CN111604503B - 一种FeCrAl不锈钢复合管坯及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种FeCrAl不锈钢复合管坯及其制备方法，属于不锈钢复合管坯技术领域，解决了现有方法制备的复合管在后续冷、热加工中容易发生层间剥离的问题。本发明提供的FeCrAl不锈钢复合管坯包括芯棒层、冶金结合层以及FeCrAl不锈钢层；其制备方法包括：步骤1、冶炼FeCrAl不锈钢钢锭；步骤2、制备FeCrAl不锈钢粉末；步骤3、采用低碳钢制造包套，与芯棒装配后进行焊接和气密性检漏；步骤4、将筛分后FeCrAl不锈钢粉末装入包套中并封焊；步骤5、将封焊好的含有FeCrAl不锈钢粉末的包套在热等静压机中压制成形，热等静压完成后，去除包套，得到高质量复合管坯。本发明制备的FeCrAl不锈钢复合管坯在后续冷、热加工中不易发生层间剥离，最终满足后续的冷、热加工的要求。

Description

一种FeCrAl不锈钢复合管坯及其制备方法
技术领域
本发明涉及不锈钢复合管坯技术领域，尤其涉及一种FeCrAl不锈钢复合管坯及其制备方法。
背景技术
在能源、化工和海洋工程领域需要不锈钢管用作流体传输，其要求管材同时具有高强度和特定腐蚀介质下的耐蚀性能，单一材质无法满足某些条件下的综合服役性能要求，需要采用复合管。复合管的其中一种材质提供强度，另外的内衬或外套材料可提供耐蚀性能。
目前常见的管坯或管材复合形式有机械滚压、拉拔复合、爆炸复合、液压复合、表面涂覆等。但机械滚压、拉拔复合、液压复合等复合方式的复合管层间无冶金结合，结合力差；爆炸复合后复合层不平整；表面涂覆对涂覆层的厚度有限制。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种FeCrAl不锈钢复合管坯及其制备方法，用以解决采用现有方法制备的复合管在后续冷、热加工中容易发生层间剥离而无法满足后续的冷、热加工的要求的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一方面，本发明提供了一种FeCrAl不锈钢复合管坯，由内至外依次包括芯棒层、冶金结合层以及FeCrAl不锈钢层。
另一方面，本发明还提供了一种FeCrAl不锈钢复合管坯的制备方法，用于上述的FeCrAl不锈钢复合管坯，包括以下步骤：
步骤1、采用真空感应工艺冶炼FeCrAl不锈钢钢锭，并对FeCrAl不锈钢钢锭进行真空除油处理；
步骤2、采用等离子旋转电极雾化法制备FeCrAl不锈钢粉末；
步骤3、采用低碳钢制造包套，与不锈钢或合金钢制成的芯棒装配后，采用氩弧焊焊接，然后进行惰性气体检漏；
步骤4、将筛分后FeCrAl不锈钢粉末装入包套中，装粉完成后采用真空电子束封焊；
步骤5、将封焊好的含有FeCrAl不锈钢粉末的包套在热等静压机中压制成形，热等静压完成后，去除包套，得到FeCrAl不锈钢复合管坯。
进一步地，在步骤1中，真空度≤0.3Pa，温度300～750℃，到温后保温0.5～5h；钢锭在真空室内冷至100℃以下出炉。
进一步地，在步骤2中，真空度≤0.3Pa，漏气率≤2.0Pa/min；钢锭转速10000～15000r/min，等离子弧电流1200～2000A，等离子工作气体流量30～300L/min。
进一步地，在步骤2中，对制备的FeCrAl不锈钢粉末在惰性气体下筛分，下粉速度为5～160kg/h。
进一步地，在步骤4中，包套设于芯棒外侧，包套与芯棒同轴设置；包套与芯棒之间形成的环形空腔用于填充FeCrAl不锈钢粉末。
进一步地，在步骤4中，装粉温度为200～650℃，真空度≤0.2Pa。
进一步地，在步骤5中，热等静压温度1000℃～1200℃，压力≥60MPa，保温保压时间≥0.5h。
进一步地，在步骤3中，惰性气体检漏时气体压力为0.1～1.0MPa，保压时间10～30s。
进一步地，在步骤5中，采用机加工的方式去除包套。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
(1)本发明制备的FeCrAl不锈钢复合管坯包括芯棒层、冶金结合层以及FeCrAl不锈钢层，该冶金结合层具有较高的界面结合力和较高的界面平直度，后续冷、热加工后冶金结合层厚度变化均匀，从而使FeCrAl不锈钢复合管坯在后续冷、热加工中不易发生层间剥离，最终满足后续的冷、热加工的要求。
(2)本发明通过真空感应工艺冶炼FeCrAl不锈钢钢锭，利用等离子旋转电极雾化法制备O含量低(氧含量低于0.0014wt％)的高质量FeCrAl不锈钢粉末，粉末筛分后获得粒度小、尺寸均匀、粒度组成合理的FeCrAl不锈钢粉末。控制小的粉末粒径，可以降低内生夹杂物的尺寸，提高材料的综合性能。粉末尺寸均匀及合理的粒度组成，有利于降低热等静压后的孔隙率，提高再结晶后组织的均匀性。因此，通过以上方法可获得微观组织均匀、性能一致的FeCrAl不锈钢复合管坯。
(3)相比于现有的机械滚压、拉拔复合、液压复合等复合方式的复合管层间无冶金结合，结合力差以及爆炸复合后复合层不平整和表面涂覆对涂覆层的厚度有限制。本发明通过热等静压方式，对包含芯棒和FeCrAl不锈钢粉末的包套进行粉末冶金，获得粉末致密化和可靠冶金扩散的复合管坯，复合管坯通过热等静压方式形成的冶金结合层具有较高的界面结合力以及较高的界面平直度，能够保证FeCrAl不锈钢复合管坯在后续冷、热加工的要求。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为未去除最外层包套时FeCrAl不锈钢复合管坯横截面的金相显微镜观察示意图；
图2为FeCrAl不锈钢复合管坯横截面的金相显微镜观察示意图；
图3为FeCrAl不锈钢复合管坯中FeCrAl不锈钢层的显微组织图a；
图4为FeCrAl不锈钢复合管坯中T91钢芯棒层的显微组织图a；
图5为FeCrAl不锈钢复合管坯中FeCrAl不锈钢层的显微组织图b；
图6为FeCrAl不锈钢复合管坯中T91钢芯棒层的显微组织图b；
图7为FeCrAl不锈钢复合管坯的显微组织图a；
图8为FeCrAl不锈钢复合管坯的显微组织图b。
附图标记：
1-芯棒层；2-FeCrAl不锈钢层；3-低碳钢包壳层；4-冶金结合层。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明提供了一种FeCrAl不锈钢复合管坯，如图1和图2所示，该FeCrAl不锈钢复合管坯由内至外依次包括芯棒层、冶金结合层4以及FeCrAl不锈钢层2。该芯棒层为芯棒层1，示例性地，为T91钢芯棒层，FeCrAl不锈钢层2的外侧为低碳钢包壳层3。
与现有的复合钢管相比，本发明提供的FeCrAl不锈钢复合管坯的冶金结合层4具有较高的界面结合力和较高的界面平直度，后续冷、热加工后冶金结合层4厚度变化均匀，从而使FeCrAl不锈钢复合管坯在后续冷、热加工中不易发生层间剥离，最终满足后续的冷、热加工的要求。
本发明采用的制备原理为：本发明在不锈钢或合金钢等金属制成的芯棒上，通过粉末冶金的方式制备FeCrAl不锈钢层2，使T91钢芯棒层1与FeCrAl不锈钢层2之间形成冶金结合层4，以同时满足力学性能、耐蚀性能等综合要求。具体是通过真空感应工艺冶炼FeCrAl不锈钢钢锭(即FeCrAl不锈钢棒材母料)，利用等离子旋转电极雾化制备O含量低(氧含量低于0.0014wt％)的高质量FeCrAl不锈钢粉末，粉末筛分后获得粒度小、尺寸均匀的不锈钢粉末，通过热等静压方式，对包含T91钢芯棒和FeCrAl不锈钢粉末的包套装置进行粉末冶金，获得粉末致密化和可靠冶金扩散的FeCrAl不锈钢复合管坯。
本发明还提供了一种FeCrAl不锈钢复合管坯的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用真空感应工艺冶炼FeCrAl不锈钢钢锭，并对FeCrAl不锈钢钢锭进行真空除油处理；
在上述步骤1中，真空除油处理时的真空度≤0.3Pa，温度300～750℃，到温后保温0.5～5h；FeCrAl不锈钢钢锭在真空室内冷至100℃以下出炉；控制上述除油条件及出炉温度能够保证热等静压后良好的冶金结合。
步骤2、采用等离子旋转电极雾化法制备FeCrAl不锈钢粉末，对FeCrAl不锈钢粉末进行惰性气体下的筛分；需要说明的是，本步骤中采用DXD-50型等离子旋转雾化制粉设备制备FeCrAl不锈钢粉末。
在上述步骤2中，采用离子旋转电极雾化时真空度≤0.3Pa，漏气率≤2.0Pa/min；钢锭转速10000～15000r/min，等离子弧电流1200～2000A，等离子工作气体流量30～300L/min；筛分时的下粉速度为5～160kg/h，通过控制以上参数有利于制得颗粒均匀的FeCrAl不锈钢粉末。
步骤3、采用低碳钢制造包套，并与不锈钢或合金钢制成的芯棒装配，最外层包套，最内层为芯棒，包套与芯棒同轴设置，包套和芯棒之间的夹层用于填充FeCrAl不锈钢粉末；包套和芯棒采用氩弧焊焊接，然后进行惰性气体检漏，惰性气体压力为0.1～1.0MPa，保压时间10～30s；
步骤4、将筛分后FeCrAl不锈钢粉末装入包套中，装粉温度为200～650℃，真空度≤0.2Pa；装粉完成后采用真空电子束封焊；控制步骤4中的装粉温度和真空度有利于除去空气，降低氧含量。
步骤5、封焊好的FeCrAl不锈钢粉末包套在热等静压机中压制成形，热等静压完成后，采用机加工方式去除包套，得到高质量复合管坯。
在上述步骤5中，热等静压温度1000℃～1200℃，压力≥60MPa，保温保压时间≥0.5h，控制该热等静压参数有利于保证良好的粉末冶金效果，以及FeCrAl不锈钢粉末与芯棒之间的冶金结合。
与现有的不锈钢复合管坯相比，本发明制备的不锈钢复合管坯包含的两种金属连接界面为冶金复合结合，结合力强，不易发生剥离。
实施例1
本实施例提供了一种FeCrAl不锈钢复合管坯的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用25kg真空感应炉，前炉铁洗后冶炼钢锭，采用纯铁、Ni板、J-Cr、铝块冶炼本钢。浇铸后的FeCrAl不锈钢钢锭化学成分见表1。
FeCrAl不锈钢钢锭进行真空除油处理：真空度为0.13Pa，温度为320℃，到温后保温5h。钢锭在真空室内冷至80℃出炉。
步骤2、采用等离子旋转电极雾化制备FeCrAl不锈钢粉末，真空度为0.2Pa，漏气率为0.8Pa/min；钢锭转速为15000r/min，等离子弧电流为2000A，等离子工作气体流量为280L/min；对FeCrAl不锈钢粉末进行惰性气体下的筛分，下粉速度为50kg/h；
步骤3、采用低碳钢制造包套，并与T91钢芯棒装配后，氩弧焊焊接，然后进行惰性气体检漏，气体压力0.3MPa，保压时间为30s；
步骤4、将筛分后FeCrAl不锈钢粉末装入包套中，装粉温度为500℃，真空度为0.1Pa；装粉完成后采用真空电子束封焊；
步骤5、将封焊好的含有FeCrAl不锈钢粉末的包套在热等静压机中压制成形，热等静压温度为1150℃，压力为65MPa，保温保压时间1h；热等静压完成后，采用机加工方式去除包套，得到高质量的FeCrAl不锈钢复合管坯。
本实施例制备的FeCrAl不锈钢复合管坯中FeCrAl不锈钢层2的显微组织如图3和图5所示；FeCrAl不锈钢复合管坯中T91钢芯棒层1的显微组织图如图4和图6所示；而从图7和图8中可以看出，T91钢芯棒层1与FeCrAl不锈钢层2之间的界面扩散效果良好，整体无明显空隙和缝隙，这表明本实施例制备的FeCrAl不锈钢复合管坯中的冶金结合层4具有较高的界面结合力和较高的界面平直度，在后续冷、热加工中不易发生层间剥离，进而能够满足后续的冷、热加工的要求。
实施例2
本实施例提供了一种FeCrAl不锈钢复合管坯的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用25kg真空感应炉，前炉铁洗后冶炼钢锭，采用纯铁、Ni板、J-Cr、铝块冶炼本钢。浇铸后的FeCrAl不锈钢钢锭化学成分见表1。
FeCrAl不锈钢钢锭进行真空除油处理：真空度为0.13Pa，温度为500℃，到温后保温0.5h，钢锭在真空室内冷至100℃出炉。
步骤2、采用等离子旋转电极雾化法制备FeCrAl不锈钢粉末，真空度0.13Pa，漏气率为1.0Pa/min；钢锭转速为11000r/min，等离子弧电流为1300A，等离子工作气体流量为35L/min；对FeCrAl不锈钢粉末进行惰性气体下的筛分，下粉速度为10kg/h；
步骤3、采用低碳钢制造包套，并与316不锈钢芯棒装配后，氩弧焊焊接，然后进行惰性气体检漏，气体压力为0.3MPa，保压时间为10s；
步骤4、将筛分后FeCrAl不锈钢粉末装入包套中，装粉温度为380℃，真空度为0.1Pa；装粉完成后采用真空电子束封焊；
步骤5、将封焊好的含有FeCrAl不锈钢粉末的包套在热等静压机中压制成形，热等静压温度为1200℃，压力为60MPa，保温保压时间为0.5h；热等静压完成后，采用机加工方式去除包套，得到高质量的FeCrAl不锈钢复合管坯。
实施例3
本实施例提供了一种FeCrAl不锈钢复合管坯的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用25kg真空感应炉，前炉铁洗后冶炼钢锭，采用纯铁、Ni板、J-Cr、铝块冶炼本钢。浇铸后的FeCrAl不锈钢钢锭化学成分见表1。
FeCrAl不锈钢钢锭进行真空除油处理：真空度为0.13Pa，温度为500℃，到温后保温0.5h，钢锭在真空室内冷至100℃出炉；
步骤2、采用等离子旋转电极雾化法制备FeCrAl不锈钢粉末，真空度为0.13Pa，漏气率为1.0Pa/min；钢锭转速为11000r/min，等离子弧电流为1300A，等离子工作气体流量为35L/min；对FeCrAl不锈钢粉末进行惰性气体下的筛分，下粉速度为10kg/h；
步骤3、采用低碳钢制造包套，并与316不锈钢芯棒装配后，氩弧焊焊接，然后进行惰性气体检漏，气体压力为0.3MPa，保压时间为10s；
步骤4、将筛分后FeCrAl不锈钢粉末装入包套中，装粉温度380℃，真空度为0.1Pa；装粉完成后采用真空电子束封焊；
步骤5、将封焊好的含有FeCrAl不锈钢粉末的包套在热等静压机中压制成形，热等静压温度为1200℃，压力为60MPa，保温保压时间为0.5h；热等静压完成后，采用机加工方式去除包套，得到高质量的FeCrAl不锈钢复合管坯。
实施例4
本实施例提供了一种FeCrAl不锈钢复合管坯的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用25kg真空感应炉，前炉铁洗后冶炼钢锭，采用纯铁、Ni板、J-Cr、铝块冶炼本钢。浇铸后的FeCrAl不锈钢钢锭化学成分见表1。
FeCrAl不锈钢钢锭进行真空除油处理：真空度为0.13Pa，温度为320℃，到温后保温为5h，钢锭在真空室内冷至80℃出炉。
步骤2、采用等离子旋转电极雾化法制备FeCrAl不锈钢粉末，真空度为0.2Pa，漏气率为0.8Pa/min；钢锭转速为15000r/min，等离子弧电流为2000A，等离子工作气体流量为280L/min；对FeCrAl不锈钢粉末进行惰性气体下的筛分，下粉速度为50kg/h；
步骤3、采用低碳钢制造包套，并与316不锈钢芯棒装配后，氩弧焊焊接，然后进行惰性气体检漏，气体压力为0.3MPa，保压时间为30s；
步骤4、将筛分后FeCrAl不锈钢粉末装入包套中，装粉温度为500℃，真空度为0.1Pa；装粉完成后采用真空电子束封焊；
步骤5、将封焊好的含有FeCrAl不锈钢粉末的包套在热等静压机中压制成形，热等静压温度为1150℃，压力为65MPa，保温保压时间为1h；热等静压完成后，采用机加工方式去除包套，得到高质量的FeCrAl不锈钢复合管坯。
实施例5
本实施例提供了一种FeCrAl不锈钢复合管坯的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用25kg真空感应炉，前炉铁洗后冶炼钢锭，采用纯铁、Ni板、J-Cr、铝块进行冶炼。浇铸后的FeCrAl不锈钢钢锭化学成分见表1。
FeCrAl不锈钢钢锭进行真空除油处理：真空度为0.13Pa，温度为750℃，到温后保温0.5h。钢锭在真空室内冷至60℃出炉；
步骤2、采用离子旋转电极雾化法制备FeCrAl不锈钢粉末，真空度为0.2Pa，漏气率为0.8Pa/min；钢锭转速为13000r/min，等离子弧电流为2000A，等离子工作气体流量为150L/min；对FeCrAl不锈钢粉末进行惰性气体下的筛分，下粉速度为150kg/h；
步骤3、采用低碳钢制造包套，并与316不锈钢芯棒装配后，氩弧焊焊接，然后进行惰性气体检漏，气体压力为0.3MPa，保压时间为30s；
步骤4、将筛分后FeCrAl不锈钢粉末装入包套中，装粉温度为650℃，真空度为0.1Pa；装粉完成后采用真空电子束封焊；
步骤5、将封焊好的含有FeCrAl不锈钢粉末的包套在热等静压机中压制成形，热等静压温度为1200℃，压力为65MPa，保温保压时间为1.5h；热等静压完成后，采用机加工方式去除包套，得到高质量的FeCrAl不锈钢复合管坯。
表1 FeCrAl不锈钢钢锭化学成分(wt％)
Figure BDA0002537031680000111
从上述表1可以看出，本发明的FeCrAl不锈钢钢锭的化学成分及其质量百分含量(wt％)为：C 0.024～0.028，Si 0.041～0.058，Mn 0.028～0.048，P 0.0088～0.010，S0.0035～0.0053，Cr 19.67～20.13，Al 4.41～5.53，La0.016～0.028，H 0.00013～0.00020，N 0.0022～0.0028，O 0.0010～0.0014，其它为杂质。控制上述钢锭的化学成分及其含量并采用本发明提供的制备方法能够获得高质量的不锈钢复合管坯，其具有较高的界面结合力及界面平直度均，能够满足后续的冷、热加工的要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种FeCrAl不锈钢复合管坯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述FeCrAl不锈钢复合管坯由内至外依次包括芯棒层、冶金结合层以及FeCrAl不锈钢层；
步骤1、采用纯铁、Ni板、J-Cr、铝块冶炼并采用真空感应工艺冶炼FeCrAl不锈钢钢锭，并对FeCrAl不锈钢钢锭进行真空除油处理；
所述FeCrAl不锈钢钢锭的化学成分及其质量百分含量(wt％)为：C 0.024～0.028，Si0.041～0.058，Mn 0.028～0.048，P 0.0088～0.010，S 0.0035～0.0053，Cr 19.67～20.13，Al 4.41～5.53，La 0.016～0.028，H 0.00013～0.00020，N 0.0022～0.0028，O0.0010～0.0014，其它为杂质；
在所述步骤1中，真空除油处理的条件为：真空度≤0.3Pa，温度300～750℃，到温后保温0.5～5h；钢锭在真空室内冷至100℃以下出炉；
步骤2、采用等离子旋转电极雾化法制备FeCrAl不锈钢粉末；
在所述步骤2中，真空度≤0.3Pa，漏气率≤2.0Pa/min；钢锭转速10000～15000r/min，等离子弧电流1200～2000A，等离子工作气体流量30～300L/min；
对制备的FeCrAl不锈钢粉末在惰性气体下筛分，下粉速度为5～160kg/h；
步骤3、采用低碳钢制造包套，与不锈钢或合金钢制成的芯棒装配后，采用氩弧焊焊接，然后进行惰性气体检漏；在所述步骤3中，惰性气体检漏时气体压力为0.1～1.0MPa，保压时间10～30s；
步骤4、将筛分后FeCrAl不锈钢粉末装入包套中，填充时装粉温度为200～650℃，装粉完成后采用真空电子束封焊；
步骤5、将封焊好的含有FeCrAl不锈钢粉末的包套在热等静压机中压制成形，热等静压完成后，去除包套，得到FeCrAl不锈钢复合管坯；
在所述步骤5中，热等静压温度1150℃～1200℃，压力为60MPa～65MPa，保温保压时间≥0.5h。
2.根据权利要求1所述的FeCrAl不锈钢复合管坯的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，真空度为0.13Pa，温度320～750℃；钢锭在真空室内冷至80℃以下出炉。
3.根据权利要求1所述的FeCrAl不锈钢复合管坯的制备方法，其特征在于，在所述步骤2中，真空度为0.2Pa，漏气率为0.8Pa/min；钢锭转速15000r/min，等离子弧电流2000A，等离子工作气体流量280～300L/min。
4.根据权利要求1所述的FeCrAl不锈钢复合管坯的制备方法，其特征在于，在所述步骤2中，下粉速度为50～160kg/h。
5.根据权利要求1所述的FeCrAl不锈钢复合管坯的制备方法，其特征在于，在所述步骤4中，包套设于芯棒外侧，包套与芯棒同轴设置；包套与芯棒之间形成的环形空腔用于填充FeCrAl不锈钢粉末。
6.根据权利要求2所述的FeCrAl不锈钢复合管坯的制备方法，其特征在于，在所述步骤5中，热等静压温度1000℃～1200℃，压力≥60MPa，保温保压时间≥0.5h。
7.根据权利要求2所述的FeCrAl不锈钢复合管坯的制备方法，其特征在于，在所述步骤3中，惰性气体检漏时气体压力为0.3MPa，保压时间10s。
8.根据权利要求1至7任一项所述的FeCrAl不锈钢复合管坯的制备方法，其特征在于，在所述步骤5中，采用机加工的方式去除包套。
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