CN114058895B - 双喷嘴喷射成形y2o3颗粒增强蒙乃尔400合金板材的工艺 - Google Patents

双喷嘴喷射成形y2o3颗粒增强蒙乃尔400合金板材的工艺 Download PDF

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Abstract

提供一种双喷嘴喷射成形Y2O3颗粒增强蒙乃尔400合金板材的工艺，本发明针对石化行业用的蒙乃尔400合金存在的强度低、耐磨性差等问题，通过双喷嘴扫描喷射成形制备Y2O3超细颗粒增强高温合金板材的工艺方法，充分结合喷射成形工艺与颗粒增强复合材料的技术优点，包括蒙乃尔合金真空感应熔炼、Y2O3超细颗粒制备、双喷嘴扫描喷射成形、板坯机加工、热轧、冷轧、成品检验等工序，不但解决了传统蒙乃尔合金板材强度低、耐磨性较差的问题，提高了蒙乃尔400合金的力学性能，提高蒙乃尔400合金的质量水平，材料性能好，满足石化行业的需求，而且工艺流程短，进一步降低了生产成本。

Description

双喷嘴喷射成形Y2O3颗粒增强蒙乃尔400合金板材的工艺
技术领域
本发明属于石化行业用高性能蒙乃尔400合金板材制备技术领域，具体涉及一种双喷嘴喷射成形Y2O3颗粒增强蒙乃尔400合金板材的工艺。
背景技术
本项目的背景技术是双喷嘴扫描喷射成形技术、颗粒增强镍基合金复合材料技术。
蒙乃尔合金是镍基耐蚀合金中应用广泛的一类金属材料，典型化学成分为 Ni：约70％(重量百分比，下同)和Cu：30％，此外还含有其它一些合金元素，如铁、锰、硅、铝、硫、碳等。蒙乃尔400合金为高强度的单相奥氏体组织，具有良好的机械性能以及切削加工性能，是一种用量大、用途广、综合性能极佳的合金材料。该合金在氢氟酸、氟气介质以及热浓碱液中具有优异的耐蚀性，同时还耐中性溶液、水、海水、有机化合物等的腐蚀，主要用于石油化工以及海洋开发等领域，加工制备的产品包括换热设备、锅炉给水加热器、石油和化工管线、容器、塔、槽、阀门、泵、反应釜、轴、螺旋桨等。目前，随着工业技术的快速发展，蒙乃尔合金零件需要在高温、高压、腐蚀环境下长期、可靠、安全的使用，因此对蒙乃尔合金产品的性能要求越来越高，但是蒙乃尔400合金的耐磨性能无法满足一些特殊使用工况的要求，需要进一步提高材料的耐磨损性能。此外，在非真空环境中熔炼时，蒙乃尔合金极易氧化、吸气，导致形成大量的气孔或在晶界上生成夹杂物，严重降低合金性能，除了主组元易氧化外，蒙乃尔合金高温下还会大量溶解H2和CO气体。为了解决上述问题，国内一些企业及研究机构采用添加微量元素的方法来提高合金的性能，但是生产过程中为了降低成本，使用的设备仍然以非真空中频感应炉为主要，研究结果表明，通过添加少量微量元素对合金进行精炼和变质处理，以提高合金综合性性能，效果并不明显；国内科研人员发现少量Mg、 Cr和Co元素对Monel K-500合金的高温塑性具有一定的改善作用，Mg元素的加入可以提高晶界结合力，改善高温塑性，制备的试验合金在高温下表现出一定的超塑性，但是合金的其它性能没有明显的提高。文献资料调研表明，迄今国内没有人开展过通过添加稳定的氧化物Y2O3超细粉提高蒙乃尔合金力学性能的研究，通常颗粒增强的金属材料制备采用的工艺绝大部分是粉末冶金方法，但是粉末冶金工艺复杂，流程长，成本高。因此本发明采用喷射成形工艺制备Y2O3超细粉增强蒙乃尔400合金复合材料。
喷射成形是英国Swansea大学的A R E Singer教授提出的技术思想，其工艺思路是将熔融的金属雾化后直接沉积冷凝生产半成品。该技术集金属熔炼、加工制备、零件成形于一体，与传统粉末冶金工艺相比具有明显的优势，既降低成本，又消除偏析，使材料获得良好的力学性能。具体工艺过程是，在真空或保护气氛下，采用高压惰性气体将熔融金属喷吹破碎成细小的金属熔滴，雾化熔滴在飞行过程中通过对流和辐射等传热方式发生热交换，产生不同程度的凝固，这些部分凝固的熔滴高速撞击沉积基板表面，在沉积板表面附着、破碎、铺展、堆积，逐步长大成大块沉积坯，对坯体进行后续热加工和冷加工可获得最终产品。与通常的金属材料制备方法相比，具有短流程特点的喷射成形工艺具有无可比拟的优势，不但能够改善金属材料内部的组织，而且制备工序更少，降低生产成本，具有明显的经济效益。喷射成形设备主要由真空感应熔炼室、雾化沉积室、喷嘴系统、供气系统、真空系统、冷却系统等组成。为了提高沉积效率和材料收得率，喷射成形工艺喷嘴系统的发展过程是从单喷嘴喷射成形→单喷射扫描式喷射成形→双喷嘴喷射成形，目前发展到最先进的双喷嘴扫描喷射成形。本发明专利采用的是双喷嘴扫描喷射成形工艺制备Y2O3超细粉增强蒙乃尔400复合材料。
发明内容
本发明解决的技术问题：提供一种双喷嘴喷射成形Y2O3颗粒增强蒙乃尔 400合金板材的工艺，本发明针对石化行业用的蒙乃尔400合金存在的强度低、耐磨性差等问题，通过双喷嘴扫描喷射成形制备Y2O3超细颗粒增强高温合金板材的工艺方法，充分结合了喷射成形工艺与颗粒增强复合材料的技术优点，解决了传统蒙乃尔合金板材强度低、耐磨性较差的问题，提高了蒙乃尔400 合金的力学性能，满足石化行业的需求，而且工艺流程短，进一步降低了生产成本。
本发明采用的技术方案：双喷嘴喷射成形Y2O3颗粒增强蒙乃尔400合金板材的工艺，其工艺步骤为：
(1)蒙乃尔400合金材料准备：将成分合格的蒙乃尔400合金锭放入喷射成形设备的耐火材料坩埚内，具体组成成份以及重量百分比为：C≤0.30， Al≤0.50；Fe≤2.5；Mn≤2.0；Si≤0.50；P≤0.015；S≤0.020；Cu:28.0～ 34.0；Ni：余量；
(2)Y2O3超细粉筛分：采购纯度大于99.9％wt的Y2O3细粉，利用筛网筛分细分进行分级，选用粒度325目以下的Y2O3超细粉备用；
(3)真空感应熔炼：双喷嘴喷射成形炉抽真空，设备真空度≤0.1Pa；送电真空感应熔炼蒙乃尔400合金锭，合金熔炼完毕后测温，温度范围达到 1450℃～1500℃；
(4)双喷嘴扫描喷射成形：采用高纯氮气雾化成形，把熔炼完成的蒙乃尔400合金钢液浇注到耐火材料中间包内，金属液经过中间包内的陶瓷过滤网过滤后，通过导流管流到一个喷嘴，被高压氮气雾化沉积；同时，Y2O3超细粉通过气体输送导流到另一喷嘴处，进行喷吹雾化；两个喷嘴分别喷射雾化的蒙乃尔400合金液滴和Y2O3超细粉进行混合共沉积，沉积到设备沉积室的基板上；
(5)沉积板坯加工：喷射成形完毕后，取出Y2O3超细粉增强的蒙乃尔400 合金沉积板坯，进行进一步的机加工，以使尺寸适合热轧制；
(6)热轧：Y2O3超细粉增强的蒙乃尔400合金板坯进行热轧，板坯在电加热炉中的加热温度范围为960℃～1120℃，板坯轧制到厚度范围10mm～ 20mm，表面加工修磨后进行冷轧；
(7)冷轧：Y2O3超细粉增强的蒙乃尔400合金板坯进行冷轧，轧制到产品所需要的厚度，然后加工到产品需要的规格尺寸；
(8)成品检验：板材成品检验后交付。
上述步骤(4)中，所述纯氮气纯净度≥99.8％，气体压力范围为30MPa～ 50MPa，两个喷射成形喷嘴均具有扫描摆动机构，驱动频率为40HZ～80HZ。
本发明与现有技术相比的优点：
1、本方案针对石化行业用的蒙乃尔400合金存在的强度低、耐磨性差等问题，通过双喷嘴扫描喷射成形制备Y2O3超细颗粒增强高温合金板材的工艺方法，充分结合了喷射成形工艺与颗粒增强复合材料的技术优点，包括蒙乃尔合金真空感应熔炼、Y2O3超细颗粒制备、双喷嘴扫描喷射成形、板坯机加工、热轧、冷轧、成品检验等工序，该工艺不但解决了传统蒙乃尔合金板材强度低、耐磨性较差的问题，提高了蒙乃尔400合金的力学性能，提高蒙乃尔400 合金的质量水平，材料性能好，满足石化行业的需求，而且工艺流程短，进一步降低了生产成本；
2、本方案中喷射成形工艺制备超细粉增强蒙乃尔400合金复合材料，在真空环境下熔炼蒙乃尔400合金，然后在高纯氮气进行喷射成形，既减少了界面生成气孔的风险，又提高了合金的强度；通过双扫描喷射成形方法，Y2O3超细粉均匀分布到蒙乃尔400合金内部，起到弥散强化颗粒增强的作用，同时采用喷射成形的短流程工艺，比传统粉末冶金工艺成本显著降低；
3、本方案中Y2O3超细粉物理化学稳定性好，不与蒙乃尔合金基体在高温或腐蚀环境下发生化学反应，保持了增强效果。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明具体实施方案为：
双喷嘴喷射成形Y2O3颗粒增强蒙乃尔400合金板材的工艺，其工艺步骤为：
(1)蒙乃尔400合金材料准备：将成分合格的蒙乃尔400合金锭放入喷射成形设备的耐火材料坩埚内，具体组成成份以及重量百分比为：C≤0.30，Al≤0.50；Fe≤2.5；Mn≤2.0；Si≤0.50；P≤0.015；S≤0.020；Cu:28.0～ 34.0；Ni：余量；
(2)Y2O3超细粉筛分：采购纯度大于99.9％wt的Y2O3细粉，利用筛网筛分细分进行分级，选用粒度325目(也就是45μm)以下的Y2O3超细粉备用； Y2O3细粉的化学稳定性好，不与镍-铜基的蒙乃尔合金在高温腐蚀环境下发生反应，保持复合材料性能不降低；
(3)真空感应熔炼：双喷嘴喷射成形炉抽真空，设备真空度≤0.1Pa；送电真空感应熔炼蒙乃尔400合金锭，合金熔炼完毕后测温，温度范围达到 1450℃～1500℃；
(4)双喷嘴扫描喷射成形：采用高纯氮气雾化成形，高纯氮气纯净度≥ 99.8％，气体压力范围为30MPa～50MPa，两个喷射成形喷嘴均具有扫描摆动机构，驱动频率为40HZ～80HZ。把熔炼完成的蒙乃尔400合金钢液浇注到耐火材料中间包内，金属液经过中间包内的陶瓷过滤网过滤后，通过导流管流到一个喷嘴，被高压氮气雾化沉积；同时，Y2O3超细粉通过气体输送导流到另一喷嘴处，进行喷吹雾化；两个喷嘴分别喷射雾化的蒙乃尔400合金液滴和Y2O3超细粉进行混合共沉积，沉积到设备沉积室的基板上。本发明在真空环境下熔炼蒙乃尔400合金，然后在高纯氮气进行喷射成形，既减少了界面生成气孔的风险，又提高了合金的强度；通过双扫描喷射成形方法，Y2O3超细粉均匀分布到蒙乃尔400合金内部，起到弥散强化颗粒增强的作用；
(5)沉积板坯加工：喷射成形完毕后，取出Y2O3超细粉增强的蒙乃尔400 合金沉积板坯，进行进一步的机加工，以使尺寸适合热轧制；
(6)热轧：Y2O3超细粉增强的蒙乃尔400合金板坯进行热轧，板坯在电加热炉中的加热温度范围为960℃～1120℃，板坯轧制到厚度范围10mm～20mm，表面加工修磨后进行冷轧；
(7)冷轧：Y2O3超细粉增强的蒙乃尔400合金板坯进行冷轧，轧制到产品所需要的厚度，然后加工到产品需要的规格尺寸；
(8)成品检验：板材成品检验后交付。
实施例1：
将成分合格的蒙乃尔400合金锭放入喷射成形设备的耐火材料坩埚内，具体组成成分以及重量百分比为C：0.20，Al：0.30；Fe：0.5；Mn：2.0；Si： 0.30；Cu:28.0；Ni：69.70；采购Y2O3细粉(纯度99.91％wt)，利用筛网筛分细分进行分级，选用粒度325目(45μm)以下的Y2O3超细粉备用；双喷嘴喷射成形炉抽真空，设备真空度0.1Pa；送电真空感应熔炼蒙乃尔400合金锭。合金熔炼完毕，测温，温度范围达到1450℃；采用高纯氮气(纯净度99.8％) 雾化成形，气体压力范围为30MPa。两个喷射成形喷嘴均具有扫描摆动机构，驱动频率为40HZ。把熔炼完成的蒙乃尔400合金钢液浇注到耐火材料中间包内，金属液经过中间包内的陶瓷过滤网过滤后，通过导流管流到一个喷嘴，被高压氮气雾化沉积；同时，另外Y2O3超细粉通过气体输送导流到另一个喷嘴处，进行喷吹雾化。两个喷嘴分别喷射雾化的蒙乃尔400合金液滴和Y2O3超细粉进行混合共沉积，沉积到设备沉积室的基板上；喷射成形完毕后，取出Y2O3超细粉增强的蒙乃尔400合金沉积板坯，进行进一步的机加工，以使尺寸适合热轧制；Y2O3超细粉增强的蒙乃尔400合金板坯进行热轧,板坯在电加热炉中的加热温度范围为960℃，板坯轧制到厚度范围10mm，表面加工修磨后进行冷轧；超细粉增强的蒙乃尔400合金板坯进行冷轧,轧制到产品所需要的厚度，然后加工到产品需要的规格尺寸；成品检验。板材成品检验后交付。
实施例2：
将成分合格的蒙乃尔400合金锭放入喷射成形设备的耐火材料坩埚内，具体组成成分以及重量百分比为C：0.30，Al：0.50；Fe：1.0；Mn：1.0；Si： 0.50；Cu:33.0；Ni：63.4；采购纯度99.95％wt的Y2O3细粉，利用筛网筛分细分进行分级，选用粒度325目(45μm)以下的Y2O3超细粉备用；双喷嘴喷射成形炉抽真空，设备真空度0.1Pa；送电真空感应熔炼蒙乃尔400合金锭。合金熔炼完毕，测温，温度范围达到1500℃；采用高纯氮气(纯净度99.8％) 雾化成形，气体压力范围为50MPa。两个喷射成形喷嘴均具有扫描摆动机构，驱动频率为80HZ。把熔炼完成的蒙乃尔400合金钢液浇注到耐火材料中间包内，金属液经过中间包内的陶瓷过滤网过滤后，通过导流管流到一个喷嘴，被高压氮气雾化沉积；同时，Y2O3超细粉通过气体输送导流到另一喷嘴处，进行喷吹雾化。两个喷嘴分别喷射雾化的蒙乃尔400合金液滴和Y2O3超细粉进行混合共沉积，沉积到设备沉积室的基板上；喷射成形完毕后，取出Y2O3超细粉增强的蒙乃尔400合金沉积板坯，进行进一步的机加工，以使尺寸适合热轧制；Y2O3超细粉增强的蒙乃尔400合金板坯进行热轧。板坯在电加热炉中的加热温度范围为1120℃，板坯轧制到厚度范围20mm，表面加工修磨后进行冷轧；超细粉增强的蒙乃尔400合金板坯进行冷轧。轧制到产品所需要的厚度，然后加工到产品需要的规格尺寸；成品检验。板材成品检验后交付。
表1板材力学性能及耐磨性对比
Figure BDA0003356613630000081
(注：摩擦磨损试验采用MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机，对磨形式为销- 盘磨损。试验参数为法向载荷为100N，对磨盘旋转频率为400r/min，磨损时间为4min)
通过以上性能对比，通过本发明工艺生产的Y2O3颗粒增强蒙乃尔400合金板材的力学性能明显优于普通蒙乃尔400合金板材。
综上，本发明针对石化行业用的蒙乃尔400合金存在的强度低、耐磨性差等问题，通过双喷嘴扫描喷射成形制备Y2O3超细颗粒增强高温合金板材的工艺方法，充分结合喷射成形工艺与颗粒增强复合材料的技术优点，解决了传统蒙乃尔合金板材强度低、耐磨性较差的问题，提高了蒙乃尔400合金的力学性能，提高蒙乃尔400合金的质量水平，材料性能好，满足石化行业的需求，而且工艺流程短，进一步降低了生产成本。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种双喷嘴喷射成形Y2O3颗粒增强蒙乃尔400合金板材的工艺，其特征在于：其工艺步骤为：
(1)蒙乃尔400合金材料准备：将成分合格的蒙乃尔400合金锭放入喷射成形设备的耐火材料坩埚内，具体组成成份以及重量百分比为：C≤0.30，Al≤0.50；Fe≤2.5；Mn≤2.0；Si≤0.50；P≤0.015；S≤0.020；Cu:28.0～34.0；Ni：余量；
(2)Y2O3超细粉筛分：采购纯度大于99.9％wt的Y2O3细粉，利用筛网筛分细分进行分级，选用粒度325目以下的Y2O3超细粉备用；
(3)真空感应熔炼：双喷嘴喷射成形炉抽真空，设备真空度≤0.1Pa；送电真空感应熔炼蒙乃尔400合金锭，合金熔炼完毕后测温，温度范围达到1450℃～1500℃；
(4)双喷嘴扫描喷射成形：采用高纯氮气雾化成形，把熔炼完成的蒙乃尔400合金钢液浇注到耐火材料中间包内，金属液经过中间包内的陶瓷过滤网过滤后，通过导流管流到一个喷嘴，被高压氮气雾化沉积；同时，Y2O3超细粉通过气体输送导流到另一喷嘴处，进行喷吹雾化；两个喷嘴分别喷射雾化的蒙乃尔400合金液滴和Y2O3超细粉进行混合共沉积，沉积到设备沉积室的基板上；
(5)沉积板坯加工：喷射成形完毕后，取出Y2O3超细粉增强的蒙乃尔400合金沉积板坯，进行进一步的机加工，以使尺寸适合热轧制；
(6)热轧：Y2O3超细粉增强的蒙乃尔400合金板坯进行热轧，板坯在电加热炉中的加热温度范围为960℃～1120℃，板坯轧制到厚度范围10mm～20mm，表面加工修磨后进行冷轧；
(7)冷轧：Y2O3超细粉增强的蒙乃尔400合金板坯进行冷轧，轧制到产品所需要的厚度，然后加工到产品需要的规格尺寸；
(8)成品检验：板材成品检验后交付；
上述步骤(4)中，所述氮气纯净度≥99.8％，气体压力范围为30MPa～50MPa，两个喷射成形喷嘴均具有扫描摆动机构，驱动频率为40Hz ～80Hz 。
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