可用上述的含镍隔离层覆盖，然后覆盖上硬表面。因此，被这样保护之后，高温下的汽轮机系统可以正常运行而较少因为需要更换这些关键部件而停机。

由前所述，可以了解到本发明提供一种用于在高温下耐蚀的改进的叠层金属结构和方法。该叠层金属结构利用一种新的、能提供一种缓冲和限制由于焊接过程引起的热冲击的隔离层。因此，本发明提供一种较坚固的硬表面焊件，尤其是一种更经济的TRIBALOY应用的工艺规程，没有由于焊接溶敷物的裂纹而造成的高废品率。

Claims (13)

1、一种在高温下耐蚀的叠层金属结构，包括：由不锈钢组成的底金属；焊接在所述的底金属上，由镍、镍基合金、或其混合物所组成的一层隔离层；及焊接在所述的隔离层上的包含钴的一层硬表面层，用以在高温下保护所述的底金属免遭磨蚀，其特征在于：所述隔离层含有足够量的铬，在焊接时足以禁止铬由所述底金属向外的扩散，所述硬表面层具有至少为30Rc的宏观硬度，与所述隔离层结合形成无焊接裂缝的附层。

2、按照权利要求1所述的结构，其特征在于：该底金属包含12重量百分比的铬。

3、按照权利要求1所述的结构，其特征在于：该隔离层按重量至少含12%的铬。

4、按照权利要求1所述的结构，其特征在于：该硬表面层主要包括大约：碳0.02重量%，硅2.6重量%，铬8.5重量%，钼28.5重量%，镍和铁3.0重量%，其余是钴。

5、按照权利要求1或3所述的结构，其特征在于：该隔离层具有0.25至5毫米的厚度。

6、按照权利要求1或4所述的一种结构，其特征在于：该硬表面层具有1.27至6.35毫米的厚度。

7、一种生产如权利要求1至6任一项所述叠层金属结构的方法，其特征在于：将隔离层焊接于底金属上形成中间叠层，将中间叠层加热到232至482℃的温度，在该温度下将硬表面层焊接到所述中间层的隔离层上形成附层，再将所述底金属及其形成的附层加热一段足够的时间，以释放出至少一部分由先前焊接所产生的应力。

8、按照权利要求7所述的方法，其特征在于：底金属及其附层的，热处理是593℃-627℃中进行的。

9、按照权利要求8所述的方法，其特征在于：加热持续时间为1-3小时。

10、按照权利要求7、8或9所述的方法，其特征在于：在热处理以后，该结构在低于每小时38℃的速率下冷却。

11、按照权利要求10所述的方法，其特征在于：冷却是连续的，直到到达大约149℃的均匀温度为止。

12、按照权利要求10所述的方法，其特征在于：冷却是在一个隔热环境中进行的。

13、按照权利要求7所述方法，其特征在于：中间叠层被加热至400℃。