CN113492279B

CN113492279B - 一种增材制造用的镍-铬-钨-钴合金氩弧焊焊丝及其制备方法

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Publication number: CN113492279B
Application number: CN202110571065.1A
Authority: CN
Inventors: 王槐春; 陈敬一; 鲍艳东; 向俊; 向田法
Original assignee: Jiangsu New Hengji Special Equipment Co Ltd
Current assignee: Jiangsu New Hengji Special Equipment Co Ltd
Priority date: 2021-05-25
Filing date: 2021-05-25
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2041-05-25
Also published as: CN113492279A

Abstract

一种增材制造用的镍‑铬‑钨‑钴合金氩弧焊焊丝及其制备方法，其特征是以重量百分数计焊丝的成分：C 0.055~0.075%，Si≤0.60%，Mn 0.30~0.85%，P＜0.020%，S＜0.010%，Cr 16.00~17.50%，W 1.200~1.650%，Co 10.50~12.00%，Cu 0.20~0.80%，V 0.060~0.150%，Nb 0.30~0.50%，N≤0.010%，B≤0.0060%，Ti 0.500~0.750%，Al 0.60~0.70%，Ta 0.20~0.50%，Fe＜1.0%，Mo＜0.50%，O≤0.0040%，As≤0.015%，Sb≤0.015%，Bi≤0.005%，Sn≤0.020%，Pb≤0.015%，Ni余量。本发明能避免因材料不一致导致组织、性能的急剧变化，降低制造成本。

Description

一种增材制造用的镍-铬-钨-钴合金氩弧焊焊丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种增材制造技术，尤其是一种核电站换热器增材制造用的镍基合金焊丝，具体地说是一种用于二种不同耐高温材料增材制造连接过渡用的铬-钨-钴-镍合金氩弧焊焊丝及其制备方法。主要应用于高温气冷堆蒸汽发生器换热器650℃~800℃高温段和500℃~650℃中温段的过渡区域的增材制造，该区域工作温度为600~700℃。

背景技术

核电蒸汽发生器是产生汽轮机所需蒸汽的换热设备，也是核电站最为关键的主要设备之一，蒸汽发生器与反应堆压力容器相连，不仅直接影响电站的功率与效率，而且在进行热量交换时，还起着阻隔放射性载热剂的作用，对核电站安全至关重要。

高温气冷堆是我国具有完全自主知识产权的第四代先进核能技术，具有固有安全性、模块化设计及建造、发电效率高、用途广泛等特点。目前高温气冷堆核电站选用的是螺旋盘管式蒸发器。盘管外是一回路氦气，盘管内是二回路高温高压水蒸汽，氦气进口温度750℃、设计出口蒸汽温度566℃、13.24MPa；由于结构原因出口蒸汽温度和压力并没有达到超临界所需要的条件，因此在发电效率上是一个遗憾。

直流逆流孔道式换热器是一种新型的换热结构，两种换热介质在不同的孔道中相向对流，孔道的横截面分布类似于目前的固定管板换热器的管板布置，长度超过10米，该结构可以使出口蒸汽温度达到730℃（在氦气进口温度750℃的条件下），出口蒸汽压力超过31MPa，轻松达到超超临界发电，使得大幅度提高高温气冷堆的发电效率；同时在氦气进口温度达到950℃或更高的超高温气冷堆，该结构也能轻松满足，仅仅需要改变基体材料、满足耐高温条件即可。使得高温气冷堆在国家氢能源的发展上提供助力。

虽然直流逆流孔道式换热器结构非常优秀，但传统的制造工艺几乎不可能实现，为此人们提出利用增材制造技术制备新的换热器的结构的技术方案，以增材制造（3D打印）的成型方式成型，由于耐高温镍基合金材料非常昂贵，为了降低整体制造成本，把整个换热器按照温度范围分成三段，分别是650℃~800℃的高温段、500℃~650℃的中温段和500℃以下的低温段，不同温度段使用不同的合金成分，既满足使用条件要求，又能大幅度降低制造成本；由于不同合金成分差异很大，其性能也有很大的差异，为了避免这种成分不连续带来的性能不连续，需要在两种不同合金之间增加过渡金属区，平缓异种金属间引起的性能陡变，因此总共需要5种增材制造用的氩弧焊丝，以适用于实际工况。

发明内容

本发明的目的是：

针对基于增材制造（3D打印）成型的直流逆流孔道式换热器结构的650℃~800℃的高温段和500℃~650℃的中温段的过渡区域，即工作温度为600~700℃的高温过渡段，设计一种铬-钨-钴-镍合金氩弧焊焊丝及其制备方法，实现此区域的增材制造（3D打印），满足设计使用要求。

本发明的技术方案之一是：

一种增材制造用的镍-铬-钨-钴合金氩弧焊焊丝，其特征是：以重量百分数计焊丝的成分：C 0.055~0.075%，Si ≤0.60%，Mn 0.30~0.85%，P ＜0.020%，S ＜0.010%，Cr 16.00~17.50%，W 1.200~1.650%，Co 10.50~12.00%，Cu 0.20~0.80%，V 0.060~0.150%，Nb 0.30~0.50%，N ≤0.010%，B ≤0.0060%， Ti 0.500~0.750%，Al 0.60~0.70%，Ta 0.20~0.50%，Fe＜1.0%，Mo ＜0.50%，O ≤0.0040%，As ≤0.015%，Sb ≤0.015%，Bi ≤0.005%，Sn ≤0.020%，Pb ≤0.015%， As+Sb+Bi+Sn+Pb ≤0.07%，Ni 余量，各组分之和为100%。

本发明的技术方案之二是：

一种增材制造用的铬-钨-钴-镍合金氩弧焊焊丝的制备方法，其特征是：它包括以下步骤：

A.合金熔炼：根据合金的组分及质量百分比进行配料，计算出中间合金的重量，将作为原料的中间合金投入真空感应炉中进行熔炼后，浇注成钢锭；

B.热锻开坯：将合金锭放入初始温度≤600℃的加热炉内进行加热，升温至1185℃，保温时间按1.5min/mm计算，保温结束后进行锻造，锻造成合金坯，在空气中冷却至常温；终锻温度应不低于950℃；

C.热轧退火：加热至1100℃进行热轧，热轧成盘元丝材，在空气中冷却至常温；

D.酸洗、修磨：将盘元丝材用硫酸进行酸洗，然后表面修磨至光滑；

E.拉制：采用现有的冷拉工艺，将盘元丝材逐级拉细，直至丝材直径≤3mm；

F.氢退处理：将冷拉后的盘元丝材进行氢退处理。

所述的步骤E，将热轧后的盘元丝材逐级拉细至直径≤3mm，应经过3~6级拉拔道次；对于此种过渡区域的合金焊丝，若拉拔道次过少，造成一次变形量过大，导致拉丝过程中非常容易断丝；若拉拔道次过多，则在拉丝的过程中焊丝变脆，容易发生断裂；考虑此种合金焊丝的性能，3~6次拉拔为最合理道次。

本发明的技术方案之三是：

一种增材制造用的铬-钨-钴-镍合金氩弧焊焊丝，其特征：所述的焊丝用于耐850℃超合金钢和耐650℃合金材料过渡区域；设备基于增材制造（3D打印）成型，通过所述合金焊丝实现不同耐高温之间组织、性能的均匀性和连续性，避免因材料不一致导致组织、性能的急剧变化，从而产生隐患。

所述的基于增材制造（3D打印）成型的设备，考虑各部位的工作温度不一致，可采用不同等级的耐高温材料，并采用所述焊丝作为两种材料之间的过渡，在原本节省原料成本的基础上，二次节约成本，且不需要引进新的焊接技术作为两种材料之间的连接。

本发明的有益效果：

基于增材制造（3D打印）成型的设备，考虑各部位的工作温度不一致，可采用不同等级的耐高温材料，并采用本焊丝作为两种材料之间的过渡，在原本节省原料成本的基础上，二次节约成本，且不需要引进新的焊接技术作为两种材料之间的连接。

本发明的合金焊丝用于650℃~800℃的高温段和500℃~650℃的中温段的过渡区域。设备基于增材制造（3D打印）成型，通过本合金焊丝实现不同耐高温之间组织、性能的均匀性和连续性，避免因材料不一致导致组织、性能的急剧变化，从而产生隐患。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

步骤1、合金熔炼：根据焊丝中合金的组分和质量百分比进行配料，计算出中间合金的重量，将作为原料的中间合金投入真空感应炉中进行熔炼，在熔炼的过程中对合金的成分不断检测和控制，确保浇注成钢锭时，每100kg合金溶液中含C：0.08kg，Si：0.4kg，Mn：0.4kg，P：0.0018kg，S：0.008kg，Cr：17kg，W：1.5kg，Co：11.5kg，Cu：0.5kg，V：0.1kg，Nb：0.4kg，N：0.008kg，B：0.004kg， Ti：0.6kg，Al：0.65kg，Ta：0.3kg，Fe：0.8kg，Mo：0.04kg，O：0.003kg，As：0.008kg，Sb：0.008kg，Bi：0.001kg，Sn：0.0015kg，Pb：0.0015kg，Ni：65.6852kg，将合金溶液浇注成钢锭；

步骤2、热锻开坯：将合金锭放入初始温度≤600℃的加热炉内进行加热，升温至1185℃，保温380min后进行锻造，锻造成合金坯，在空气中冷却至常温。锻造温度应不低于950℃；

步骤3、热轧退火：加热至1100℃进行热轧，热轧成盘元丝材，在空气中冷却至常温；

步骤4、酸洗、修磨：将盘元丝材用硫酸进行酸洗，然后表面修磨至光滑；

步骤5、拉制：采用现有的冷拉工艺，将盘元丝材经历5级拉制道次拉细，直至丝材直径≤3mm；

步骤6、氢退处理：将冷拉后的盘元丝材进行氢退处理。

本案例采用氩弧焊堆焊模拟增材制造（3D打印）来验证其材料性能，高纯氩气（≥99.99%）保护，焊接参数为：焊接电流110~170A，电弧电压10~18V，焊缝的力学性能为：室温抗拉强度860MPa，屈服强度690MPa，室温冲击功56J，满足设计性能要求。

实施例二。

步骤1、合金熔炼：根据焊丝中合金的组分和质量百分比进行配料，计算出中间合金的重量，将作为原料的中间合金投入真空感应炉中进行熔炼，在熔炼的过程中对合金的成分不断检测和控制，确保浇注成钢锭时，每100kg合金溶液中含C：0.075kg，Si：0.1kg，Mn：0.3kg，P：0.005kg，S：0.005kg，Cr：16kg，W：1.2kg，Co：10.5kg，Cu：0.2kg，V：0.06kg，Nb：0.3kg，N：0.005kg，B：0.002kg， Ti：0.5kg，Al：0.6kg，Ta：0.2kg，Fe：0.5kg，Mo：0.2kg，O：0.001kg，As：0.008kg，Sb：0.005kg，Bi：0.001kg，Sn：0.005kg，Pb：0.008kg，Ni：69.22kg，铁水浇注成钢锭；

步骤2、热锻开坯：将合金锭放入初始温度≤600℃的加热炉内进行加热，升温至1185℃，保温360min后进行锻造，锻造成合金坯，在空气中冷却至常温。锻造温度应不低于950℃；

步骤6、氢退处理：将冷拉后的盘元丝材进行氢退处理。

本案例采用氩弧焊堆焊模拟增材制造（3D打印）来验证其材料性能，高纯氩气（≥99.99%）保护，焊接参数为：焊接电流110~170A，电弧电压10~18V，焊缝的力学性能为：室温抗拉强度780MPa，屈服强度660MPa，室温冲击功58J，满足设计性能要求。

实施例三。

步骤1、合金熔炼：根据焊丝中合金的组分和质量百分比进行配料，计算出中间合金的重量，将作为原料的中间合金投入真空感应炉中进行熔炼，在熔炼的过程中对合金的成分不断检测和控制，确保浇注成钢锭时，每100kg合金溶液中含C：0.055kg，Si：0.6kg，Mn：0.85kg，P：0.02kg，S：0.010kg，Cr：17.50kg，W：1.65kg，Co：12kg，Cu：0.8kg，V：0.15kg，Nb：0.5kg，N：0.01kg，B：0.006kg， Ti：0.75kg，Al：0.7kg，Ta：0.5kg，Fe：1.0kg，Mo：0.5kg，O：0.004kg，As：0.015kg，Sb：0.015kg，Bi：0.005kg，Sn：0.02kg，Pb：0.015kg，Ni：62.325kg，铁水浇注成钢锭；

步骤6、氢退（去氢，可采用常规工艺加以实现）处理：将冷拉后的盘元丝材进行氢退处理。

本案例采用氩弧焊堆焊模拟增材制造（3D打印）来验证其材料性能，高纯氩气（≥99.99%）保护，焊接参数为：焊接电流110~170A，电弧电压10~18V，焊缝的力学性能为：室温抗拉强度896MPa，屈服强度680MPa，室温冲击功54J，满足设计性能要求。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种增材制造用的镍-铬-钨-钴合金氩弧焊焊丝，其特征是由以下步骤制备而成：A.合金熔炼：根据合金的组分及质量百分比进行配料，计算出中间合金的重量，将作为原料的中间合金投入真空感应炉中进行熔炼后，浇注成钢锭；B.热锻开坯：将合金锭放入初始温度≤600℃的加热炉内进行加热，升温至1185℃，保温时间按1.5min/mm计算，保温结束后进行锻造，锻造成合金坯，在空气中冷却至常温；终锻温度应不低于950℃； C.热轧退火：加热至1100℃进行热轧，热轧成盘元丝材，在空气中冷却至常温； D.酸洗、修磨：将盘元丝材用硫酸进行酸洗，然后表面修磨至光滑；E.拉制：采用现有的冷拉工艺，将盘元丝材逐级拉细，直至丝材直径≤3mm；F.氢退处理：将冷拉后的盘元丝材进行氢退处理，得到以下成份的焊丝，以重量百分数计：C 0.055~0.075%，Si≤0.60%，Mn 0.30~0.85%，P＜0.020%，S＜0.010%，Cr16.00~17.50%，W 1.200~1.650%，Co 10.50~12.00%，Cu 0.20~0.80%，V 0.060~0.150%，Nb0.30~0.50%，N≤0.010%，B≤0.0060%， Ti 0.500~0.750%，Al 0.60~0.70%，Ta 0.20~0.50%，Fe＜1.0%，Mo＜0.50%，O≤0.0040%，As≤0.015%，Sb≤0.015%，Bi≤0.005%，Sn≤0.020%，Pb≤0.015%， As+Sb+Bi+Sn+Pb≤0.07%，Ni余量，各组分之和为100%；

在进行增材制造成型设备时，由于所述设备各部位的工作温度不一致，因此采用所述的焊丝通过增材制造在所述设备的650℃~800℃高温段部位和500℃~650℃中温段部位之间形成过渡区域。

2.根据权利要求1所述的焊丝，其特征是：所述的步骤E，经过3~6级拉拔道次将热轧后的盘元丝材逐级拉细至直径≤3mm。