CN113492280B - 一种增材制造用的铬-钨-钴-镍-铁合金氩弧焊焊丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种增材制造用的铬‑钨‑钴‑镍‑铁合金氩弧焊焊丝及其制备方法，其特征是所述焊丝以重量百分数计焊丝的成分：C 0.06~0.10%，Mn 0.50~1.10%，P＜0.020%，S＜0.010%，Si≤0.70%，Cr 13.70~16.30%，Ni 15.0~17.50%，Ti 0.15~0.35%，Cu 0.4~0.95%，Al 0.15~0.30%，W 1.20~1.60%，Co 1.40~1.65%，V 0.10~0.27%，Nb 0.10~0.25%，N 0.005~0.015%，B 0.010~0.020%，O≤0.0040%，Fe余量。本发明成分合理，性能满足设计要求，焊丝制备工艺成熟，能满足设备进行增材制造（3D打印）的设计需求。

Description

一种增材制造用的铬-钨-钴-镍-铁合金氩弧焊焊丝及其制备 方法

技术领域

本发明涉及的一种增材制备技术，主要应用于高温气冷堆蒸汽发生器换热器500℃~650℃中温段和500℃以下低温段的过渡区域的增材制造，该区域工作温度为350~550℃。具体地说是一种增材制造用的铬-钨-钴-镍-铁合金氩弧焊焊丝及其制备方法。

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500℃~650℃中温段和500℃以下低温段的过渡区域，设计一种铬-钨-钴-镍-铁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：

一种增材制造用的铬-钨-钴-镍-铁合金氩弧焊焊丝，其特征是以重量百分数计焊丝的成分：C 0.06~0.10%，Mn 0.50~1.10%，P ＜0.020%，S ＜0.010%，Si ≤0.70%，Cr 13.70~16.30%，Ni 15.0~17.50%，Ti 0.15~0.35%，Cu 0.4~0.95%，Al 0.15~0.30%，W1.20~1.60%，Co 1.40~1.65%，V 0.10~0.27%，Nb 0.10~0.25%，N 0.005~0.015%，B 0.010~0.020%，O ≤0.0040%，Fe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-铁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，并计算出各中间合金的质量，将作为原料的中间合金投入真空感应炉中进行熔炼后，浇注成合金锭；

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：将合金坯加热至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-铁合金氩弧焊焊丝，其特征是：在进行增材制造（3D打印）成型设备时，考虑各部位的工作温度不一致，采用不同等级的耐高温材料，并采用所述的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。

用于500℃~650℃中温段和500℃以下低温段的过渡区域，该区域工作温度为350~550℃，所述焊丝耐热温度625℃，满足设计使用要求；设备基于增材制造（3D打印）成型，通过所述的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。

本发明的有益效果：

1、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。

2、所述的合金焊丝针对可用于500℃~650℃中温段和500℃以下低温段的过渡区域，该区域工作温度为350~550℃。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。

3、焊丝成分合理，性能满足设计要求，焊丝制备工艺成熟，满足设备进行增材制造（3D打印）的设计需求。本焊丝应用于高温气冷堆换热器500℃~650℃中温段和500℃以下低温段过渡区域的增材制造（3D打印），耐高温650℃，满足设计使用要求，且组织、性能的均匀性和连续性保证设备可靠、安全的运行，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，计算出各组分的中间合金的重量，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，确保浇注成合金锭时，每100kg铁水中含C：0.06Kg，Mn：0.5Kg，P：0.002Kg，S：0.002Kg，Si：0.05Kg，Cr：13.7Kg，Ni：15Kg，Ti：0.15Kg，Cu：0.4Kg，Al：0.15Kg，W：1.2Kg，Co：1.4Kg，V：0.1Kg，Nb：0.1Kg，N：0.005Kg，B：0.01Kg，O：0.0008Kg，Fe：67.1702Kg，合金溶液浇注成合金锭；

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：将合金坯加热至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（去氢处理，可采用现有常规工艺实现，下同）：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12~28V，焊缝的力学性能为：室温抗拉强度542MPa，屈服强度230MPa，满足设计性能要求。将本实施例的焊丝应用于高温气冷堆换热器的中间换热单元的增材制造（3D打印），可用于耐850℃镍-铬-铁耐热合金和耐650℃合金材料过渡区域，满足设计使用要求，且组织、性能的均匀性和连续性保证设备可靠、安全的运行，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。

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，计算出各组分的中间合金的重量，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，确保浇注成合金锭时，每100kg铁水中含C：0.07Kg，Mn：0.8Kg，P：0.004Kg，S：0.001Kg，Si：0.3Kg，Cr：15.5Kg，Ni：17Kg，Ti：0.3Kg，Cu：0.45Kg，Al：0.2Kg，W：1.5Kg，Co：1.6Kg，V：0.2Kg，Nb：0.2Kg，N：0.008Kg，B：0.012Kg，O：0.0008Kg，Fe：61.8542Kg，将合金溶液浇注成合金锭；

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3、热轧退火：将合金坯加热至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12~28V，焊缝的力学性能为：室温抗拉强度580MPa，屈服强度286MPa，满足设计性能要求。将本实施例的焊丝应用于高温气冷堆换热器的中间换热单元的增材制造（3D打印），可用于耐850℃镍-铬-铁耐热合金和耐650℃合金材料过渡区域，满足设计使用要求，且组织、性能的均匀性和连续性保证设备可靠、安全的运行，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。

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，计算出各组分的中间合金的重量，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，确保浇注成合金锭时，每100kg铁水中含C：0.1Kg，Mn：1.1Kg，P：0.015Kg，S：0.008Kg，Si：0.07Kg，Cr：16.3Kg，Ni：17.5Kg，Ti：0.35Kg，Cu：0.95Kg，Al：0.3Kg，W：1.6Kg，Co：1.65Kg，V：0.27Kg，Nb：0.25Kg，N：0.015Kg，B：0.02Kg，O：0.004Kg，Fe：59.498Kg，合金溶液浇注成合金锭；

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3、热轧退火：将合金坯加热至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12~28V，焊缝的力学性能为：室温抗拉强度620MPa，屈服强度316MPa，满足设计性能要求。将本实施例的焊丝应用于高温气冷堆换热器的中间换热单元的增材制造（3D打印），可用于耐850℃镍-铬-铁耐热合金和耐650℃合金材料过渡区域，满足设计使用要求，且组织、性能的均匀性和连续性保证设备可靠、安全的运行，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。

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 (2)

1.一种增材制造用的铬-钨-钴-镍-铁合金氩弧焊焊丝，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，并计算出各中间合金的质量，将作为原料的中间合金投入真空感应炉中进行熔炼后，浇注成合金锭； 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：将合金坯加热至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；得到以下成分的焊丝： 以重量百分数计：C 0.06~0.10%，Mn 0.50~1.10%，P ＜0.020%，S ＜0.010%，Si ≤0.70%，Cr 13.70~16.30%，Ni 15.0~17.50%，Ti 0.15~0.35%，Cu0.4~0.95%，Al 0.15~0.30%，W 1.20~1.60%，Co 1.40~1.65%，V 0.10~0.27%，Nb 0.10~0.25%，N 0.005~0.015%，B 0.010~0.020%，O ≤0.0040%，Fe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500℃~650℃中温段部位和500℃以下低温段部位之间形成过渡区域；该过渡区域工作温度为350~550℃。

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。